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1
Optimización de sistemas de vapor industrial
Curso de capacitación de expertos
Diseñado por: Riyaz Papar (P.E.,CEM)
Hudson Technologies Company, EE. UU. Greg Harrell (Ph.D., P. E.)
Energy Management Services, EE. UU. Ven V. Venkatesan (P.E.,CEM)
Hudson Technologies Company, EE. UU.
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2
Agradecimientos Equipo de la ONUDI - Viena, Austria Equipo de la ONUDI - Sudáfrica Departamento de Energía - Estados Unidos. Oak Ridge National Laboratory - Estados Unidos
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3
Riyaz Papar (P.E., CEM) Estudios
• Maestría en ciencias (Ingeniería mecánica), Universidad de Maryland, College Park • Título de grado en tecnología (Ingeniería mecánica), Instituto de Tecnología de la India,
Mumbai
Experiencia profesional • Director - Energy & Carbon Services, Hudson Technologies
• Vigilancia del rendimiento y optimización de sistemas de energía • Consultor de energía
• Sistemas de vapor industrial, refrigeración, sistemas de enfriamiento y de procesos, recuperación de calor residual
• Productos químicos, refinerías de petróleo, alimentos, pulpa y papel - Sector de fabricación
• Gerente de desarrollo, Enron Energy Services • Dirección de desarrollo de proyectos para clientes industriales
• Investigador asociado principal, Lawrence Berkeley National Laboratory • Desarrollo de herramientas y recursos, apoyo técnico al programa BestPractices del
Departamento de energía de los Estados Unidos • Ingeniero de proyectos senior, Energy Concepts Company
• Sistemas industriales de refrigeración de amoníaco-agua residual con funcionamiento a calor
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4
Riyaz Papar (P.E., CEM) Otros títulos y participaciones
• Ingeniero profesional, Estado de Maryland, EE. UU. • Gerente de energía certificado • Jefe de instructores y asesor técnico del Departamento de energía de los Estados
Unidos • Experto en energía del vapor de Departamento de energía de los Estados Unidos • Experto en de la ONUDI - Vapor, refrigeración y enfriadores, y recuperación de calor
residual • Experto en energía de la IFC para el Equipo de producción más limpia • Presidente, División de las industrias de procesos de la ASME, 2003-04 • Presidente, Comité técnico 8.2 de la ASHRAE : Centrifugal Machines, 2009-10 • Presidente, Comité técnico 1.10 de la ASHRAE : Cogeneration Systems, 2010-11
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5
Greg Harrell (Ph.D., P.E.) Estudios
• Doctorado en Ingeniería mecánica - Termodinámica, Virginia Tech (VPI&SU) - 1997
Experiencia profesional • 1987 a 1993 - Ingeniero de diseño, ingeniero de procesos de suministro, BASF Corp.
• Supervisión de la ingeniería y de las actividades técnicas de todo el departamento de suministros (producción de vapor, generación de energía eléctrica, sistemas de aire comprimido, instalaciones de refrigeración industrial, sistemas industriales de calefacción, ventilación y aire acondicionado, y planta de tratamiento de aguas residuales.)
• Virginia Tech - Profesor de ingeniería mecánica, Energy Management Institute (EMI) • De 1997 a 2001, director de asistencia técnica del EMI
• Profesor universitario y de posgrado de termodinámica
• Participación directa en aspectos importantes de gestión de energía para industrias en todo el mundo
• Realización de varios estudios energéticos para clientes industriales en todo el mundo - en seis continentes, veintidós países y en 36 estados de los Estados Unidos
• Profesor de los cursos de capacitación para usuarios finales de vapor y para especialistas en vapor del Departamento de Energía de los Estados Unidos
• Importante participación en el desarrollo de las herramientas de vapor del Departamento de Energía de los Estados Unidos y autor de la Steam System Survey Guide, que se ha convertido en un libro de texto universitario para los cursos de ingeniería mecánica
• Instructor certificado del Compressed Air Challenge del Departamento de Energía de los Estados Unidos
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Greg Harrell (Ph.D., P.E) Experiencia profesional
• En la actualidad - Consultor para servicios de gestión de la energía • Funciones principales: análisis de la energía de los sistemas industriales y análisis de los
procesos individuales, cursos de capacitación industrial, docencia universitaria, modelado de sistemas de energía y desarrollo de programas informáticos
• Profesor de la carrera de gestión de la energía de la Universidad estatal de Carolina del Norte
• Áreas prioritarias de los sistemas principales - calderas, sistemas de vapor, cogeneración de energía térmica y eléctrica, turbinas de gas, sistemas de aire comprimido
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Ven V. Venkatesan (PE, CEM) Estudios
• Maestría en técnica (Ingeniería química), Universidad de Madrás, India • Título de grado (Ingeniería química), Universidad de Madrás, India • Diploma de energía industrial (Ingeniería industrial), Indian Institution of Industrial Engineering,
Mumbai
Experiencia profesional • Gerente general, VGA Engineering Consultants Inc.
