U N I V E R S I D A D A U T O N O M A M E T R O P O L I T A N A

I Z T A P A L A P A

C T , k5 J *

SEMINARIO DE PROYECTOS I1

" ANALISIS DE LA FACTIBILIDAD DE UTILIZAR COLECTORES SOLARES PLANOS

EN EL CALENTAMIENTO DEL AGUA. USADA PARA EL LAVADO DE BOTELLAS DE

VIDRIO EN INDUSTRIAS REFRESQUERAS MEXICANAS. ' I i 1

!

AREA : INQENIERIA DE PROCESOS E HlDRAULlCA

LICENCIATURA EN : INQENIERIA EN ENERQIA

ALUMNA : V I C T O R I A A L A R C O N

ASESOR : INQ. RAUL LUQO LEYTE

E N E R O 1992.

1 4 7 9 0 1 C O N T E N I D O

AGRADECIMIENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

LISTA DE TABLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

LISTA DE FIGURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

C A P I ' T U L O

I . INTRODUCCION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

I1 . RADIACION SOLAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1I.A Teorla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Constituci6n física del Sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Caracterlsticas de la radiaci6n solar . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Radiaci6n solar en el límite de la atmdsfera . . . . . . . . . 1 8 1 Radiacidn solar en las proximidades del suelo . . . . . . . . 2 1 :

1I.B Evaluaci6n del recurso solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 1 Modelo de Page . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 CAlculo de la irradiacidn solar para el D.F. . . . . . . . . . 25 - Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1I.C Colectores solares planos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Conversi6n fototermica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Colectores solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 - Definicidn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 - Clasificacidn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 - Elementos que l o s constituyen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Caja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Tubos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Placa de absorcidn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Aislante TBrmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Cubierta Transparente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 . Efecto de invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 . CBlculo del Brea de captacibn para determinar el * nCrmero de colectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

I11 . PLANTEAMIENTO TECNICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1II.A Proceso de embotelladoras de refrescos . . . . . . . . . . . . . . 33 Descripci6n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Balance general de materia y energla al proceso de lavado de botellas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 . Consideraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 . Balance de materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2 ... ~- ... . . . . . . . . . . .

PAOINA

. Balance de energla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1II.B Generaci6n de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Usos del vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Area de calderas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Estimacidn del consumo de energía utilizada en la caldera estimando un rendimiento . . . . . . . . . . . . . . 43

1II.C Colectores Solares Planos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Descripcidn del equipo a utilizar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

IV . PLANTEAMIENTO ECONOMIC0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Definiciones: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Duracidn de la amortizacidn . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Rentabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Indice de rentabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

V . APLICACION A UNA INSTALACION REAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Definici6n del problema a resolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Línea de embotellado 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Calculo del balance de energla para la lavadora 2 . . . . . . . . . 46 . Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

VI . RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Sistema propuesto de colectores solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Nt3mero de colectores requerido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 CAlculo del ahorro de energfa y econ6mico que se obtiene mediante la instalacidn del sistema de colectores . . . . . . . . . 56 Tiempo de amortizacidn de la inversi6n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

VI1 . CONCLUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 i

BIBLIOGRAFIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 APENDICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

A . Balances para sistemas abiertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 . Balance de materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 . Balance de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

B .

C .

Generadores de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 . Definici6n de caldera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 . Clasificacibn de las calderas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Calderas pirotubulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 . Componentes de una caldera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Hogar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Accesorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Superficie de calefaccibn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Caballo caldera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Eficiencia de una caldera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 . tipos: De combustidn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Tdrmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Produccidn de vapor en calderas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Calculo de la eficiencia total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 . Caso I . MsStodo directo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Estimacibn del vapor suponiendo una eficiencia . . . . . 71 . Caso I1 . MBtodo indirecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Intercambiadores de calor con placas . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3 ........ . . . .

A G R A D E C I M I E N T O S

Nuestros bxitos son resultado del aliciente, estimulo y ayuda de todas las personas que tenemos la oportunidad de conocer, es por ello, que quiero en principio agradecer a TODAS las personas que, con su interaccidn en mi vida han ayudado en la formacidn de mi persona; a tí que con una sonrisa me alentaste, te doy las gracias con una alegre mirada y, a tí que tu participacibn en mi vida me dio dolor o tristeza te doy la gracias desde lo mis profundo de mi corazbn, porque es precisamente en los momentos dificiles cuando tenemos la mayor oportunidad de madurar y fortalecer nuestro car4cter.

Quiero agradecer en forma muy especial, la generosa actitud del Ing. Sergio GonzAlez Broca al permitir la utilizacidn de su oficina y computadora para elaborar este Seminario de Proyectos. A

mis queridos amigos, Susana Higuera y Cesar Prieto B., que de igual manera me apoyardn en el soporte tecnico de mi trabajo y a mi compaRero de estudios, Eduardo Martinez Galvan ( Mac ) , por su confianza y gentil actitud.

Deseo hacer notar que, este Seminario es el resultado de un gran esfuerzo, no solo de parte mla, sino de un equipo de trabajo, de gentes que, sin esperar algo a cambio, ( como en mi caso es el obtener l o s creditos para poder tramitar mi título de Ingeniero 1, se dierdn a la tarea de dar seguimiento y trabajar de igual forma o incluso superar mi trabajo, para llegar a tener un producto terminado que pueda ser sujeto a una calificacidn. En forma especial quiero destacar la valiosa colaboracidn de la Ing. Laura Sanchez Hernandez, sin cuya participacidn no se hubiera llegado a la culminaci6n del mismo . Y al Ing. Rodolfo Maldonado, mi querido amigo, que a pesar de sus mCrltiples ocupaciones, se dio tiempo para dar sus valiosas sugerencias en cuanto a contenido y congruencia del texto.

Tambien he de agradecer la colaboracidn de mis compaHeras y amigas, Isabel Gonzilez Toledo y Gabriela Peralta Peliez por haber revisado el texto y aportado valiosas observaciones para mejorar la presentaci6n del mismo.

Al Ing. Alberto Valdes Palacios y al Ing. RaCrl Lug0 Leyte por haber accedido a ser asesores de este Seminario de Proyectos y por su paciencia en la revisi6n, correccidn y calificacibn del mismo.

A l Ing. Martin y al Ing. Jorge Encinas, de Heliotecnica, por su valiosa sugerencia para la selecci6n del tema de este Seminario de Proyectos.

Por ~ltimo, agradecer el principal apoyo a todos mis esfuerzos, que tanto en el pasado como en la actualidad me han dado en mi familia. Mis Padres, mis hermanas, mi adorada hermana Ramona y sobre todo mi Madre que, con su tenaz recordatorio me alent6 a

finalizar lo que me correspondla hacer.

5 . .

L I S T A D E T A B L A S .

TABLA I.

TABLA 11.

TABLA 111.

TABLA IV. TABLA V. TABLA VI.

TABLA VI1 . TABLA VIII. TABLA IX.

TABLA X.

TABLA XI.

TABLA XI1 . TABLA XIII.

TABLA XIV.

TABLA XV.

PAOINA

Costos mensuales del diesel en el período de 1985 a 1991. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Irradiacidn diaria promedio mensual para M&xico, D.F. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Valores para Irradiacidn diaria promedio mensual para el D . F . considerando el perlodo de las 9:30 a 17:30 hrs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Conductividad termica de algunos metales. . . . . . 30 Propiedades de materiales aislantes. . . . . . . . . . . 31 Secciones y equipo del proceso de lavado de botellas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35B

Datos tecnicos de las calderas. . . . . . . . . . . . . . . . 41 Datos de placa de la lavadora 2. . . . . . . . . . . . . . . 45 Datos medidos de las condiciones de operaci6n de la lavadora 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Cdlculo del calor asociado al paso de las botellas por los tanques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Calculo de las p6rdidas de radiaci6n y

conveccidn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Resumen del cdlculo del calor perdido. . . . . . . . . 51 Tabla de resultados para obtener el Area y el ntfmero de colectores para dar soporte energetic0 al tanque 2. ....................... 54

Calculo de l o s ahorros para diferentes períodos de operacidn del arreglo de colectores solares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 CAlculos del tiempo de amortizacidn. . . . . . . . . . . 59

6 .- . ,. "

L I S T A D E F I G U R A S .

DIAGRAMA I. GRAFICA I. FIGURA I. FIGURA 11.

FIGURA 111.

FIGURA IV. FIGURA V.

FIGURA VI. FIGURA VII. FIGURA VIII.

FIGURA IXA. FIGURA IXB. FIGURA IXC.

PAGINA

Lavadora de botellas marca Austral. . . . . . . . . . . . 36 Irradiacibn global diaria promedio mensual. . . . 27 Corte esquemAtico del sol. .................... 17

Distribucidn de la radiacic5n solar en la atmdsfera terrestre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

En que se transforma la energla solar recibida por la tierra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Utilizacidn de la energla solar directa. . . . . . . 22

Colector solar plano Y su secci6n transversal mostrando el fendmeno del efecto invernadero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Proceso de lavado y embotellado de refrescos. , 35

Diagrama de distribucidn de vapor. . . . . . . . . . . . . 42

Propuesta para el arreglo de colectores - tanque 2 de la lavadora de botellas. . . . . . . . . . . 53 Diagrama de flujo para el balance de energla. . 64

Caldera pirotubular de cuatro pasos. . . . . . . . . . . 68 Hogar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

7

NOMENCLATURA

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Fr

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Cantidad que se espera economizar cada ano, pesos. Area, m . Area efectiva del colector, m . Calor específico del agua, kJ / (kg OC). Calor especifico del vidrio, kJ / (kg "(2). Energia por unidad de masa, kJ / kg. Rendimiento de la caldera, %.

