Junio de 2015

INTRODUCCIÓN

1. EFICIENCIA

Para lograr identificar el real funcionamiento de un proceso se deben medir las variables relacionadas con los aspectos energéticos significativos y elaborar balances de masa y energía en el proceso.

Todos los procesos industriales cumplen con las leyes de la conservación de la masa y las leyes termodinámicas, las cuales establecen las categorizaciones y los límites en la transformación de la energía. Las transformaciones de la energía presentan límites impuestos por la naturaleza, que deben considerarse. El primero de ellos se refiere a que toda la energía que se le suministra a un proceso con una finalidad no se podrá transformar totalmente en energía útil, perdiéndose parte en otras formas de energía. Es así como se habla de eficiencia y pérdidas impuestas a cualquier proceso real de transformación de un tipo de energía en otro.

En la práctica, estas características son inalcanzables debido a que, en los sistemas reales, se pierde energía durante la transformación de una energía a otra por múltiples modos, tales como fugas de gases, escapes de energía en los gases de salida, pérdidas de energía debidas a la fricción, entre otras. En la tabla a continuación se presentan las eficiencias típicas de los sistemas de transformación de energía más comunes en nuestra vida cotidiana.

La eficiencia se define como la relación entre la salida deseada de energía útil y la entrada total de energía al sistema considerado.

Las industrias utilizan ampliamente la expresión de eficiencia como un porcentaje a modo de estudio y como objetivo deseable, un sistema ideal sería aquel que alcance un 100% de eficiencia. Un sistema ideal se caracteriza por:

Ausencia de irreversibilidades.

Trabajo sin fricción.

No ocurren mezclas de sustancias diferentes ni hay transformaciones radicales de las sustancias.

Transmisión de calor a través de diferencias de calor infinitesimales.

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Tabla 1: Sistemas cotidianos de conversión de energía.

BALANCES DE MASA PARA MEJORAR LA EFICIENCIA ENERGÉTICA

Enrique Posada Restrepo - Johan Almanza AraqueINDISA S.A

2. LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MASA

Estas ineficiencias energéticas suponen también pérdidas económicas, es por esta razón que la economía y la energía están íntimamente relacionadas. Cuando se tienen claras las cuentas, cuando se lleva contabilidad, es más fácil tomar decisiones, todo queda más claro. Por eso cualquier programa de uso racional de la energía debe considerar el aspecto de contabilidad.

¿Qué es lo que contabiliza?: Lo más importante es llevar cuentas de los consumos de energía y de las producciones relacionadas con esos procesos. Es decir, medir los consumos de energía y medir los flujos de materiales o de productos que están relacionados con esos consumos de energía. Es también muy importante convertir estos consumos y estos flujos en dinero. En esta forma se pueden establecer comparaciones, se pueden establecer metas y se pueden evaluar los programas.

Suena simple, suena lógico, pero no siempre se hace. En efecto, muchos procesos energéticos carecen de elementos para medir los consumos de energía. En un reciente estudio realizado en el Valle de Aburrá, se encontró, en una muestra de 20 calderas, que menos del 20% de ellas contaba con sistemas para medir los consumos de combustibles y menos del 30% contaban con medios para medir las producciones de vapor.

En gran parte de los casos no se cuenta con información sobre los consumos de energía eléctrica de los motores en las empresas. En la mayoría de los casos se carece de información sobre las potencias mecánicas generadas por los motores.

¿Qué vale la pena cuantificar económicamente?: Se puede aseverar que es muy importante llevar los datos técnicos (flujos y energías) a datos de dinero. El lenguaje del dinero es uno que la mayor parte de las personas pueden visualizar, entender, palpar, gustar, oír y comparar, ya que se utiliza día a día en las transacciones normales. En cambio, las personas tienen mayores dificultades para manejar conceptos como el calor, los kilovatios, los julios o las calorías.