• Reducción de costos energéticos en industrias de procesos y mejora de la fiabilidad de los sistemas de vapor
• Director- Servicios de ingeniería, Armstrong Service Inc. (1996 – 2006) • Servicios de ingeniería para las operaciones nacionales e internacionales
• Ingeniero de procesos senior, refinería ISLA (Curazao). (1991 – 1996) • Secretaría del Energy & Loss Steering Committee y experto en combustión
• Consultor en ingeniería senior, M K Raju Consultants (P) Ltd. (1986 – 1991) • Identificación de las oportunidades de ahorros de costos energéticos en industrias de procesos de
todos los tipos principales • Gerente asistente, (energía y economía), Bokaro Steel Plant Steel Authority of India Limited (1978 –
1986) • Áreas de eficiencia de los combustibles, control del gas combustible, plantas de depuración de gases,
estaciones de mezcla y de impulso de gases, gasómetros y quema de los gases sobrantes
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8
Ven V. Venkatesan (PE, CEM) Otros títulos y participaciones
• Ingeniero profesional habilitado en los estados de Florida y Wyoming • Gerente de energía certificado • Ingeniero en edificios ecológicos • Experto en energía para calentamiento de procesos y vapor del Departamento de
energía de los Estados Unidos • Experto en sistemas de calentamiento de procesos del Departamento de energía de los
Estados Unidos
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9
Información de contacto Riyaz Papar, P.E., CEM Director, Energy & Carbon Services
Hudson Technologies Company
EE.UU.
Teléfono: (281) 298-0975
E-mail: [email protected]
Ven V. Venkatesan, P.E., CEM
Engineering Manager
Hudson Technologies Company
EE.UU.
Teléfono: (407) 399-9316
E-mail: [email protected]
Greg Harrell, Ph.D., P.E. EMSCAS
EE.UU.
Teléfono: (865) 719-0173
E-mail: [email protected]
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Objetivos de la capacitación Capacitar a los usuarios finales y a los ingenieros consultores para
que puedan realizar la evaluación y la optimización de los sistemas de vapor.
Ayudar a la industria a evaluar los sistemas de vapor a fin de obtener ahorros de energía y de costos
• Operación y controles correctos
• Mantenimiento de los sistemas
• Uso correcto de los procesos de vapor
• Cogeneración y
• Aplicación de tecnologías de última generación
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Resumen general Realizar evaluaciones de campo e identificar proyectos como
demostración de los ahorros de energía y de costos que se pueden lograr mediante un enfoque de los sistemas
Presentar y demostrar el funcionamiento de las herramientas informáticas de evaluación de la optimización de sistemas de vapor del Departamento de energía de los Estados Unidos a disposición del público en general
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Resumen general La capacitación de expertos de cinco días de duración comienza
definiendo el enfoque de los sistemas y cómo se lo aplica para optimizar un sistema de vapor industrial y/o institucional
La capacitación abarca el funcionamiento de los sistemas d vapor industrial típicos, es decir:
• la generación
• la distribución
• usos finales y
• recuperación de condensado
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Resumen general La capacitación identifica las oportunidades de mejora del
rendimiento que llevan a la optimización del sistema en su conjunto
En el taller se examina los métodos para mejorar la eficiencia de los sistemas, las metodologías para cuantificar los ahorros de energía y de costos de dichas mejoras, y distintos aspectos de la implementación de los programas de mejoras continuas
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Resumen general Demostración, funcionamiento práctico y uso del programa Steam
BestPractices del Departamento de Energía de los Estados Unidos El programa incluye:
• Steam System Scoping Tool (SSST) • Steam System Assessment Tool (SSAT)
• Software de evaluación del aislamiento 3E-Plus
Las herramientas informáticas se pueden descargar gratuitamente de los sitios web correspondientes
Ejemplos de campo y aplicaciones del uso de estas herramientas informáticas de evaluación de la energía de los sistemas de vapor industrial
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Cronograma del curso Día 1 – Curso de usuario de vapor de dos días
Día 2 – Curso de usuario de vapor de dos días
Día 3 - Curso de expertos y actividades de preevaluación
Día 4 - Evaluación del sistema de vapor
Día 5 - Evaluación del sistema de vapor
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Esquema del curso de capacitación Día uno
Preparación de una computadora portátil para cada participantes. Herramientas informáticas y archivos de programas
Presentación del proyectos de eficiencia energética industrial de la ONUDI
Introducción al "enfoque de los sistemas"
Revisión de los principios de los sistemas de vapor - termodinámica
Revisión del Steam System Scoping Tool (SSST) del Departamento de Energía de los Estados Unidos
Ejercicio - Evaluación de un sistema de vapor de una planta industrial usando el SSST. Identificación de las áreas de ahorros energéticos
Pausa
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Esquema del curso de capacitación Día uno
Revisión del Steam System Assessment Tool (SSAT) del Departamento de Energía de los Estados Unidos
Costos de los suministros
• energía eléctrica
• combustible
• agua
Identificación de la caldera de mayor impacto - ejemplo perteneciente a una planta industrial
Indicador del costo del vapor
Sección Quick Start del SSAT
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Esquema del curso de capacitación Día uno
Cálculo de la eficiencia de una caldera mediante mediciones de campo
Pérdidas de la caldera
• pérdidas de la carcasa
• pérdidas de la purga
• pérdidas de la chimenea
Sección "Site Detail" del SSAT
Desarrollo de un modelo de un sistema de vapor de un cabezal con el SSAT
Comprensión del costo marginal del vapor
Pausa del almuerzo
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Esquema del curso de capacitación Día uno
Purga y vapor evaporado súbitamente
Condiciones de generación de vapor
Válvulas de descarga / de alivio de presión
Desgasificador
Componentes de la recuperación de calor
Recuperación de condensado
Pérdidas de la distribución
Discusión /comparación del costo marginal del vapor
Pausa