Energía acumulada en el sistema, KJ. Energfa entrando al sistema, kJ. Energía saliendo del sistema, kJ. Energía que consume la caldera, kJ / hr. Factor de correccidn por excentricidad en la trayectoria de la tierra alrededor del s o l , adimensional. Factor de remocidn de calor. Aceleracidn de la gravedad. Constante solar, 1367 W / m*. Entalpía por unidad de masa, kJ / kg. Entalpía del vapor, kJ / k g . - Entalpia del agua, kJ / kg. Coeficiente de transferencia de calor convectivo, w / m'oc. Coeficiente de transferencia de calor radiativo, w / m'oc.

Suma de l o s coeficientes convectivo y radiactivo, w / m'oc.

Coeficiente radiactivo entre la placa y la cubierta del colector solar, w / m' K. Coeficiente convectivo entre la placa y la cubierta del colector solar, w / m2 K. Coeficiente convectivo en una placa expuesta al viento, w / m' K. Coeficiente radiactivo entre la cubierta del colector solar y el firmamento, w / m2 K.

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Irradiacien global diaria promedio mensual, MJ / m2.

Irradiacibn directa diaria promedio mensual, MJ / m*.

Irradiacibn extraterrestre diaria promedio mensual, MJ / m'.

Irradiacibn difusa diaria promedio mensual, MJ / m2.

Irradiacidn global horaria promedio mensual, MJ / m2.

Irradiacidn directa horaria promedio mensual, MJ / m'

Irradiacidn directa normal horaria promedio mensual, MJ / m'.

Irradiacien difusa horaria promedio mensual, MJ / m . Conductividad termica, W / m oC. Indice de claridad, adimensional. Conductividad termica del aislante, W / m C. Dimensibn característica de la superficie, m. Espesor del aislante, m. Altura del colector, m. Masa, kg.

Flujo de masa, kg / s.

2

Flujo de vapor, k g / s .

Flujo de botellas, kg / s.

Flujo de combustible, It / s.

Masa entrando al sistema, kg. Masa saliendo del sistema, kg.

Masa del sistema, kg. Dla del aso, N = 1 , . . . . , 365. Amortizaci6n, aKos. Presibn, kPa. Masa de la botella mediana, k g .

Perfmetro del colector, m. Peso específico, kg/lt. Presidn del vapor, Pa. Poder Calorífico del Combustible, kJ/kg

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Calor por unidad de masa, kJ/kg. Calor, kJ.

Flujo de Calor, kJ / s.

Flujo de Calor suministrado, kJ / s .

Flujo de Calor asociado al flujo de botellas en la lavadora, kJ / s .

Flujo de perdidas totales de calor, kJ / s .

Calor irtil que puede ser utilizado por el fluido de trabajo por unidad de Brea, en el colector, J/m2. Perdidas de calor en el colector, J/m . Indice de rentabilidad, adimensional. Rentabilidad, adimensional. Costo de la instalacidn solar, $

Fraccidn de la radiacibn total incidente sobre el colector, MJ / m2. Tiempo, s .

Temperatura, OK. Temperatura ambiente, OK. Temperatura de entrada de la botella, OK. Temperatura de salida de la botella, OK. Temperatura del agua saturada, OK. Temperatura del agua de alimentacibn, OK.

2

Temperatura del fluido a la entrada del colector, OK. Temperatura Temperatura Temperatura Temperatura Temperatura Temperatura

de los gases de combustidn, O K .

de la placa, OK. media de la placa, K. media de la cubierta, K. del firmamento, K. media entre la placa y la cubierta, K.

Energía interna, kJ / kg. Coeficiente total de perdidas del colector, W/m20C. Volumen por unidad de masa, It / kg. Velocidad del viento, m/s. Vida Gtil del equipo, aKos. Velocidad, m/s. Velocidad promedio de lavado,lavadora n ( n=1,2 1.

Velocidad promedio de llenado,llenadora n ( n=1,2 1 .

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Hora solar, O al mediodía, cada hora es igual a 15 O ,

es negativa antes del mediodia, grados. Hora media del periodo en cuestien, grados. Angulo al amanecer, se utiliza en grados cuando aparece como argumento de una funcidn trigonom&trica, y es en radianes para el resto de los casos. Angulo al ocaso, se utiliza en grados cuando aparece como argumento de una funcidn trigonom&trica, y es en radianes para el resto de los casos. Trabajo, kJ. Trabajo de eje, kJ.

Trabajo de eje por unidad de tiempo, kJ/s.

Trabajo por unidad de tiempo, kJ/s. Altura, m.

Emisividad, adimensional. Emitancia infrarroja de la cubierta, adimensional. Emitancia infrarroja de la placa, adimensional. Declinacien calculada para el dia mas representativo del mes, grados. Latitud, positiva al norte del ecuador, grados. Eficiencia total de la caldera, X .

Densidad, kg / m'. Constante de Estefan - Boltzmann = 5.6 x lo-'. W/m2"K. Velocidad promedio en condiciones de flujo unidimensional m / s.

C A P I T U L O I

I N T R O D U C C I O N ref. i0

El abastecimiento y consumo de energeticos del sistema socioeconbmico en McSIxico ha estado y esta dominado por los hidrocarburos , tales como : el carbbn, el petrbleo, gas natural y gas LP.

Las inmensas reservas de petrbleo crudo y gas natural descubiertas en Mexico, desde mediados de los setenta, contribuyeron a afianzar su partiCipaCi5n en la oferta, as$ como en la demanda energdtica global del pals.

El uso de la produccidn excedente al consumo interno, como un medio de obtener divisas, necesarias para financiar la expansidn econbmica y social del pals, y reconocer el caracter finito de las reservas y su posible agotamiento en una perspectiva de largo plazo, llevaron a plantear el objetivo de diversificar la estructura del abastecimiento energdtico. La energla, nuclear, el carbbn mineral y la energía hidrAulica se convirtieron en la base sobre la cual debería apoyarse dicha diversificacibn. Detras de ellas, las llamadas p2aa&2 f i~nLe9 &z &fig'!! o TcLM A I e n vwd , n - a ~ap~a~n&ep&~ , apareclan como instancias a las que debla hacerse referencia pero, sin grandes perspectivas de impactar el uso energetic0 de las generaciones venideras. Sin embargo, a medida que transcurre el tiempo, las opciones como la energía nuclear e hidriulica no son suficientes para cubrir la demanda energhtica, por lo que, el sistema energdtico futuro debera tambidn integrar la fuentes no convencionales para poder responder a la demanda creciente de los sectores tradicionales de consumo, as1 como, a la de los nuevos grupos de la poblacich que acceden a 41 y, lo que es de suma importancia, en la detencit5n del continuo deterioro del medio ambiente.

9

Dadas las caracterlsticas de insolacien en Mexico, la energia solar es, entre las nuevas fuentes, una de las mas promisorias por ,

su posible contribuci6n a diversificar la estructura del abastecimiento energetic0 del pals. Se considera que a largo plazo, si l o s esfuerzos tecnol6gicos en este campo tienen Bxito, la energla solar contribuira a establecer las bases de sistemas elbctricos descentralizados, ampliandose así la gama de opciones energeticas que permitan dar una respuesta al problema de energla que afrontan las zonas rurales del pals.

Con la utilizacidn de energla solar se tendría acceso a un suministro electric0 autbnomo de la red, facilitindose la extensidn de la capacidad de bombeo de agua para irrigacidn, se alentarla el desarrollo de pequeKas industrias y de establecimientos comerciales, y se contribuirla a satisfacer los mlnimos de bienestar de grupos que hasta el presente han permanecidos marginados de los servicios electrices.

Por otra parte el aprovechamiento de la energla solar es de particular importancia para el calentamiento de agua tanto de usos domesticos como productivos, así como para el secado de productos agrícolas y pecuarios.

En este contexto, los programas por instrumentar para la difusidn del uso de la energía solar deben orientarse a la aplicacidn de tecnologlas de pequefia escala, adecuadas al medio rural y a la industria.

El presente trabajo tiene como objetivo evaluar la factibilidad de utilizar colectores solares planos en el calentamiento del agua usada en la industria refresquera.

La industria refresquera utiliza agua caliente para el lavado de botellas; hasta la fecha este calentamiento de agua se hace por medio de una caldera cuyo combustible, ademis, de ser altamente contaminante, esta sujeto a un incremento en costo, ver tabla I .