¿Qué más se puede contabilizar?: En todos los procesos ocurren flujos variados de energía, que se pueden clasificar en tres grandes categorías: la energía entregada (consumos de energía); la energía convertida en algo útil (energía aprovechada) y la energía que se pierde, que sale del sistema en formas no aprovechables. La cuantificación de la energía perdida y de la energía aprovechada es importante. En estos aspectos hay todavía más carencias y vacíos, ya que solamente se cuantifican en una pequeña minoría de los casos.

Al hablar de contabilidad en los procesos, es fundamental entender que en ellos ocurren entradas y salidas de masas, las cuales se expresan en general en forma de flujos:

Todos estos flujos están relacionados con energía:

Las masas que fluyen ganan o pierden temperatura, es decir, energía interna. Además pueden sufrir cambios de presión y de densidad. La entalpía, que es la energía interna más el producto de la presión por el inverso de la densidad, puede cambiar. La entalpía entra en los balances de energía.

Flujos de aire y flujos de combustibles para los sistemas de combustión.

Flujos de aire para los sistemas de secado, de calentamiento y de enfriamiento.

Flujos de gases en las salidas al ambiente.

Flujos de materiales y materias primas en las entradas al proceso.

Flujos de producto terminado en las salidas.

Flujos de contaminantes en las descargas.

Flujos de materiales no útiles o de baja calidad.

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3. UTILIDAD DEL BALANCE DE MASA

Las leyes de conservación establecen equilibrios entre los distintos elementos que fluyen y que se mueven en los procesos industriales. Estos equilibrios se plantean mediante ecuaciones en las cuales intervienen los flujos de masa y de energía. Con ayuda de las ecuaciones se pueden encontrar elementos desconocidos o de difícil cuantificación, como es el caso de las pérdidas de calor por las paredes del equipo. Al aplicar las leyes de conservación se identifican los desbalances existentes, los cuales deben ser pequeños cuando están bien concebidos los elementos que intervienen en un sistema dado.

Hay dos leyes de conservación importantes para el estudio energético de los procesos y su cuantificación económica: la conservación de la masa y la conservación de la energía.

La conservación de la masa es el primer principio que se debe tener en cuenta. Es el principio esencial de la contabilidad de los procesos. Cuando se hace un manejo muy responsable de los procesos productivos, este principio se aplica regularmente para evaluar el aprovechamiento de los materiales. Si los desbalances y las pérdidas de masa son pequeños, hay cierta seguridad de que se están haciendo las cosas bien. En cambio, si hay grandes desbalances y pérdidas de masa, hay alta probabilidad de estar desperdiciando recursos materiales o generando residuos de forma irresponsable.

Esta sencilla expresión debe ser aplicada a cada proceso, para cada especie (elemento o compuesto químico) que circula por el sistema respectivo. Si existen reacciones químicas, se recomienda trabajar con base en los flujos molares y de masa. Es importante contar con un conocimiento esencial de las reacciones que están ocurriendo. En este análisis, se genera la necesidad de conocer los flujos de materiales, dando lugar a un número de incógnitas que corresponde al número de balances independientes que se pueden formular. En la práctica, va a ser necesario contar con diversos criterios para suplir los datos faltantes. Se recomienda utilizar varios métodos y confrontar.

En la ecuación anterior también es claro que para realizar balances de masa es necesario contar con datos de flujos de productos. Una de las acciones más importantes que puede hacer una empresa es contar con elementos para medir los flujos de productos a la entrada y a la salida de los procesos. Cuando se desconocen los flujos, las masas involucradas y los tiempos de trabajo, se dificulta enormemente llegar a resultados concluyentes sobre el uso racional de la energía en un proceso dado.

Mediante la realización de balances de masa, se lleva a cabo una contabilidad de los materiales que entran, salen, se acumulan, se generan y se destruyen en el curso de un intervalo de tiempo dado. Se aplica la siguiente expresión, para cada una de las especies que tienen que ver con los procesos:

También puede ser escrita en la siguiente forma:

Las sustancias pueden sufrir reacciones químicas o cambios de estado, lo cual afecta los balances de energía, proporcionados a los flujos de masa.