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Esquema del curso de capacitación Día uno
Nociones fundamentales relativas a las turbinas
Turbinas de contrapresión
Modelado de turbinas de contrapresión en el SSAT
Ejercicios prácticos
Turbinas de condensación
Fin de la sesión
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Revisión de los temas del primer día
Preguntas y respuestas sobre los temas del primer día
Optimización de sistemas de vapor - área de generación
• mejora de la eficiencia de las calderas
• gestión de la purga
• rtcuperación de la energía de la purga
• economizadores de agua de alimentación / precalentadores del aire de combustión
• control del aire en exceso
• cambio de combustible
Ejercicios prácticos
Pausa
Esquema del curso de capacitación Día dos
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22
Esquema del curso de capacitación Día dos
Optimización de sistemas de vapor - área de distribución
• fugas de vapor
• pérdidas de la transferencia de calor por el aislamiento
Ejercicio - Complete los ejemplos de las fugas de vapor y de pérdidas de calor por el aislamiento usando la herramienta informática SSAT
Software de evaluación del aislamiento 3E Plus
Optimización de sistemas de vapor - área de los usos finales
• impacto de las condiciones de generación de vapor
• demanda de vapor (usos finales)
Proyectos de ahorros de la demanda de vapor del SSAT
Pausa del almuerzo
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23
Esquema del curso de capacitación Día dos
Optimización de sistemas de vapor - área de la recuperación de condensado
• programa de gestión de las trampas de vapor
• evaluación de los sistemas de recuperación de condensado
• tanques de evaporación súbita de condensado
• venteo de tanques de condensado
Ejercicio - Complete los ejemplos de recuperación de condensado y de recuperación de vapor evaporado súbitamente condensado usando la herramienta informática SSAT
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Esquema del curso de capacitación Día dos
Optimización de sistemas de vapor - Área de cogeneración de energía térmica y eléctrica
• turbina de contrapresión - Válvulas de alivio de presión: Operaciones
• consideraciones económicas de los proyectos de turbinas del SSAT
• impacto de las turbinas de condensación
• proyectos de turbinas de condensación del SSAT
Pausa
Conclusiones
Herramientas y recursos
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Esquema del curso de capacitación Día 3
Preguntas y respuestas de los días 1 y 2 Revisión de los materiales y conceptos "clave" Ejercicio - Realizar una evaluación de un sistema de vapor industrial usando
las herramientas de BestPractices y elaborar un informe final para que la dirección de la planta pueda implementar las oportunidades de mejora en su sistema de vapor
• Contarán con una descripción completa del sistema de vapor industrial • Los participantes trabajarán individualmente y los instructores
desempeñarán el papel de los ingenieros de suministros y de procesos de la planta
• Se espera que los participantes utilicen los conceptos fundamentales y que realicen los cálculos manuales necesarios con los datos observados en el campo
• También tendrán que usar las herramientas informáticas SSAT y 3EPlus para cuantificar las oportunidades de ahorros de energía del vapor de la planta
Pausa
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Esquema del curso de capacitación Día 3
Norma de evaluación energética.- Norma ASME de vapor
Presentación de una selección de casos de estudio de OSV en la industria
Información de la planta ANFITRIONA - Los participantes recibirán toda la información necesaria relativa a la planta que deben evaluar
Discusión de los proyectos de la planta ANFITRIONA - Posibles proyectos a realizar
Pausa del almuerzo
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Esquema del curso de capacitación Día 3
Información sobre los instrumentos de medición
Demostración de los instrumentos - Se hará una demostración de todos los instrumentos que se usarán en la evaluación
Pausa
Conclusiones
Información adicional sobre los recursos de la optimización de los sistemas de vapor
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Esquema del curso de capacitación Días 4 y 5
Evaluación de OSV de la planta ANFITRIONA
• Visita de los expertos internacionales y nacionales a la planta
• Los expertos nacionales participantes se dividen en equipos y reciben los instrumentos portátiles que tendrán que usar en la evaluación del sistema de vapor
• Los expertos internacionales trabajan en conjunto con los expertos nacionales y los ayudan a identificar las áreas con oportunidades de mejora
• Se realiza un proceso de debida diligencia con recopilación de datos en el sitio
• Los expertos nacionales tienen la oportunidad de poner en práctica lo aprendido, evaluando un sistema de vapor
• Generación de informes
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Esquema del curso de capacitación Etapa posterior a la evaluación
En los próximos 4 meses • Planta Candidata
• Cada uno de los expertos nacionales trabaja con la planta que le fue asignada para realizar una evaluación de la energía para optimizar el sistema de vapor de la planta
• Trabaja junto con un experto internacional que lo ayudará a revisar las evaluaciones, observaciones, modelos y resultados
• Elabora el informa final y lo presenta a la planta • Webinarios / conferencias telefónicas
• Los expertos nacionales reciben apoyo técnico y orientación de parte de los expertos internacionales
• Revisión continua del nivel de comprensión de la OSV de los expertos participantes del curso
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30
Esquema del curso de capacitación Etapa posterior a la evaluación
En los próximos 4 meses
• Revisión de medio día
• Capacitación presencial de revisión de los fundamentos de la OSV
• Funcionalidad y uso de las herramientas del sistema de vapor
• Preguntas y respuestas
• Discusión de las experiencias adquiridas en las plantas candidatas
• Examen final
• Los expertos nacionales participantes del curso rendirán un examen final de cuatro horas de duración para obtener el título de EXPERTO NACIONAL EN OSV
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Objetivos personales Presentación de los participantes
Principales cuestiones o problemas relativas al material del curso, horarios, etc.