Como una alternativa se propone la utilizacidn de un sistema de

T A B L A I

1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991

MERO FEMERO MZO ABRIL MY0 JUNIO JULIO m SEPTIEIIBRE OCTUBRB NOVIMBRE DICIQJBRE

'33.60 41.00 33.60 41.00 33.60 41.00 33.60 41.00 34.40 41.00 35.30 41.00 36.20 41.00 37.10 41.00 38.00 41.00 39.00 41.00 40.00 41.00 41.00 41.00

41 .O0 41 .O0 41.00 41 .O0 41.00 41.00 41 .O0 41.00 41.00 41.00 41 .O0

445.00

445.00 445.00 445.00 445.00 445.00 445.00 445 * O0 445.00 445.00 445.00 445.00 445.00

445.00 445.00 445.00 445.00 445.00 445.00 445.00 445.00 445.00 445.00 445.00 470.00

470.00 470.00 470.00 470.00 513.00 513.00 513.00 513.00 513.00 513.00 565.00 565.00

565.00 565.00 565.00 565.00 565.00 565.00 565.00 565.00 565.00 565.00 665.00 665.00

~~ ~

PROnEDIO 36.28 41.00 74.67 445.00 447.08 507.33 581.67

TASA ANUAL DE IWCl@WKO 22.02% 0.00% 985.37% 0.00% 5.62% 20.21% 17.70%

ESTOS mIOS FUERON PRopOI(cI0nAMS POR LA SUPERINTENDWIA GMEW DE DESTILADOS DE P M X .

colectores solares planos convencionales, de tubo de cobre, para mantener las condiciones de operacidn de uno de los tanques de la lavadora, utilizandose como paso intermedio, (ver figura VIII) un tanque de almacenamiento.

Para hacer lo anterior se calculb: la irradiacidn diaria promedio del D . F . , (Capítulo 11); el calor requerido por el proceso de lavado de botellas (Capítulo 111) y, en base a este resultado se decidí0 utilizar el tanque que requiere el mayor suministro de calor, tanque 2 de la lavadora de botellas. El analisis econdmico, (Capitulo VI), se hizo en base a colectores de tubos de cobre, por ser los que se comercializan en Mgxico; lo anterior implica que l o s resultados no sean directamente utilizados para la elaboracibn de un proyecto de inversidn en colectores solares para este proceso, sin embargo, dan un indicativo para la evaluacibn de la factibilidad del uso de colectores solares planos en el proceso de lavado de botellas.

C A P I T U L O I 1

R A D I A C I O N S O L A R

1I.A TEORIA. (ref. 3 ) ' CONSTITUCION FISICA DEL SOL. El sol es una esfera gaseosa de 1'391,000 km de diametro cuya

distancia media a la Tierra es de 149'450,000 km. Debido a la forma eliptica de la drbita terrestre, la distancia mínima corresponde hacia el 15 de Enero y la maxima a finales de Junio.

El Sol no es una esfera homogenea; en 61 se pueden distinguir tres regiones principales, (ver figura I):

a) 'R,! Ln&"L, donde se genera la energia por reacciones termonucleares y que es inaccesible a las investigaciones, pues toda la radiacidn emitida en esta regidn es totalmente absorbida por las capas exteriores. La temperatura es de varios millones de grados y

la presibn es de un millar de atmbsferas. 1

b) 2%. .$@t~9e.&~!. es muy delgada ( aproximadamente 300 km de espesor) y que es responsable de la casi totalidad de la radiacibn que recibimos. El orden de magnitud de la temperatura es de varios millares de grados, decreciendo muy rbpidamente con el espesor de la capa hasta una temperatura llamada "de superficie" del orden de 4500 OK ( el Sol irradia globalmente como un cuerpo negro a 5800 OK).

' c) ze C!!.F&.~&%L '$ k. C@!?XL .2&,'L, son regiones de deb11

densidad donde la materia estb muy diluida, hecho que explica que, aunque la temperatura all1 es muy elevada ( un milldn de grados), la radiacidn emitida sea muy ddbil. La materia esti muy agitada con formacidn de chorros en el seno de la crom6sfera(espiculas) o de grandes surtidores en la corona (protuberancias). La fotbsfera no es perfectamente estable o homogdnea, pues durante los periodos de actividad se observan regiones mis frias (manchas) y regiones mis calientes (faculas) y, en buenas condiciones de observacibn, se comprueba que la superficie es granulosa. Los "grbnulos" tienen un dibmetro de 400 a 500 km y una duracidn de algunos minutos.

i6

e t- o '1

w >

a 0 O

w w I-

O ..o a

a a W

La energía emitida por el Sol procede de una serie de I

reacciones termonucleares y exotdrmicas complicadas (llamada "ciclo de Bethe") que se escribe globalmente de la forma:

I I

í 4 + 4 H " ! Hez + e + 2:' + 2.5 x 10 J/mol He

12 I

í e I . . . . . . . . . . . - 1 donde e+ ddsigna al electrh positivo y el neutrino electdnico.

I 1

I

La energía liberada por esta reacci6n es suficiente para I

mantener una temperatura elevada en el Sol. CARACTERISTICAS DE LA RADIACION SOLAR. La radiaci6n solar debe conocerse por sus diferentes

aspectos. En primer lugar es preciso determinar la energía total que el Sol envia al límite de la atmdsfera terrestre sobre una superficie de 1 m2 situada perpendicularmente a la radiacien. Este dato, llamado '' constante solar *' es fundamental e independiente de las condiciones climatol6gicas que prevalezcan en el lugar donde se requiera utilizar esa energfa solar. A continuaci6n es preciso conocer la distribuci6n espectral en funci6n de la longitud de onda A, pues los receptores de energía son selectivos en su mayor parte. Por último, debemos tener en cuenta la absorci6n atmosfdrica que, depende del lugar de observacibn.

La potencia incidente de la radiacidn solar sobre la Tierra es del orden de l. 7 x d 7 W . Una parte es devuelta por difusih sobre las diferentes capas de la atmdsfera; aproximadamente dos tercios son absorbidos por el hemisferio iluminado y despues de diversas transformaciones son devueltas al espacio bajo la forma degradada de rayos infrarrojos emitidos por toda la superficie de la Tierra. Ver figura I1 Y 111.

RADIACION SOLAR EN EL LIMITE DE LA ATMOSFERA. La constante solar fuera de la atmdsfera vale por termino

medio 1367 W m-', esta constante depende de la distancia Tierra - sol, varia en - 3.5 % . Con este dato se puede calcular la irradiacibn extraterrestre debida a la radiaci6n solar en cualquier &poca del aHo y en todo punto del globo sobre una superficie cualquiera.

+

ABSORCION POR LA ATMOSFERA I7 %

.EXION POR NUBES * 23 Oh

"

DIFLJSION POR AEROSOLES

= 6

SUELO

F I G U R A I I

DlSTRlBUClON DE LA RADlAClON SOLAR

EN LA ATMOSFERA TERRESTRE

FIGURA l i l

EN QUE S€ TRANSFORMA L A ENERGIA SOLAR REClBIDA P.OR L A TIERRA.

RADIACION SOLAR EN LAS PROXIMIDADES DEL SUELO.( ref. 3 Y 4 )

La radiaci6n en la atmosfera es absorbida, reflejada o ,

desviada, de manera que del total interceptado por la Tierra, solo I

alrededor de la mitad llega a la superficie terrestre, en dos componentes: directa y difusa. La radiacibn que efectivamente incide en un lugar determinado depender& basicamente de varios factores:

a) latitud, b) estacidn del aKo, c) hora del día, d) clima local y

e) orientacidn de la superficie que recibe la radiacibn. Hay varias formas de aprovechamiento de la energía solar

directa, ver fig. IV. Puede captarse con sistemas fotovoltaicos o fotoquímicos para convertirse directamente en energía elbctrica o energía quimica, respectivamente; o bien puede aprovecharse como fuente de energía termica mediante colectores solares, ya sea para su uso para calentar agua, o bien, para su conversi6n en energía mecanica o elbctrica mediante procesos termodin4micos.

La radiaci6n solar que llega al suelo terrestre, est& formada por radiaci6n directa y radiaci6n difusa.

La radiacibn solar directa es la radiacidn solar que no experimenta cambios en su direccibn. La radiaci6n difusa es la qua sufre dispersidn al entrar en la atmbsfera y no tiene direcci6n definida

. ""

/f

O

L L S a O

a '0 c

-

1I.B EVALUACION DEL RECURSO SOLAR. (ref. 1,5,9) Aun cuando existen otros tipos de mediciones metereoldgicas

que se relacionan con la energla solar, son los datos de radiacidn la mejor fuente de informacidn para elaborar mapas climatoldgicos de radiaci6n total, estas mediciones se deben hacer separando sus componentes directa y difusa, se miden en unidades de energla por unidad de tiempo y por unidad de Area en un plano horizontal, mediante un piranbmetro. Sin embargo, en ausencia de estos datos, es factible emplear relaciones para estimar radiacidn global a partir de las horas de insolacidn, o de nubosidad. En este caso, se estima su aproximacidn dentro de un - 10 por ciento. +

En esta seccidn se presenta la irradiacidn global, H, diaria -

promedio anual Y mensual ( MJ/m2 ) para los 12 meses del aRo. Estos valores fueron calculados en base a datos metereoldgicos del periodo comprendido entre los aFíos de 1941 a 1980 usando el modelo de Jeevananda Reddy. A partir de estos valores puede obtenerse la irradiacibn difusa, H,, diaria promedio mensual y la irradiacidn directa, Hb , diaria promedio mensual usando el modelo de Pa@.

- -

Con base en H, es posible generar los datos de I, e I , que son las irradiaciones horarias promedio mensual difusa y global respectivamente. Con esta informacidn es posible obtener 2, la irradiacibn directa horizontal, y la normal Ibn horarias.