Flujo de entradas de masa + Flujo de generaciones internas de masa = Flujos de salidas de masa + Flujo de consumos de masa internos + Acumulaciones de masa por unidad de tiempo

Flujo de entradas de masa - Flujos de salidas de masa = Cambios internos

Cambios internos = Flujo de consumos de masa internos - Flujo de generaciones internas de masa + Acumulaciones de masa por unidad de tiempo

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4. IMPORTANCIA DEL BALANCE DE MASA PARA CALCULAR LA EFICIENCIA ENERGÉTICA: CASO DE ESTUDIO O EJEMPLO

El balance de masa involucra con frecuencia cálculos e información sobre reacciones químicas, ya que en muchos procesos las materias primas reaccionan para dar lugar a nuevos productos. Con frecuencia, los balances de masa tienen que ver con volúmenes, con concentraciones de materiales en una mezcla, con densidades.

El desconocimiento de los balances de masa tiene consecuencias prácticas, todas ellas generadoras de reactividad y agobio. El conocimiento, por el contrario, genera atención creativa, como se señala en la tabla siguiente:

Algunos casos prácticos en los cuales se justifica ampliamente el contar con balances de masa son los siguientes:

El caso que se propone es el de una caldera pequeña operada con gas natural. La información de partida es la siguiente:

Determinación de flujos de purgas en las calderas.

Determinación de flujos de aditivos en las plantas de tratamiento de aguas.

Determinación de flujos de agua en procesos de secado.

Determinación de flujos de materiales que se pierden en procesos productivos (por ejemplo en procesos cerámicos y químicos).

Determinación de flujos de polvo en sistemas de control ambiental de polvo.

Determinación de flujos de combustible y de aire en procesos de combustión.

Determinación de flujos de agua, aire comprimido y vapor en redes de servicio.

Determinación de emisiones en procesos diversos

4Tabla 2: Consecuencias prácticas del conocimiento o desconocimiento

de los balances de masa.

Tabla 3: Datos relevantes del caso de estudio.

Desconocimiento de losbalanceos

Desconocimiento de losbalanceos

Producen pérdidas desconocidas y descontroladas de materiales, las cuales se reflejan en mayores costos de producción, en agotamiento de recursos, en generación de emisiones y de suciedad. Ello da lugar a ocultar información, a temores, a discusiones y problemas administrativos.

Al conocer las pérdidas de materiales, se pueden establecer controles y metas de ahorro y recuperación. Esto permite trabajar con costos menores y mayor productividad. Se está en capacidad de elaborar reportes y de dar a terceros información confiable. Se siente la tranquilidad de la tarea bien hecha.

Se pueden generar situaciones inseguras por escapes y emisiones de sustancias desconocidas, que pueden ocasionar daños, accidentes y pérdidas súbitas de materiales y de tiempo. Se trabaja bajo situaciones de riesgo, ignorancia y temor.

Se advierten los riesgos, se cuantifican y se pueden controlar. Se da lugar a entrenamiento de las personas y ello permite mejor manejo del proceso. Se hacen seguimientos e inspecciones, que dan tranquilidad y seguridad operativa.

Se desconocen opciones para aprovechar materiales y para mejorar las relaciones de productividad del proceso, puesto que no se miden los comportamientos de los flujos y sus variaciones con el tiempo y con las variables de proceso. Se está bajo el dominio del azar y de las fluctuaciones. Se carece de criterios de proceso para hacer cambios y ello genera dependencia de terceros y mayores gastos.

Se plantean teorías de proceso que permiten establecer relaciones de productividad racionales y metas. Se establecen posibles recirculaciones y aprovechamientos. Se hacen ensayos frecuentes que dan lugar a mejoras. Se siente la satisfacción de la labor cumplida y la capacidad para predecir y extrapolar los comportamientos cuando se quieren hacer cambios y aumentos de producción.