Identificación de las áreas que pueden llegar a requerir más atención según los intereses de los participantes
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Visión general
Uso de la energía en general
Uso de la energía del vapor
Enfoque de los sistemas
Optimización de sistemas de vapor (OSV)
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33
Energía industrial = la mitad de la energía mundial
Resto del mundo, 30 % (70 quads)
Estados Unidos, 15 % (34 quads)
Fuente: EIA/International Energy Outlook 2007
Industria: 223 quads
OECD Europa, 15 % (34 quads)
China, 20 % (44 quads)
Rusia, 9 % (21 quads)
Japón, 5 % (11 quads)
Comercial 12%
Transporte 20%
Residencial 18 %
Consumo de energía mundial en 2004: 447 quads La industria representa el 50 % del consumo mundial
de energía
Industrial 50 % (223 quads)
India, 5 % (10 quads)
1 quad Btu = 1,055 EJ
Fuente: Oak Ridge National Laboratory, EE. UU.
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34
PROYECCIÓN DE LA MATRIZ ENERGÉTICA (Electricidad)
Fuente: Ministerio de Electricidad y Energía Renovable
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35
Consumo de energía de una planta industrial típica
Nota: No incluye las pérdidas fuera de sitio
Calentamiento de procesos
38 %
Vapor 35 %
Otros 4% Electro-químicas
2 %
Enfriado de procesos
1 %
Sistemas de
motores 12 %
Instalaciones 8 %
Fuente: DOE/EIA Monthly Energy Review 2004 (preliminar)
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36
Usuarios intensivos de vapor
• Petroquímicas
• Refinerías de petróleo
• Productos forestales (pulpa y papel)
• Alimentación y bebidas
• Plásticos
• Goma
• Textiles
• Farmacéuticas
• Montaje de fabricación
Usuarios de vapor
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37
Usuarios medianos de vapor • Calefacción de grandes comercios • Cerveceras • Lavanderías • Panaderías • Cocción • Fabricación de metales • Grandes sistemas de enfriamiento
Pequeños usuarios de vapor: • Electrónica • Cabinas de pintura • Sistemas de humidificación
Usuarios de vapor
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38
¿Por qué utilizar vapor? Extremadamente eficientes como fuente de calor - temperatura
constante, los mayores coeficientes de transferencia de calor (condensación)
Su distribución hasta los puntos de uso es extremadamente eficaz en función del costo
Se puede controlar con precisión
Un medio de transferencia de energía muy flexible - se puede usar para calentamiento de procesos y para generación de energía eléctrica
La tecnología y las aplicaciones han sido probadas y comprobadas a gran y pequeña escala
Los beneficios para el sistema son significativos
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39
Clave para un funcionamiento y un mantenimiento del sistema de suministros de la planta económicamente eficaz
Prestar atención al sistema como un todo, y no a cada una de las partes del equipo
Analizar los aspectos de la alimentación y la demanda de los sistemas y cómo interactúan
Para poder analizar la mayoría de los sistemas industriales se necesita el enfoque de los sistemas
Así se obtendrán ahorros de energía y de costos mucho mayores que si se hiciera un "análisis a nivel de los componentes"
Enfoque de los sistemas
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40
Eficiencia del del motor de 15
kW = 91 %
Eficiencia combinada del motor y la bomba =
59 %
Eficiencia del sistema = 13 %
Enfoque de los sistemas
Fuente: US DOE ITP BestPractices Program; Courtesy: Don Casada, Diagnostic Solutions, EE. UU.
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41
Establecer las condiciones actuales del sistema, los parámetros de funcionamiento, y el consumo de energía del sistema
Investigar cómo está funcionando del sistema total actual
Identificar las áreas potenciales en las que se podría mejorar el funcionamiento del sistema
Analizar el impacto de las mejoras potenciales en el sistema de la planta
Implementar las mejoras del sistema que responden a los criterios de funcionamiento y financieros de la planta
Seguir vigilando el rendimiento del sistema en su conjunto
Enfoque de los sistemas
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42
Sistema genérico de vapor
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program Generación
Distribución
Usos Finales
Recuperación
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43
Se debe respetar el enfoque de los SISTEMAS
Se centra en cómo se gestiona la energía del sistema de vapor de la planta
Las demandas de vapor industrial cambian a lo largo del tiempo y el funcionamiento de los sistemas de vapor tiene que optimizarse continuamente
Se deben respetar las mejores prácticas en las etapas de diseño, adquisiciones, operación y mantenimiento
La comprensión de los principios fundamentales y de las herramientas y los recursos disponibles es esencial para un programa OSV
Optimización del sistema de vapor industrial
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44
Save Energy Now - Evaluación de todas las plantas (2006-2010)
Total de plantas evaluadas: casi 2.445 Ahorros de costos identificados: $1.400 millones (informes de 2.349) Ahorros de costos identificados: 200 petajoules (fuente) Ahorros CO2 identificados: 11,9 millones de toneladas métricas
http://www1.eere.energy.gov/industry/saveenergynow/assessments.html
• Aproximadamente un tercio de los ahorros de costos ya fueron implementados
• Otro tercio está en proceso de implementación o planeado
Fuente: Oak Ridge National Laboratory, EE. UU.