- - -

-

Una vez calculada irradiacidn directa normal horaria promedio mensual se puede obtener el dato que se podria medir con un pirheliometro durante una hora, tomandose como dato la mitad de la hora en cuestidn, es decir para la hora comprendida entre las 11 y

las 12, se tomarla las 11.30

MODELO DE PAGE. Es el modelo mAs sencillo y mas utilizado, propone una ecuacibn lineal que relaciona la irradiaci6n difusa diaria promedio mensual con la irradiacibn global diaria promedio mensual a traves de la siguiente ecuacidn:

fid

H """- - = 1 - 1.13 K . . . . . . . . . " . . . . " . T 2

donde KT es el lndice 'de claridad definido por:

. .

H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

donde: es un dato que se lee de los mapas hechos por Rafael Almanza, Vicente Estrada-Cajiga1 y Joel Barrientos Avila, (referencia 3). & es la irradiacien extraterrestre diaria promedio mensual obtenida a partir de la siguiente ecuacidn: - 24 HZ = 3600 ( -i- ) G E [w senY A senu A + cosY A A senwerl.. . . . . . m o o e r rl 4

360 N

365 donde: EO = ( 1 + 0.034 cos ---"" )

. . . . . . . . 5

6 = 23.45 sen [ 360 ( 284 + N ) / 365 1 . . . . . . . . 6 n

w = cos ( - tg$ tg5,) -1 or

. . . . . . . . 7 -

Para la obtencidn de la irradiacidn difusa horaria promedio

mensual, Id , para una hora dada por w se recomienda usar la siguiente ecuacien:

- - Id n cosw - coswsa

S - "" - "" """"""-""" . . . . . rd - -

24 S

Hd senwss - W ~ ~ C O S W ~ ~

donde We es la hora media del periodo en cuestidn, mientras que la

irradiacidn global horaria promedio mensual, I , se puede obtener -

de : - I

H "- - = r ( a + bcosw ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 d m

donde : a = 0.409 + 0.5016 sen ( w - 1.047 1 . a m

b = 0.6609 - 0.4767 sen ( was - 1.047 )

w*. - - war . . . . . . . . . . . -

. . " . . 10 -

. . . . . . 11 -

. . . . . 12 -

En MBxico la disponibilidad de energfa solar es alta en comparaci6n con el resto del mundo, en virtud de que se encuentra dentro del cinturdn de insolacidn anual mdxima, formado por los paralelos 3 5 o N y 350s. La zona de mayor insolacidn en nuestro pals

24 4 - 7 - ....."x . . . . . . .

se encuentra en el noroeste, alcanza 8 KW / m" en verano y su componente directo es muy alto. La menor incidencia se registra en los estados de la vertiente del Golfo de MBxico: unos 3.5 KW / m* en 1 los meses menos soleados de invierno, con una mayor proporcidn de I

radiacidn difusa. I

CALCULO DE LA IRRADIACION SOLAR PARA EL DISTRITO FEDERAL. Para el Distrito Federal se hizo una cuantificaci6n de la

I

irradiaci6n horaria promedio mensual i, en base a las ecuaciones utilizadas en el documento " Actualizaci6n de l o s Mapas de Irradiaci6n Global Solar en la RepQblica Mexicana 'I escrito en agosto de 1990 por Rafael Almanza, Vicente Estrada-Cajiga1 y Joel Barrientos Avila. (ref. 1).

Los datos de irradiaci6n diaria promedio mensual para el D.F. son: (Latitud 9 = 19.5 0 1

TABLA I1 Irradiacidn global diaria promedio mensual para el D.F. I""""""-"""""""""""""" I - I I I mes I H en MJ / m2 * 1 I I""""""""","""""""""""~ 1 I I I I I I I I

1 I I

I I I

I I I

I I I

I I I

1 I I

I I 1

I I

I I I

I I

1 I

I I I I I I

I enero I 15.70 I

I febrero I 18.70 I

I marzo I 20.70 I

I abril I 20.70 I

I mayo I 20.50 I

I junio I 18.40 I

I julio I 17.80 I

I agosto I 17.70 I

I septiembre f 17.00 I

I octubre I 16.00 I

I noviembre f 15.10 I

I diciembre 13.50 I

I anual 1 17.70 I ~""""""""""~""""""""""1

* estos datos se leyeron en los mapas de la referencia 1. RESULTADOS. Con l o s datos de irradiaci6n diaria promedio mensual se hizo

el cAlculo utilizando las ecuaciones anteriores, obteniendose la irradiacidn horaria promedio mensual.

En la tabla I11 se muestran la irradiacidn solar para un periodo de 8 horas, comprendido entre las 9:30'y las 17:30 horas.

25 .. . ,

I

TABLA I 1 1

Valores para irradiacibn diaria promedio mensual para el D . F .

*

""""""_"""""""""""" I I I I

I MES I I I I MJ/m2 MJ/m2 W/m2

I I

I I

I

1""""""""""""""""""~ I 1 I I

I ENE 4.78 13.90 483 I FEB 5.15 16.43 570 I MAR 5.86 17.99 625 I ABR 6.71 17.77 617 I MAY 7.00 17.40 604 I JUN 7.20 15.53 539 I JUL 7.19 15.06 523 i AGO 7.10 15.12 525 I SEP 6.74 14.71 511 I OCT 6.02 14.01 486 I NOV 5.16 13.34 463 I DIC 4.90 11.98 416

I I I I I I I I I I I I

I I I I I I 1 1 I I I I

I I I,""""""""""""""""""

* Se considera el periodo comprendido entre 9:30 y 17:30 horas.

. ."

*

GRAFICA I

IRRADIACION GLOBAL DIARIA PROM. MENSUAL

I

15

10

5

C I

1T

1I.C COLECTORES SOLARES PLANOS.(ref. 4 , 8 ) I I I I

CONVERSION FOTOTERMICA. La Conversidn Fototbrmica es la transformacidn de la energla ~

solar incidente en calor sobre superficies de distintos materiales, , dadas sus propiedades dpticas y termicas.

Entre las diferentes aplicaciones que se obtienen del aprovechamiento de la energia solar por conversibn termica estan: secado de granos, refrigeracibn, climatizacidn de viviendas, destilacidn de agua, bombeo de agua, calentamiento de agua para uso domestico e industrial entre otras.

De todas las aplicaciones de la energia solar, una de las mas practicas es la utilizacidn de colectores de placa plana para calentamiento de agua, o bien, aire (en el caso de sistemas de calefaccidn).

Definicidn: El colector solar es un dispositivo que capta los rayos solares (radiacidn), l o s transforma en energla termica y eleva la temperatura del fluido que circula en su interior.

Los colectores solares se clasifican en: Colectores de placa plana y en colectores de enfoque. - Los Colectores Planos suelen ser estAticos, aunque pueden

ser movidos para ajustarse a la estacibn del aKo. Generalmente los colectores solares planos son mis baratos y aprovechan el calor de la radiacidn en sus dos componentes, directa y difusa, por 10 que pueden funcionar tanto en días nublados como despejados.

- Los Colectores de Enfoque se mueven a lo largo del dia para seguir al Sol; solo utilizan la radiacidn directa y pueden calentar al fluido a temperaturas mucho mas altas que los colectores planos.

- Elementos que constituyen un Colector Solar Plano. El Colector Solar de placa plana esti constituido por cinco

elementos o componentes principales, ver figura V, las cuales son: a) Caja: Es un armaz6n que contiene los elementos que integran

el Colector Solar. Generalmente este marco se construye usando madera, lhmina galvanizada de aluminio, fibra de vidrio o asbesto.

,.. . .

COLECTOR PLA CÁ- TU80 CUBIERTA

ESPACl\ DE AIRE:

VmRlO I / RADlAClON

INCIDENTE

ABSORCION Y

SOLAR

J EM1SION

AISLANTE TIERWCO

F I G U R A V COLECTOR SOLAR PLANO Y SU SECClON

TRANSWRSAL MOSTRANDO EL FENOMENO DEL

EFECTO INVERHADERO.

b) Tubos: Por ellos circula el fluido que se calienta al '

contacto con la pared de los mismos, los cuales a su vez captan, conducen y mantienen el calor que les transmite la placa de absorci6n. I

Es importante que la tubería y la placa de absorci6n sean ' de un material que posea una alta conductividad termica. I

"""""""""""~"""

I I I I I I I I I

I I I

I I """_ I I I

I METAL I k a 100 OC I

I I W I

I I m OC I

f""""""""""""""""""""1

I Cobre I I I 393 - 56 I

1 Aluminio I 1 I 217.71 I

I Lat6n I I I 121.42 I

f Acero I I I 66.99 I

I I I ~""""""",""-""""""""""~

I

c) Placa de Absorci6n: Es el elemento que recibe y absorbe la radiaci6n solar. Debe ser tan negra como sea posible, a fin de absorber mas del 95 % de la radiacibn y reflejar Qnicamente cantidades despreciables. El ennegrecimiento se obtiene generalmente con pintura mate que contenga negro de humo, o por un revestimiento negro producido quimicamente llamado superficie selectiva. La radiacibn, convertida en calor es transmitida de la placa de absorci6n a la tubería, por conduccibn, ya que ambas se encuentran en contacto.

d) Aislante Termico: Se utiliza para disminuir las perdidas de calor de la placa de absorci6n hacia el ambiente; se coloca en la parte inferior y en los lados de la placa. Este aislante puede ser fibra de vidrio, espuma sintetica, entre otros.