El poder calorífico superior del GN (PCS) es un dato suministrado por la empresa de gas o que se puede consultar. La humedad en el aire de la combustión tiene que ver con la humedad relativa del ambiente y se utiliza para establecer balances de masa con las humedades de los gases que pasan por la caldera. Para este caso, el tipo de combustible, se asume que es gas natural puro CH4.

En las siguientes 6 tablas se detallan los balances de masa y energía para la caldera.

En la tabla de cálculo 4, se conoce el flujo de agua que deben arrastrar los gases.

En los resultados de la tabla anterior se conoce el flujo de gases a la salida de la caldera en el punto en el cual se ha determinado la concentración de oxígeno en los gases.

En la tabla 6 se presenta el cálculo de la energía suministrada con el combustible y determinación de la energía sensible que se llevan los gases de salida de la caldera. Esta energía sensible se calcula con respecto a una temperatura de referencia de 25 °C.

El consumo de gas natural en general viene dado por un medidor, que mide en forma volumétrica. Es importante llevar los datos a consumos de masa. ¿Están en su empresa en capacidad de hacerlo de esta manera?.

Es importante que cada caldera o equipo consumidor cuente con la posibilidad de medición de consumos de combustible. De lo contrario, se dificulta cualquier intento de auditoría. ¿Cuenta su empresa con esta capacidad?.

El flujo de vapor generado en la caldera y los datos del vapor y del agua son importantes para el análisis, ya que indican la capacidad a la cual se trabaja y permiten establecer balances. ¿Se cuenta en su empresa con elementos para conocer este flujo y estos datos?.

La temperatura de salida de los gases y el oxígeno presente en estos gases permiten estimar en forma rápida las eficiencias de trabajo y los excesos de aire. ¿Cuenta su empresa con los elementos suficientes para conocer estos parámetros?.

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Tabla 4: Cálculo del flujo de agua en los gases de combustión.

Tabla 5: Cálculo de los gases totales de combustión.

Cálculo de la energía suministrada con el combustible y determinación de la energía latente que se llevan los gases de salida de la caldera. Esta energía latente tiene que ver con el hecho de que el agua de la combustión no se condensa.

Nótese que este valor (85,0%) no coincide totalmente con las eficiencias basadas en la energía que gana el vapor (82,1 %). Esto se debe a las pérdidas menores que no están incluidas en las pérdidas en los gases de salida. Obsérvese en la tabla siguiente:

Se observa que las pérdidas por energía latente son casi un 10% de la energía del gas natural (calculada a su poder calorífico superior). Estas pérdidas no se tienen en cuenta si se trabaja con el poder calorífico inferior.

Estas ineficiencias energéticas suponen también pérdidas económicas, es por esta razón que la economía y la energía están íntimamente relacionadas. Cuando se tienen claras las cuentas, cuando se lleva contabilidad, es más fácil tomar decisiones, todo queda más claro. Por eso cualquier programa de uso racional de la energía debe considerar el aspecto de contabilidad.

¿Qué es lo que contabiliza?: Lo más importante es llevar cuentas de los consumos de energía y de las producciones relacionadas con esos procesos. Es decir, medir los consumos de energía y medir los flujos de materiales o de productos que están relacionados con esos consumos de energía. Es también muy importante convertir estos consumos y estos flujos en dinero. En esta forma se pueden establecer comparaciones, se pueden establecer metas y se pueden evaluar los programas.

Suena simple, suena lógico, pero no siempre se hace. En efecto, muchos procesos energéticos carecen de elementos para medir los consumos de energía. En un reciente estudio realizado en el Valle de Aburrá, se encontró, en una muestra de 20 calderas, que menos del 20% de ellas contaba con sistemas para medir los consumos de combustibles y menos del 30% contaban con medios para medir las producciones de vapor.

En gran parte de los casos no se cuenta con información sobre los consumos de energía eléctrica de los motores en las empresas. En la mayoría de los casos se carece de información sobre las potencias mecánicas generadas por los motores.