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45
Ahorros identificados por planta (EE. UU.) - Resumen
Tipo de sistema (Nº de SENA)
Ahorros de energía en la fuente
recomendados promedio (GJ/planta
por año)
Porcentaje de ahorros de
energía en la fuente promedio
(%)
Ahorros de costos recomendados
promedio ($/planta por año)
Ahorros de gas natural
recomendados promedio (GJ/planta
por año)
Ahorros de CO2 recomendados
promedio (Toneladas /planta
por año)
Aire comprimido
(127) 30.800 2,2 $ 177.000 440 1.700
Ventiladores (40) 206.900 3,1 $ 1.151.000 38.400 9.000
Calentamiento de procesos
(213) 246.300 11,2 $ 1.582.000 187.400 13.300
Bombas (80) 42.400 1,2 $ 219.000 1.250 2.400
Vapor (313) 270.100 7,0 $ 2.075.000 220.000 18.000
Papel multisistema
(20) 420.200 4,7 $ 2.782.000 217.900 21.000
Fuente: Oak Ridge National Laboratory, EE. UU.
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46
Nociones fundamentales de los sistemas de vapor
Componentes de los sistemas de vapor
Termodinámica - Propiedades del vapor
Conservación de la masa
Conservación de la energía
Combustibles
Oportunidades de optimización de sistemas de vapor
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47
Componentes de los sistemas de vapor
Generación
• caldera
• auxiliares de las calderas
• equipos de tratamiento de agua
• desgasificador
• bombas de agua de alimentación
• equipo de almacenamiento y manipulación de combustible
Distribución
• tuberías de vapor
• estaciones de alivio de presión
Usos finales
• turbinas de vapor
• intercambiadores de calor
• Iiyección de vapor directo
• columnas de separación
• evaporadores, etc.
Recuperación
• trampas de vapor
• recuperación de condensado y retorno al sistema
• bombas de condensado
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48
Caldera de tubos de humo
Zona de combustión
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Presión de vapor limitada • En general, 20 bares como
máximo Tasa de flujo de vapor limitada
• En general, 1.200 BHp como máximo
• 20 t/h Salida de vapor saturado Una ventaja de eficiencia propia
sobre las caldera de tubos de agua: las pérdidas de la carcasa son mínimas
En general, se fabrican fuera del sitio
Muchos estilos diferentes
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49
Caldera de tubos de humo
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50
Calderas de tubos de agua Las presiones operativas van
desde la atmosférica hasta más de 250 bares
La producción de vapor varía entre 2 y 5.000 Tph
Salida de vapor saturado o sobrecalentado
Fabricadas dentro o fuera del sitio
Muchos estilos diferentes
¡Ahora se pueden conseguir unidades compactas!
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
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51
Caldera de tubos de agua
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52
Calderas y auxiliares de las calderas Dos tipos principales de calderas
• de tubos de humo • de tubos de agua
Ventiladores - configuración del flujo de aire • de tiro forzado • de tiro Inducido • de tiro balanceado
Precalentadores del aire de combustión Economizadores de agua de alimentación / economizadores de
condensación Válvulas de flujo de combustible y controles de combustión Controles del aire en exceso Sensores Sopladores de hollín - vapor o aire comprimido Equipo de control de la contaminación
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53
Equipo de almacenamiento y manipulación de combustible
Principalmente para los combustibles sólidos y líquidos
• principal
• de reserva / en modo de espera
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54
Elimina el oxígeno disuelto en el agua de reposición y en el condensado
Buen estado de la caldera
Muchos estilos diferentes
• Tipo spray
• Tipo bandeja
Se pueden combinar con el calentador y el almacenamiento del agua de alimentación
¡Siempre tienen un venteo de vapor!
Ingreso del agua de reposición
Entrada de vapor
Venteo del desgasificador
Agua de alimentación
Desgasificador
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55
De agua de alimentación de la caldera (BFW)
Condensado
Agua de reposición
De otros servicios auxiliares
Bombas
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56
La química del agua de la caldera es muy importante
Buen estado de la caldera
Depende de la presión y de la calidad del agua de la caldera
Varias opciones
• ablandamiento
• desalcalinización
• desmineralización
• ósmosis inversa
• purificación del condensado
• tratamiento químico
Equipos de tratamiento de agua
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57
Transportan el vapor hasta los usos finales
Bastidores de tuberías
Cabezales de presión
Válvulas de aislamiento
válvulas de seguridad
Puntos de drenaje, etc.