A continuacidn se tabulan propiedades de materiales aislantes que mas comunmente son utilizados.

.............................

! I 1 I I I I

t MATERIAL I I I

I 1 I t

I 1

I I I

I P I k I

I W I

I ( Kg/m3 > 1 I ""_

I m OC I I""""""""""""~"""""""~""-""----"-~

I 1 I I I I I

; Lana Mineral t 12 - 14 f 0 .0332 - 0.0404 f f Corcho Granulado I 120 I O . 0476 I

f Corcho Comprimido f 136 - 176 10.0418 - 0.0462 f f Paja f 10 - 13 I O. O576 I

f Serrin I 13 - 240 t O. 0649 I Espuma de Poliuretano 1 I Rígida I I 24 I I O . 0245 I I

f Poliestireno Expandido I 16 I O . 0303 I I I I I I"""",""",""""l"""""""~""""""""~

I 4

I I I

I I

I I

I I 1 I

I I

e) Cubierta Transparente: Entre 100 y 300 oC la emisidn maxima de radiaci6n se

efectfia entre 8 y 10 pm en el infrarrojo, lo cual significa que pueden reducirse mucho las perdidas cal6ricas y elevarse la I temperatura de trabajo del colector al colocar una o mls laminas de vidrio o pllstico encima de la superficie receptora, creando un recipiente hermetico. La luz del sol de longitud de onda menor de 2.5 p pasa a traves de esta cubierta transparente, pero la radiacidn infrarroja de gran longitud de onda que emite el receptor caliente no puede volver a salir a traves de la cubierta porque el material de esta lo absorbe. Las tapas transparentes enfriadas por el aire

I

exterior y las capas de aire estancadas entre ellas son malos conductores calorlficos y funcionan a una temperatura mas baja que la superficie receptora. De esta manera se reducen las perdidas de calor.

- EFECTO DE INVERNADERO. La placa de absorci6n al ser cubierta con un material

transparente permite que haya el efecto de invernadero , segfin el cual esta cubierta transparente permite el paso de la radiacidn solar, pero no permite la salida de la radiacidn reflejada 'por la placa absorbedora. Ver figura V . 1 4 7 9 6 í

- CALCULO DEL AREA DE CAPTACION PARA DETERMINAR EL NUMERO DE COLECTORES. ( ref. 6 , 9 )

Una de las bases que norman el criterio para dimensionar un sistema de colectores solares surge de la evaluacidn energbtica de los equipos; a continuacibn se muestra el calculo del calor irtil del colector.

q*,+ u. = A c F r C S - U L ( T - T c ) ] . . . . . . . . . . - 13 f*

Con la ecuacidn anterior y los datos de irradiacidn diaria promedio mensual se calcula el Area de captacidn, Ac, necesaria para aportar el calor que el proceso requiere. Una vez obtenido este dato, se hace el calculo de la cantidad de colectores y finalmente se obtiene un parametro econdmico que sirve para evaluar la factibilidad de invertir en un sistema de colectores solares como apoyo al proceso de lavado de refrescos.

i

Sustituyendo en la ecuacidn 13 y despejando a Ac, tenemos que:

68 A = ......................... . . . . . . . . . . . . 14

C - Fr I S - UL ( T - Ta ) ]

fe

Donde:S corresponde al valor de la irradiacidn diaria promedio mensual cuyos valores se muestran en la tabla 1 1 1 ; Fr y UL son el factor de remocibn de calor en el colector solar y el coeficiente total de perdidas en el colector respectivamente, los valores para estos factores se tomaron de la referencia 6 .

Fr = 0.8 (adimensional)

w UL = 5.0 -----

m *K 2

C A P I T U L O I 1 1

PLANTEAMIENTO TECNICO

1II.A PROCESO DE EMBOTELLADORAS DE REFRESCOS.

DESCRIPCION DEL PROCESO. Las principales ireas que componen el proceso son : ( Ver figura VI 1.

A.- Area de almacenado de botella sucia En esta Area se apilan las tarimas de madera con cajas

llenas de botellas sucias, y se mandan a lavar conforme lo requiere la lavadora de refrescos.

B.- Area de desentarimado En esta Area se descargan las tarimas de las cajas con

botellas sucias, se depositan en una banda transportadora que al final tiene un mecanismo que deja las cajas de refrescos vacias y

envase lo coloca en otra banda que lo llevara a la entrada de la lavadora de refrescos.

Esta area esta a cargo de dos personas cuyas funciones son :

-El revisador vigila que no haya huecos en la tarima que contiene las cajas de botellas, retira las que estin daKadas y recoge el marbete, que es una hoja de control de almacen.

-El preinspector de botella retira los envases no lavables ( se remite a lavado industrial 1, el envase daf'iado, los que traigan "corona", los de diferente marca de refresco, es decir, solo permite que sean cargadas botellas aptas para lavado.

C . - Area de carga a la lavadora

En esta Area existe un mecanismo que coloca cada envase de refresco en una canasta metalica la cual esta insertada en una

barra metalica que, para la lavadora dos, tiene la capacidad de 40

canastas; al conjunto de barra metalica con cuarenta canastas se le denomina " linea " .

El lavador esta encargado de la alimentacibn a la lavadora inspeccionando todos los detalles antes mencionados ademas de mantener la mesa de carga llena para tener continuidad en la linea de embotellado. Tambien tiene a su cargo l o s controles del suministro de sosa y los enjuagues a botellas.

D.- Area de lavado

Compuesta por una maquina lavadora de botellas.ver diagrama I.En est& maquina existe un motor que se utiliza para mover una cadena que transporta las lineas de refresco a traves de diferentes secciones que en forma resumida se describen a continuacibn:

La botella sucia entra a la lavadora y es sometida a una serie de preenjuagues con agua limpia a temperatura ambiente, para efectuar el remojo de la tierra y basura que trae la botella, a continuacibn se llevan estas lineas a traves de tanques que contienen agua a diferentes temperaturas,( superior a la temperatura ambiente 1, y con cierto contenido de sosa, utilizada para remover las impurezas adheridas al vidrio; por Qltimo, se vuelve a utilizar una serie de enjuagues con agua limpia para quitar l o s residuos de sosa e impurezas que hayan quedado adheridas al envase.

E.- Area de descarga de botella lavada

En esta zona el lavador verifica el funcionamiento de los enjuagues finales con agua recirculada y agua fresca. Controla la temperatura de l o s tanques de la lavadora con la finalidad de evitar el "choque termico" en el vidrio al pasar de un tanque a otro.

Por otra parte, el departamento de Control de Calidad supervisa los porcentajes de sosa, temperatura y nivel de los tanques de la lavadora, asi como el suministro de aditivos, abrillantadores y rendidor cadstico. Ademis, de checar el contenido de impurezas de lq botella lavada mediante un muestre0 peribdico de las botellas que se lavan.

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I18 I19 I 20 I 21 I22 '23 \ 24 1 2 5 I 26 I27 I28 I 29 f 30 '31 ! 32 133 134 35 ' 37

1 39 i 40 41

I42 I 43 '44

146 I47 148 I 49

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136 138

i45

8 -

I

:LAVI( DESCRIPCION I

I I ! I f

Dese@cadora 1 I

I kngkta desempacadora 1 ( botella sucia ) I i Lengveta mesa de car a I I m a de car a de la favadora 1 I I Lavadora 1 f m t a l & ~owey I neSa de descar de lavadora 1 I

I I

M130 1 Transportador q a vacía ( de rodillos O040 I Transportador de caJa vacía ( de banda plana 0050 I Transportador de caja vacía ( de rodillos O060 I Tramportador de caja vacía ( cadena de tablillas 7 t I' 1 I

0070 I Transportador de caja vacía ( cadena de tablillas 3 i " dobe 1 0080 I Derivador de caja ~

0090 1 Transportador de caja vacía ( cadena de tablillas hacia eapacadora 1 ~

0100 I Transportador de caJa vacía ( cadena de tablillas ) hacia empacadora 2 1 0110 I Transportador de caja vacía ( , 0120 i Transportador de caja vacía ( de banda plana hacia empacadora 1

) hacla empacadora 1

0140 I Transportador de caJa vacía de rodillos 1 hacia enpacadora 2 I

O150 I Transportador de caJa vacía ( de banda plana ) hacia empacadora 2 0160 I Transportador de caJa vacía ( de rodillos ) hacia em cadora 2 0170 I Transportador de caja vacía ( cadena de tablillas 1 E cia erpacadora 2 , 0180 I Transportador de caJa producto termado, salida de enpacadora 1 O190 I Transportador de caja producto teninado (entarimado) salida de empacadora 1 0200 I Transportador de cada producto teninado, salida de apac@ora 2 0210 i Transportador de caJa producto temnado entarimado) salida de empacadora 2 0410 I Lengüeta salida lesa descarga lavadora 1 I botella lavada 0420 I Transportador de botella lavada, salida lavadora 1 0430 Transportador de botella lavada, hacia llenadora 2 0440 Transportador de botella lavada, hacia llenadora 2 0450 f Transportador de botella lavada alirentacibn llenadora 2 O460 i Transportador de botella lavada, hacia llenadora 1 0470 Transportador de botella lavada, alimtacion a llenadora 1

~ 0480 Transportador de botella llena, salida llenadora 2 ~0490 Transportador de botella llena, sallda llenadora 1 ~0500 I Transportador de botella llena, salida llenadoras 1 y 2 ~0510 I Transportador de botella llena, entrada a l m a s rojas !O520 Transportador de botella llena de las larparas rojas :O530 ! Transportador c m n de botella llena (producto teninado)

1 I

I I

,

I 0130 I Transportador de caJa vacía cadena.de tabli 1 las ) hacia empacadora 1

hacia" acadoras 1 2.