¿Qué vale la pena cuantificar económicamente?: Se puede aseverar que es muy importante llevar los datos técnicos (flujos y energías) a datos de dinero. El lenguaje del dinero es uno que la mayor parte de las personas pueden visualizar, entender, palpar, gustar, oír y comparar, ya que se utiliza día a día en las transacciones normales. En cambio, las personas tienen mayores dificultades para manejar conceptos como el calor, los kilovatios, los julios o las calorías.

Eficiencia aproximada = 100 – pérdidas de energía sensible en los gases de salida – pérdidas de energía latente en los gases de salida = 100 – 5,11 – 9,89 = 85,0 %

Tabla 7: Pérdidas de energía por la energía latente en los gases de la caldera.

Tabla 6: Cálculo de las pérdidas de energía en los gases de salida de la caldera.

Tabla 8: Cálculo de la eficiencia de la caldera.

Tabla 9. Balance de energía en la caldera y estimación de desbalances no contabilizados.

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CONCLUSIÓN

Esta sencilla expresión debe ser aplicada a cada proceso, para cada especie (elemento o compuesto químico) que circula por el sistema respectivo. Si existen reacciones químicas, se recomienda trabajar con base en los flujos molares y de masa. Es importante contar con un conocimiento esencial de las reacciones que están ocurriendo. En este análisis, se genera la necesidad de conocer los flujos de materiales, dando lugar a un número de incógnitas que corresponde al número de balances independientes que se pueden formular. En la práctica, va a ser necesario contar con diversos criterios para suplir los datos faltantes. Se recomienda utilizar varios métodos y confrontar.

En la ecuación anterior también es claro que para realizar balances de masa es necesario contar con datos de flujos de productos. Una de las acciones más importantes que puede hacer una empresa es contar con elementos para medir los flujos de productos a la entrada y a la salida de los procesos. Cuando se desconocen los flujos, las masas involucradas y los tiempos de trabajo, se dificulta enormemente llegar a resultados concluyentes sobre el uso racional de la energía en un proceso dado.

BIBLIOGRAFÍA

RESEÑA DE LOS AUTORES

Ingeniero Mecánico, Universidad Pontificia Bolivariana. B.S. and Master of Mechanical Engineering, University of Maine. Asesor Técnico, INDISA S.A, Medellín, Colombia, www.indisa.com.co. Correspondencia: enrique.posada@indisa.com

Enrique Posada Restrepo.

Ingeniero Químico, Universidad de Antioquia. Ingeniero de Proyectos, INDISA S.A. Medellín, Colombia, www.indisa.com.co. Correspondencia: johan.almanza@indisa.com

Johan Almanza.

Estas pérdidas energéticas se deben a múltiples causas: pérdidas energéticas por agua de purga de la caldera, pérdidas energéticas al ambiente por la transferencia de calor entre la caldera y los alrededores, y otras causas que habría que investigar como fugas o escapes en la caldera.En esta forma se ha establecido una aproximación al balance de energías y de masas de la caldera. ¿Está en posibilidad de hacer un ejercicio como este para una de las calderas de su empresa? .¿Qué dificultades se presentan?

Como se ha ilustrado con el ejemplo, observamos que colocando toda nuestra atención al proceso, podemos encontrar explicación a las transformaciones de la energía y a identificar las pérdidas. Una de las mejores herramientas que tenemos para identificar oportunidades de mejora de la eficiencia energética de los procesos es el balance de masas.

La eficiencia energética es una meta que se debe buscar constantemente. La realización de los balances de masa con el objetivo de mejorar la eficiencia es algo que da sabiduría del proceso y permite observar oportunidades de mejora para aumentar la rentabilidad.

Finalmente si a medida que hizo lectura del ejemplo en el numeral 4 y se encontraron las preguntas resaltadas, alguna de ellas quedó sin respuesta positiva, lo invitamos a que revise la opción de un apoyo externo que permita volver esa respuesta negativa en positiva y puede iniciar el camino eficiente hacia los balances de masa y energía.

Posada, Enrique. Hacia una cultura para mejorar la gestión energética empresarial. ISAGEN. 2014.

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