Tuberías de vapor
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58
También conocidas como válvulas de descarga
Permiten controlar el flujo de vapor
Permiten balancear los cabezales de presión
Funcionan en un bucle de realimentación
En todos los casos necesitan una derivación para las emergencias y las reparaciones
Estaciones de alivio de presión
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59
Dispositivos que transforman energía térmica en potencia del eje
Pueden generar energía eléctrica a través de un generador
Pueden impulsar equipo equipo mecánico - ventiladores, bombas, compresores, enfriadores, etcétera
Diferentes tipos
• de contrapresión
• de extracción
• de condensación
• combinaciones de los anteriores
Turbinas de vapor
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60
Intercambiadores de calor Diferentes tipos
• de carcasa y de tubos
• de placa / de armazón
• de tubo en tubo
• de espiral, etcétera
Se basan en las aplicaciones
El vapor transfiere la energía térmica al fluido del proceso y forma condensado
Normas industriales para los diseños y las aplicaciones
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61
Otros equipos de uso final
Calentador del agua de alimentación
Secadoras
Calentador de agua caliente
Tanques de cocción
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62
Otros equipos de uso final
Evaporadoras
Torres de destilación
• Columnas de separación
Reformadores
Separadores
Eyectores de vapor
Inyectores de vapor
Termocompresores
Recalentadores
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63
Evita que el vapor se escape sin transferir el calor
Diferentes tipos de trampas
• termostática
• mecánica
• termodinámica
• de orificio
Aplicación - muy importante
Gestión de las trampas de vapor
Trampas de vapor
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64
Recuperación del vapor evaporado súbitamente proveniente del condensado
Eliminación de problemas potenciales del retorno de condensado
• golpes de ariete
• contrapresión
• flujo de dos fases
El tanque de evaporación súbita de la purga reduce la temperatura del agua antes de descargarla en el desagüe
Tanques de evaporación súbita
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65
Primario/secundario
Con bombeo / a presión
Con bombeo / eléctrico o a vapor
El condensado regresa a la sala de calderas con la mayor energía térmica posible
Sistemas de recuperación de condensado
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66
Sirven como depósito común
Normalmente, están situados en la parte superior para satisfacer los requisitos de succión de la bomba
Se pueden combinar con un desgasificador, con el calentador y el almacenamiento de agua de alimentación
Tanques de condensado
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67
Combustible
Agua de alimentación
Agua de reposición
Combustible
Caldera Intercambiador de calor
Trampa de vapor
Tanque de condensado
Desgasificador Bomba de condensado
Bomba del agua de alimentación
Sistema de tratamiento de agua
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
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68
Combustible
Agua de alimentación
Vapor a alta presión
Vapor a baja presión
Agua de reposición
Combustible Combustible Combustible
Presión de alivio Válvula
Tanque de evaporación súbita
Generador de la turbina de contrapresión Accionamiento
de la turbina de contrapresión
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
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69
Combustible
Agua de alimentación
Vapor a alta presión
Vapor a baja presión
Agua de reposición
Combustible Combustible Combustible
Vapor a media presión
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
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70
Combustible
Agua de alimentación
Agua de reposición
Combustible Combustible Combustible
Generador de la turbina de condensación
Condensador de superficie
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
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71
¿Qué es el VAPOR? • Vapor de agua saturado o
sobrecalentado
Cuando el agua se calienta a su punto de ebullición o por arriba del mismo, produce VAPOR
Agua líquida
Vapor gaseoso
Vapor
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72
Termodinámica del vapor Estados termodinámicos de una sustancia pura
• Subenfriado • líquido • la temperatura y la presión son independientes • contenido de energía ∝ Temperatura
• Saturado • líquido / dos fases / vapor • la temperatura y la presión dependen una de la
otra • 0 ≤ Calidad ≤ 1
• Sobrecalentado • estado gaseoso (vapor) • la temperatura y la presión son independientes • contenido de energía ∝ temperatura y presión
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73
Propiedades termodinámicas del vapor • P - presión (bares, atmósferas, kPa, MPa)
• T - Temperatura (°C)