B uipo carbocoder ( carbonatador y enfriador del producto 1 !OW i Transporhor allwniacion botella llena a empacadora 1 10550 i Transportador allaentacion botella llena a enpacadora 2 1 : Jenadora 1

1 Llenadora 2 I Deareador L-1 I Empacadora 1 I Empacadora 2 1 compresores de refrigeracion I-1 ( nycol 1

I

I

F.- Revisidn de botella lavada, tambibn, denominada inspeccidn con lampara blanca. El objetivo de esta Area, ademis de supervisar l o s puntos

antes mencionados en la botella, es retirar las botellas con objetos en el interior y checar la temperatura de la botella ( implica falla en los enjuagues 1.

G.- Area de llenado de botella La velocidad de la llenadora 1 es de aproximadamente 260

botellas / minuto y el de la llenadora 2 es de 150 botellas / minuto. En esta Brea se coloca la tapa a la botella ( corona 1.

El departamento de Control de Calidad supervisa que ' la corona ajuste adecuadamente, para evitar la fuga de lfquido, o gas en su defecto, por un exceso de presidn que tenga como consecuencia el daKo parcial o total de la botella; ademis, se verifica el nivel de brix, que es el contenido de azircar del refresco.

H.- Revisidn de botella llena Tambien conocida como revisidn con limpara roja en donde

se vigila el nivel de llenado, el coronado y el color del producto ( indica si el proporcionador esta operando bien ) .

I.- Reciclaje de cajas para empacado de botellas. En esta Area el inspector de plBsticos vigila .que las

cajas esten vacias, que no haya otras marcas de refresco, elimina la basura y retira las cajas rotas.

J.- Area de empacado de botella Se utiliza un sistema neumitico del tipo succidn

K.- Area de entarimado Coloca las cajas en las tarimas, hace la lfltima revisicjn

de todos l o s puntos antes considerados ademAs de asegurar mediante ganchos el contenido de las tarimas.

L.- Area de almacen de botella llena.

BALANCE GENERAL EMATERIA YENERGIA DEL PROCESO =LAVADO DEBOTELLA

A continuacidn se plantea el balance de materia y energia en terminos generales, el cual sera aplicado a los tanques 1, 2 , 3 y 4 ;

- CONSIDERACIONES:

A.- La masa en transito corresponde al paso de la botella a traves del sistema. El flujo de botellas esta dado por:

masa de la * Tiempo de . . . . . . . . . . . . . 1s - O

mb= botella lavado = kg. de botellas / minuto

B.- El Volumen de control esta acotado por las paredes del tanque y

el nivel de la solucidn catfstica en dicho tanque.

C.- El sistema recibe contribucibn de calor por medio de un serpentin que es alimentado con vapor y que esti inmerso en la soluci6n caastica. Se considera que el vapor es saturado seco.

. . . . . . . . . . . . 16 -

D.- Las botellas llevan una determinada temperatura al entrar al tanque, que es la temperatura del tanque anterior, por lo que hay una contribucidn de calor al sistema que esta dada por:

O O

Q = m C ; * ( T b . . . . . . . . . . . . . . .

b v s b - T e b ' 17 -

E.- La velocidad de entrada y salida de masa ( botellas) es constante, por lo que:

v2 - v: 2 """" = O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2 -

F.- Por otro lado la diferencia de niveles no varia en forma apreciable por lo que :

g(Zz-z*) = o . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 -

G.- No existe ningQn dispositivo que efectQe trabajo sobre el

sistema, ni dentro de las fronteras del sistema, por lo tanto:

5w = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . eje

2c)

H.- Debido a la falta de aislamiento en la lavadora de botellas existen perdidas calor, por mecanismos de transferencia de calor ~

por Conveccidn y Radiacidn. Coeficiente de transferencia de calor para radiacidn,(ref. 10):

,

i

I

T4 í - Tla

Q * C * r

""""_ AT

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Coeficiente de transferencia de calor,(ref. 10) para conveccidn:

Para placas horizontales tapa inferior S I 4

h = 1.32 ( AT/L ) C

Para placas horizontales tapa superior í A 4

h = 0.59 ( AT/L ) O

Para placas verticales í/4

h = 1 . 4 2 ( AT/L ) C

. . . . . . . . . . . . . 22 -

. . . . . . . . . . . . . 23

. . . . . . . . . . . . . 24

La perdida total de calor esti definida: 6 = ht * A * h T . . . . . . . . . . . P 25

donde:

ht es la suma de l o s coeficientes convectivos y radiactivos

4 0 - *. . . ........................... .I . - ~ .. """a - - ""I.. . I .

BALANCE DE MATERIA.

d msir . . . . . . . . 26

~l proceso de lavado de botellas es de estado estacionario Por 10 que no hay acumulaci6n neta de masa dentro del sistema Por 10 tanto la ecuaci6n se convierte en:

( p A 3? )on? = : 9 A 3t )os!. . . . . . . . . 2 7

BALANCE DE ENERGIA.

La ecuacidn del balance de energia para sistemas abiertos a regimen permanente es:

v2 2 - v; 6 + . = ib { (hz-hi ) + -------- . . . . . . . . . . .

*Je 2

aplicando las consideraciones E,F,G, tenemos que:

6 = ib (h2-hi) = 4 . . . . . . . . . . . . . . . . - 29

debido a que la lavadora de botellas no tiene aislamiento termico flujo de

flujo de calor perdidas de calor 6 = suministrado - por radiacibn.

;= ; - 6 5 P . . . . . . . . . . . . . . . . 7 30

sustituyendo en la ecuacidn de balance de energia nos queda que:

despejando al

donde 8 esta P

calor suministrado tenemos que:

O O

= Q + Q b P

definida por la ecuacibn 25

1 4 7 9 0 1

1II.B GENERACION DE VAPOR. El diagrama de distribucibn de vapor se t

ilustra en la figura VII.

USOS DEL VAPOR. ,

En lavadoras : Se usa de acuerdo al programa de produccic5n En gas carb6nico: Uso controlado por valvula solenoide calibrada Planta de T.A. : Se utiliza para retrolavado, durante 24

horas, 2 baterias; esto se hace en sabado o lunes.

AREA DE CALDERAS.

Se opera con dos calderas del tipo "PIROTUBULAR", en donde l o s gases de combustidm circulan por el interior de los tubos, los cuales se hallan rodeados de agua; el hogar es integral, es decir esta limitado por superficies enfriadas por el agua que se esta evaporando. Las dos caldera son marca CLEAVER BROOKS de cuatro pasos.

TABLA VI1 DATOS TECNICOS DE LAS CALDERAS """"""""""""""" """""""__"""""""

"""""""""""""~""""~""""""""""""- I I I I I I I I

I I I

I I I I

I CALDERA I 125 HP I 100 HP I

I Marca I Cleaver Brooks I Cleaver Brooks I t Tipo I Pirotubular I Pirotubular I

I Hogar I Interior I Interior I

I Pasos I Cuatro I Cuatro I

I P de trabajo I 6 kg/cm I I 6 kg/cm I I

I hrs. de trabajo I 15 horas I I 10 horas I I

1 Combustible I Diesel I Diesel I

I Temperatura del I I I I I

I agua alimentacidn I 60 oC I 60 oC I

1 Evaporacibn I I I I I I

I Nominal I 1960 kg/hr I 1568 kg/hr I

I Capacidad de I Agua I 2900 Its I 2310 Its I

I""""""""""-~""""""""-l""""""""""l-

I I

I I

I I

I I

I I

I I

I I I I I I

I I

I

CALDERA 2 125 HP

- C A 8 E Z A L

D E

V A P O R -

b LAVADORA I

0 LAVADORA 2

PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA I

F I GURA I DIAGRAMA DE DlSTRlBUClON DE VAPOR

ESTIMACION DEL CONSUMO DE ENERGIA UTILIZADA EN LA CALDERA ESTIMANDO UN RENDIMIENTO.

Los rendimientos generalmente obtenidos ( ref. 12 Y 13 1 en un generador de vapor, tipo tubos de humo, 4 pasos, hogar interior alimentado con petr6leo crudo o aceite ligero son del rango de 80 a 85 % .

Utilizando un rendimiento del 80% , tenemos que, la energia que consume la caldera por hora es:

. . . . . . . . . . . . 33 -

1II.C COLECTORES SOLARES PLANOS.

DESCRIPCION DEL EQUIPO A UTILIZAR. I

Se propone la utilizacidn del colector solar plano, marca 1 I

Solarmex, por ser un equipo del que se dispone de datos tecnicos y de precios.

Caracterfsticas del colector. I i. Dimensiones exteriores: ( 0.92 x 1.83 x 0.08 ) m ii. Cubierta transparente:-Material vidrio flotado.

-Espesor 0.04 m iii. Placa absorbedora: -Material cobre

-6 tubos longitudinales de 3/8" -2 tubos transversales de 3/4" -Aletas de lamina de cobre calibre 30 -Color negro oxidado por inmersidn -Superficie l. 60 m2

i v . Aislamiento: - Material de fibra de vidrio - Espesor 2"

v . Caja - Material: marcos y perfiles de aluminio; fondo de Umina galvanizada de calibre 26.

C A P I T U L O I V

PLANTEAMIENTO ECONOMICO

DEFINICIONES: Sea S 'I la cantidad a pagar para hacer una instalacidn

solar y a 'I la cantidad que se espera economizar cada af'ío. 1 I

CASO I.La duracion de la amortizacion, n, y la instalacidm de un equipo solar se puede calcular como:

n = s / a . . . . . . . . . . . . . . 34 donde n es el namero de af5os en que se amortizarla la inversidn.

La Rentabilidad, R, de la operacidn es el namero inverso a la ecuacidn anterior, es decir:

R = l / n . . . . . . . . . . . . . - 35

Para ser rentable, la instalacidn debe funcionar normalmente al menos durante el período de amortizacidn. Si se estima la, duracidn de vida probable de la misma en 'I v I' af5os. Se definir& el indice de rentabilidad, r, como el cociente entre el total de la cantidad economizada y la cantidad invertida:

I

r = v U a / s . . . . . . . . . . . . . . 36 Se dice que la operacidn es rentable si r > 1.

Las definiciones anteriores son atiles para hacer estimaciones ripidas, sin embargo, no consideran l o s siguientes factores:

1. Los intereses que se 'pueden obtener al invertir la cantidad en un banco, lo que constituye un factor en contra del proyecto de la instalaci6n de equipo solar.

2. El aumento en el futuro, en el costo del combustible, lo cual es un factor que puede hacer favorable la decisidn de apoyar el proyecto.

C A P I T U L O v

APLICACION A UNA INSTALACION REAL

CARACTERISTICAS DE LA INSTALACION. 1

La linea de embotellado de refrescos que se va a utilizar, se , I

describe en la figura y la tabla VI, en donde se cuenta con una lavadora de refrescos cuyos datos de placa se describen a continuacibn.

LINEA DE EMBOTELLADO 2 Se utiliza para el embotellado de refresco mediano; la lavadora

que emplea es marca Austral, Modelo M5 Manuel San Martin, tiene una capacidad de 396 canastas portabotella, descarga 40 botellas por golpe, es decir, en linea a la salida de la lavadora.

DATOS TECNICOS Llenadora 2 Vp!!.2 : 150 bot. por minuto Lavadora 2

Pbbf : 448.5 gr vp12 : 760 bot. por minuto Marca : Austral

TABLA VI I I Datos de placa de la lavadora 2

"~""""""""""""""""~""""""""

I 1 1 1 I I I I I I

I Tanque I Capacidad I Concentracibn I Temperatura I I no. I I I

I I I I I

I I I I I I I I I I

I Its. I sosa % I C I

I""""-("""""-~"""""""-~""-""""~

I

I

I

I 1 i 15,350 t 0.5 - 1.0 I 25 - 30 I I 2 I 15,350 I 3.0 - 3.5 I 60 - 65 I I 3 i 40,500 ! 2.5 - 3.0 I 45 - 50 1 I 4 I 15,350 I 2.0 - 2.5 I 35 - 40 I I 5 I 12,400 0.5 - 1.0 I 25 - 30 I 1

I

I I I 1 I ~"""",~"""""~~"""""""~~"~"""""~

Tomando en cuenta la necesidad de determinar las perdidas

por radiacibn y conveccidn se hizo un levantamiento de datos en la Planta Embotelladora de Refrescos, los datos medidos se describen en la tabla IX.

A continuacidn se determina la cantidad de calor requerido en el proceso de lavado de botellas; debido a las caracterlsticas del proceso, se opt6 por utilizar la lavadora dos, que forma parte de la línea de embotellado dos. Definiendo como superficie de control las paredes del tanque , es decir se va a hacer el cAlculo por separado en cada tanque.

Utilizando las ecuaciones obtenidas en el balance de materia y energla desarrolladas en el Capítulo I11 y sustituyendo l o s datos proporcionados en la tabla VI11 y IX, se hizo el calculo del calor a suministrar en los tanques 1, 2, 3 y 4 de la layadora 2 . Los resultados obtenidos se tabulan en la tabla XII.

TAELA IX

DATOS HEDIDOS DE LAS UDICIOWES DE WERACION DE LA UVADORA ................................ ................................

I I

I T E H P E R A T U R A S :

I TECHO 1 PARED LATERAL, DATO 1 :PARED LATERAL , DATO 2

I I

I

IFLUIDO, DATO 1 I FLUIDO, DATO 2 IFLUIDO, DATO 3

IDS LA BOTELLA, f DE LA BOTELLA,

:DEL M I E N T E

I P R E S I O N :

I I

I I

I I

I I

ENTRADA SALIDA

IDEL VAPOR A LA ENTRADA f DEL CABEZAL-LAVADORA

:DATO 1 MANOHETRICO) :DATO 2 OIANWTRICO)

I I

I 1 I

'C 'C

O C

OC O C

O C

OC

'C

I I 1 I I I I I 1 I I I

I I I I I I I I

I I I I I I I I I I I I I I I I I I

kgIcr2 I I I

5.2 : 3 .7 f

I I I

37 34 34

30 34 29

25 30

25

40 50 44

59 73 63

30 59

25

42 42 40

53 53 52

59 53

25

41 42 40

51 40 45

53 51

25

1 I I I I I

3 8 1

32 i

35 I 40 f 41 f

51 1 35 I

25 f

I I

I I

I I

I I

I I I I I I I I 1 I I I i I I I I I I

I I I

O

rb botellas 5.67 kg ""

S

Ta = 25 'C = 298.15 ' K

I A " 1 TANQUE2 I W E 3 TANQUE4 """""""""""""""""""""""""""""""""""- T ~ R A T U R A D E L TANQUE (Tql 'C To = 25 30.00 65.00 50.00 40.00

'K 303.15 338.15 323.15 313.15

Tn - Tn-1 'C 5.00 35.00 (15.00) (10.00)

donde n = 1,2 ,3 ,4 O K 5.00 35.00 (15.00) (10.00)

o 0

ob = rb Cpv (Tn-Tn-1)

kJ "" 23.83 166.84 (71.501 (47.67)

S """""""""""""""""""""""""""""""""""-

f.

TABLA XI

CALCULO DE LAS PERDIDAS POR RADIACION Y CONWXION .......................... ..........................

DATOS : """

CONSTANTE DE STEFAN - m L T m

U = 5.673-08 n """

r2 'K

EHISIVIDAD DE LA PLACA DE HIERRO

E = 0.61

TBlPERATURA MIENTE

Ta = 25 'C = 298.15 O K

TANQUE1 T s o u E 2 TANWE3 TANME4 TAWQUE5 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""- TWERAWRA DE LA SUPERFICIE DE LA LAVADORA EN:

TECM Y BASE

PARED LATERAL

A. PARA RADIACION 4 4

o € ( T p - T a ) hr = """""""_

Tp - Ta

hr TECHO Y BASE

hr PARED LATERAL

O C 37.00 'K 310.15

'C 34.00 'K 307.15

U

a2 'C

U

m2 'C

U

m2 OC

""

"" 3.89

"" 3.04

40.00 313.15

50.00 323.15

3.95

4.15

42.00 315.15

42.00 315.15

3.99

3.99

41.00 314.15

42.00 315.15

3.97

3.99

38.00 311.15

40.00 313.15

3.91

3.95

........................................

TABLA XI ( CONTINUACION 1.

TAWE1 TANQUI2 TANQUE3 TAWE4 ...................................

DIMNSIWES DE LA LAVADORA EN:

TECHO

BASE

PARED LATERAL

Ll I 4.90 4.90 L2 I I .66 1.66 L I 3.28 3.28 A 12 8.13 8.13

L1 I 4.90 4.90 L2 I 1.66 1.66 L B 3.28 3.28 A 12 8.13 8.13

L1 I 1.5 1.65 L2 I 1.6 1.7 L I 1.55 1.675 A B2 2.078 2.483

4.90 4.53 4.71

22.20

4.90 4.53 4.71

22.20

2.2 4.54 3.37

9.666

4.90 1.66 3.28 8.13

4.90 1.66 3.28 8.13

2.15 1.7

1 .%S 3.333

area del triangulo 0.322 ...................................