• Temperatura absoluta (K)
• X - Calidad
• ρ - Densidad (kg/m3)
• V - Volumen (m3/kg)
• H - Entalpía (kJ, kcal)
• h - Entalpía específica (kJ/kg, kcal/kg)
• S - Entropía (kJ/K, kcal/K)
• s - Entropía específica (kJ/kg-K, kcal/kg-K)
Termodinámica del vapor
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74
Propiedades termodinámicas del vapor • Cp - calor específico a presión constante (kJ/kg-K, kcal/kg-K)
• Cv – calor específico a volumen constante (kJ/kg-K, kcal/kg-K)
• Vs - Velocidad del sonido (m/s)
• µ - Viscosidad (Pa.s)
• K – Conductividad térmica (W/m-K)
Termodinámica del vapor
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75
Termodinámica del vapor Relación entre la presión y la temperatura
• Cuando la presión ↑ - la temperatura ↑
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76
Diagrama H-S (Diagrama de Mollier) Termodinámica del vapor
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77
Termodinámica del vapor Tablas de vapor
p del vapor
(bares)
t del vapor (C)
Pf
(kg/m3) Vf
(m3/kg) Hf
(kJ/kg) Hfg
(kJ/kg) Hg
(kJ/kg) Sg
(kJ/kgK) Sfg
(kJ/kgK) Sg
(kJ/kgK)
0,5 81,31 971 3,244 340,4 2.305 2.676 1,091 6,502 7,593
1,0 100 958,4 1,672 419,2 2.257 2.676 1,307 6,047 7,354
10,0 179,9 887,2 0,1945 762,8 2.015 2.778 2,139 4,447 6,586
20,0 212,4 849,9 0,09962 908,6 1.890 2.799 2,447 3,893 6,34
30,0 233,9 822 0,06667 1.008 1.795 2.803 2,645 3,54 6,186
40,0 250,4 798,5 0,04978 1.087 1.713 2.801 2,796 3,273 6,069
50,0 264 777,5 0,03944 1.154 1.640 2.794 2,92 3,053 5,973
60,0 275,6 758,2 0,03244 1.213 1.571 2.784 3,027 2,862 5,889
70,0 285,9 739,9 0,02737 1.267 1.505 2.772 3,121 2,692 5,813
80,0 295 722,4 0,02352 1.317 1.441 2.758 3,207 2,536 5,743
90,0 303,4 705,4 0,02048 1.363 1.379 2.742 3,285 2,392 5,677
100,0 311 688,6 0,01802 1.407 1.317 2.724 3,359 2,255 5,614
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78
Termodinámica del vapor Propiedades del vapor
• Tablas de vapor
• Diagramas de Mollier
• ASHRAE Fundamentals Handbook
• Datos tabulados
• Diagrama P-h
• Programas informáticos
• Ecuación de estado de los diferentes refrigerantes
• Engineering Equation Solver (EES)
• REFPROP - National Institute of Standards & Testing (NIST)
Punto de referencia
• ¡Es posible que varíe según la fuente!
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79
Análisis tipo estado estacionario flujo estacionario (SSSF)
• No tiene en cuenta los términos que dependen del tiempo
• No se tienen en cuenta las respuestas dinámicas
• No tiene en cuenta el arranque, el apagado, ni las condiciones anormales (o paradas de emergencia)
Se usan las condiciones de funcionamiento promedio
Las tasas estacionales y de producción se abordan con una metodología de "análisis de intervalos discretos"
En los sistemas se realiza un análisis de los niveles de impacto
Análisis de los sistemas de vapor
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80
Análisis de los sistemas de vapor Para poder evaluar correctamente los sistemas de vapor, hay que
entender todos los procesos • Termodinámica • Transferencia de calor • Flujo de fluido
Mediciones de los procesos • Temperaturas, presiones, flujos, etc.
U.S.DOE Tools Suite • Steam System Scoping Tool (SSST) • Steam System Assessment Tool (SSAT) • Software de evaluación del aislamiento 3E Plus
Software disponible comercialmente • Aspen Tech • ProSteam (KBC Linhoff March) • Visual MESA, etcétera
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81
Ley: Dado un volumen de control, la masa no se crea ni se destruye
Matemáticamente,
• Flujo de masa entrante = flujo de masa saliente
en forma de ecuación
• ΣMin = ΣMout
El estado de la sustancia y el flujo de volumen pueden cambiar
Conservación de la masa
Caja negra (volumen de control) Min Mout
estado estacionario flujo estacionario
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82
Para calentar agua mediante vapor se usa un intercambiador de calor de carcasa y de tubos
Se midió un caudal de agua de 600 l/min
No conocemos el caudal de vapor
Ejemplo: F1
Aguain Aguaout
Vaporin
Condensadoout
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83
Aplique estado estacionario flujo estacionario - Conservación de la masa Por el lado del agua: Flujo de agua entrante = flujo de agua saliente
Por el lado del vapor: Flujo de vapor entrante= flujo de condensado saliente
Ejemplo: F1
Aguain Aguaout
Vaporin
Condensadoout
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84
Aplique estado estacionario flujo estacionario - Conservación de la masa Por el lado del agua: Flujo de agua entrante = 600 litres/min
= 600 kg/min Flujo de agua saliente = 600 litres/min = 600 kg/min
Por el lado del vapor: Flujo de vapor entrante = flujo de condensado saliente
Ejemplo: F1
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85
Ley: Dado un volumen de control, la energía masa no se crea ni se destruye Sólo puede cambiar de una forma a otra.
Matemáticamente, • Flujo de energía entrante + calor =
flujo de energía saliente + trabajo
en forma de ecuación
• ΣMin*hin + Q = ΣMout*hout + W
Conservación de la energía
Caja negra (volumen de control) Min
hin
Mout hout
Q
W
estado estacionario flujo estacionario
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86
Temperatura del agua saliente = 75 °C
Calor específico del agua = 4,183 kJ/kg-K
Calor transferido al agua = Mwater * Cp * (Tout – Tin)
Ejemplo: F1
Aguain Aguaout
Vaporin
Condensadoout
( )
kWQ
kWQ
091.2
2575183,460
600
=
−××=
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Condiciones del vapor entrante Vapor saturado a presión atmosférica (1.0 bar)
Salida del condensado saliente: Saturado a T = 100 °C
Calor transferido por el vapor = Msteam * hsteam – Mcondensate * hcondensate
En el volumen de control no hay trabajo del eje: W = 0
Calor transferido al agua = Calor transferido por el vapor
Conservación de la masa Msteam = Mcondensate
Ejemplo: F1
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88
Q = Msteam * (hsteam – hcondensate)
Las tablas de vapor contienen información sobre las entalpías del vapor y del condensado
hsteam - vapor saturado a 1,0 bar = 2.676 kJ/kg
hcondensate – Sat. Condensado a 100 °C = 419 kJ/kg
Ejemplo: F1
( )( )
Tphhkg
skgM
MMQ
steam
steam
steam
34,3336.3927,0
257.2 091.2419676.2
===
×=−×=
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89
Ejemplo: F1
Líquido Saturado
Vapor saturado (Vapor seco)
Presión (bares)
t sat (C)
Calidad Entalpía (kJ/kg)
0,5 81,3 0 340,4
0,5 81,3 1 2.645
1,013 100,0 0 419
1,013 100,0 1 2.676
1,5 111,4 0 467,1
1,5 111,4 1 2.693
2 120,2 0 504,7
2 120,2 1 2.707
2,5 127,4 0 535,4
2,5 127,4 1 2.717
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90
Ejemplo: F1
Aguain Aguaout
Vaporin
Condensadoout
Q = 2.091 kW
M = 600 kg/min. T = 25°C
M = 600 kg/min. T = 75 ºC
M = 3,34 Tph T = 100 ºC
P = 1 bar Calidad = 1
M = 3,34 Tph T = 100 ºC
P = 1 bar Calidad = 0
Saturado Vapor
Saturado Líquido
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91
Para calentar agua se inyecta vapor directamente en una vasija
El proceso necesita un caudal de agua de 600 l/min (además, se lo midió)
No conocemos el caudal de vapor
Ejemplo: F2
Aguain Aguaout
Vaporin
Condensadoout = 0
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92
Aplique estado estacionario flujo estacionario - Conservación de la masa
Flujo de agua entrante + Flujo de vapor entrante = Flujo de agua saliente
Ejemplo: F2
Aguain Aguaout
Vaporin
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93
Aplique estado estacionario flujo estacionario - Conservación de la masa
Flujo de agua entrante = Mwaterin = desconocido Flujo de vapor entrante = Msteam = desconocido
Flujo de agua saliente = Mwaterout = 600 litres/min ~ 600 kg/min
Mwaterin + Msteam = Mwaterout ….Ecuación 1
Ejemplo: F2
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94
Temperatura del agua entrante = 25 °C
Temperatura del agua saliente = 75 °C
Condiciones del vapor entrante Vapor saturado a presión atmosférica (1.0 bar)
En el volumen de control no hay trabajo del eje: W = 0
Aplique estado estacionario flujo estacionario - Conservación de la Energía Mwaterin * hwaterin + Msteam * hsteam = Mwaterout * hwaterout ..Ecuación 2
Ejemplo: F2
Aguain Aguaout
Vaporin
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Las tablas de vapor contienen información sobre las entalpías del vapor y del agua subenfriada
hwaterin - agua subenfriada (1,0 bar, 25 °C) = 104,8 kJ/kg
hsteam - vapor saturado a 1,0 bar = 2.676 kJ/kg
hwaterout - agua subenfriada (1,0 bar, 75 °C) = 314 kJ/kg
Ejemplo: F2
Presión i (bares)
Temp i (C)
Calidad i Entalpía i
(kJ/kg) Densidad i
(kg/m3)
1,013 25,0 -100 104,8 997,1
1,013 75,0 -100 314 974,9
1,013 100,0 1 2.676 0,597
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96
La ecuación 1 se escribe ahora así
Ejemplo: F2
skgM
MM
MM
MMM
waterout
steamwaterin
steamwaterin
wateroutsteamwaterin
75,9
75,9000.1
9,97460
600
=
=+
×=+
=+
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97
La ecuación 2 se puede escribir así
Si resolvemos la ecuación 1 y la 2 simultáneamente, obtenemos
Ejemplo: F2
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) 5,061.3676.28,104
31475,9676.28,104314676.28,104
=×+××=×+×
×=×+×
steamwaterin
steamwaterin
wateroutsteamwaterin
MMMM
MMM
Tphhkg
skgM
ls
kgM
steam
waterin
85,2855.2793,0
minlitros 539
min60000.1
1,99796,896,8
===
=××==
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98
Ejemplo: F2
Aguain Aguaout
Vaporin
M = 8,96 kg/min. V = 539 l/min T = 25 ºC
M = 9,75 kg/min. V = 600 l/min T = 75 ºC
M = 2,85 Tph T = 100 ºC
P = 1 bar Calidad = 1
Saturado Vapor
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Puntos más importantes / Acciones recomendadas
1. Usar el enfoque de los sistemas para optimizar los sistemas de vapor
2. Los sistemas de vapor tienen cuatro áreas principales - Generación, distribución, usos finales y recuperación
3. Para analizar un sistema de vapor, hay que entender las leyes de la termodinámica, la transferencia de calor y las propiedades de los flujos fluidos y del vapor
4. El vapor se usa en todo tipo de industrias para realizar varias tareas y es le medio más efectivo para transportar energía y producir trabajo en un eje (o energía eléctrica)