B. PARA COWVECCION:

PLACAS HORIZWALES: TECHO DE LA LAVADORA

Tp - Ta 114 U hc = 0.59( ------- ) ""

L 12 Y T M 1 TANQUE2 TIuvQuE3 TANQUE4

TECHO O . 815979 O. 862793 O. 013006 O. 876826

PLACAS HORIZONTALES: WE DE LA LAVADORA

Ip - Ta 114 U hc = 1.32( ------- ) ""

L 12 'C TAWQUE 1 TANQUE2 TANQUE3 TANQUE4

BASE l. 82558 l. 930315 l. 818929 l. 961713

PLACAS VERTICALES: PAREDES DE LA LAVADORA

Tp - Ta 114 W hc : 1.42( ------- ) ""

L 12 O C

T M 1 TANQUE2 TAwQuH3 TAW14 LATERAL 2.204276 2.791063 2.128105 2.447896

. ~~~ .. e*. - ~ - " - .I -..I _"_.."l."l,__

TABLA XI1

REWEN DEL CALCULO DEL CALOR A SUlINISTRAR """""""""""""""""""""- """""""""""""""""""""

TANQUE1 SAmwlE2 TANQUE3 TANQUE4 """"""""""""-""""""""""""""""""""""" TBGHOYBASE

AMA A 12 8.13 8.13 22.20 8.13

W hr "" 3.89 3.95 3.99 3.97

r2

U hc "" 0.82 0.86 0.81 0.88

r2 O C

kJ Qp = A(hrthc)(Tp-Ta) "" 0.92 1.17 3.63 1.26 por el techo y la base S

LATERAL

"""""""""""""""""""""""""""""""""""- 0

"""""""""""""""""""""""""""""""""""-

AREA A r2 2.08 2.48 9.67 3.33

W hr "" 3.84 4.15 3.99 3.99

r2 @C

W hc "" 2.20 2.79 2.13 2.45

r2 O C

kJ @ = A(hrthc)(Tp-Ta) "" 0.23 0.86 2.01 O . 73 por las paredes laterales S

kJ

...................................

o

...................................

O

Q b = "" 23.83 166.84 (71.50) (47.67) S

...................................

e @ O kJ o s = QptQb "" 24.98 168.87 (65.86) (45.68)

S """"""""""""""""""""""""""""""""""-

C A P I T U L O V I

R E S U L T A D O S

De la tabla VI11 y IX se puede observar que en cada uno de , los tanques prevalecen diferentes condiciones de operaciCln, tanto de temperatura como de concentraci6n de sosa, lo anterior hace que sea necesario considerar:

1

a. Calentar indirectamente la solucidn con sosa, utilizando intercambiadores de placas, la descripcidn de estos se hace en el apendice.

b. Las diferentes condiciones a que deben estar los fluidos en cada tanque obliga a considerar un arreglo de colectores solares para cada uno de los tanques; por considerar que el tanque dos es el de mayor impacto en el consumo de energla se elige para calcular un sistema de colectores. que sirva como una soluci6n de apoyo en su consumo energetic0 i

Se propone un sistema, ver figura VIII, que consta de un arreglo de colectores, un intercambiador de placas ( ver aphdice C )

, un tanque de almacenamiento que contiene liquido con las condiciones que hay en el tanque dos; este fluido se estari recirculando entre el arreglo de colectores y el tanque de almacenamiento, hasta que alcance la temperatura fijada y pueda ser enviado al tanque dos de la lavadora de botellas.

NUMERO DE COLECTORES REQUERIDO. El namero de colectores necesario para suministrar la energía

que pierde el tanque dos se calcula utilizando la ecuaci6n 14. En las tablas XI11 y XI11 - A se muestran el resumen de este cdlculo para los doce meses del aEo, variando la temperatura del fluido en la entrada al arreglo de colectores.

\

I H I

BANCO DE COLECTORES

F

PROPUESTA PARA

t I

TANQUE

2

I G U R A Vl l l

EL SISTEMA DE COLECTORES- TANQUE 2 :DE LA LAVADORA DE BOTELLAS

1% FTSIATAIME P a m OBTENER EL MEA Y EL WRC! ra. COLECTORES P%A Mff SUPORTE MRGETIOI At T W U E NO. 2 """""""""""""""""""""""""""" ""~"""""""""""""""""""""""""-

ENERGIA A R E M R TCINQUE 2 = 163,370 U -Tfe "C = 50 M E A UNITARIA DE

G(XECTOR = 1.68 r2

#ES RADIA- FPICTOR COaICIENTE TE". ENT. T W . CALOR AREA DE MERO """"""""""""""""-"""""""""""""""""""""""""-

CION M 6LWl W DEL FLUIDI! MBIEHTE UTILI COLECTORES M f " O RE#ocIoN PEWIDCIS DEL AL CWCTOR M 4 !=OLECTCQiES

I 4 € N W L COLECTOR S Fr UL Tfe Ta wt. k

War2 adin. )I/&'% % 'K JIr2 62 adim. """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""

E M 483 0. I 33.15 286.15 233.1 709.2 423 m 570 0.8 5 323.15 234.15 300.4 562.2 M

334 63 0. 8 5 323.15 291.15 371.7 454.3 271 **

m 617 0.3 5 323.15 292.15 369.6 456.9 273 MY 604 0.3 5 323.15 292.15 359.3 470.0 28 1 JUN 53 0.8 5 323.15 291.15 303.4 556.6 332 Jtii 523 0.8 5 323.15 230.65 233.3 585.7 350 clsci 52s 0.8 5 323.15 290.65 290.0 532.3 343 SEP 51 1 0.8 5 323.15 290.15 276.6 610.5 :M OCT 436 0.3 5 323.15 290.65 259.2 651.6 M V

3 9 ** 463 0.8 5 323.15 289.15 2 3 . 6 720.0 130

DIC 416 0.8 5 323.15 2m.15 192.8 576.0 522

F'MW 530 290.3 602.4 &0

c

...........................................

T A M M RS~LTAIJ& PMA CIETEm EL WiEA Y EL Nw4uK) FE CDCBTCdlES PARA Mil SCtF'oRTE ENUIETICO At TAMJJE Mi. 2 """""""""""""""""-""""""""""- """"""""""""""""""""""""""""

Et€fi6IA A REPONER T W 2 = 16%,870 kl Tfe ' C = 15 CIREA UNITMIA M

OLECTOR = 1.68 m2 """"""""""""""""""""~"""""""""""""""""""""- E S RI1DIA- FACTOR CXFICIENTE TW. ENT. TEPP. Wfi PAEA DE

CION DE GLOBAL DE DEL FLUIW WltFIENTE UTILi WCTCRES DE pR0Wu)IO REKCION PERDIDCIS DEL A CoLEcrOR m ClKECTORES PENSUN €XILECTOR

S Fr UL Tfe Ta wt. k N/& adim. k)lwZ'k. *K *K 5/82 m2 adim. """""_"""""""""""""""""-"""""""""""""""""""

EN€ 483 0.8 5 B8.15 286.15 378.1 146.6 267 FEi? 576 (5.8 5 L B . 15 284.15 440.4 383.5 229 M 625 6.8 5 283.15 291.15 511.7 330.0 197 ** ABR . bl? 0.8 S LB.15 29.15 509.6 331.4 . 1% M Y 604 6. 8 5 288.15 292.15 499.3 33.2 292 JW 539 0.8 5 2%. 15 291.15 443.4 380.9 2 2 Jlk 523 6.8 5 248.15 290.65 428.3 391.2 236 Is60 525 0.8 5 iB8.15 296.65 430.0 342.? 23s SEP 51 1 o. 8 5 288.15 290.15 416.6 405.3 242 KT 4& 6.8 5 iW.15 2911.65 399.2 423.1 253 $$

NOV 463 B. 8 .J m.15 289.15 574.6 450.4 269 ClIC 416 6.8 5 288.15 38.15 332.8 507.5 303

E

""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""

PRIM 530 430.3 398.7 238

CALCULO DEL AHORRO DE ENEHGIA Y ECONOMIC0 QUE SE 0BTIENE.MEDIANTE LA INSTALACION DEL SISTEMA DE COLECTORES PROPUESTO.

a. Determinacibn del consumo de energía para la caldera de 125 HP que proporciona vapor a la lavadora dos:

O

m = 200 lts/hr PCC = 44,790 kJ/kg Peso específico = 0.84 kg/lt e =sox \

Sustituyendo en la ecuaci6n 33 los datos anteriores

d

Y

multiplicando por el peso especifico, obtenemos que: Y

O

E f t 1 et' md Pe PCC = 6'019,803 kJ / kg

b. Energla aportada por el sistema solar para suministrar calor al tanque dos.

Esta energía corresponde a la obtenida en el balance de calor, donde Q = 168.85 kJ/s t 606,600 kJ/hr , (ver tabla XII) .

P

c. Comparacidn entre la producci6n energhtica de la caldera a su potencia nominal, con la energla que aportara al tanque 2, el sistema de colectores propuesto.

La potencia nominal de la caldera es 125 HP que equivalen a 1,225.5 kW.

El arreglo de colectores debe proporcionar 168.85 kW. El valor de 168.85 representa el 13.7 X de la produccidn

total del generador de vapor.

d. Equivalente del ahorro de energía a litros de combustible utilizado en la caldera.

De la ecuacibn 33 despejamos el flujo de combustible utilizado por la caldera y usando el valor para 606,600 calculados en el inciso b, se obtiene que:

O Ecc md-

- """"" e PCC Fe= 20.15 lt/hr

V

e. Calculo de los ahorros anuales. En la tabla XIV se presentan los ahorros anuales,

considerando diferentes horas de operacidn por día del sistema de colectores solares, tambien se hace una variacidn en los días por aKo que el sistema podrA operar.

El costo del combustible ( diesel ) utilizado en l o s cilculos es 665 $/lt ( ver tabla 1 ) .

f. Tiempo de amortizacidn de la inversidn. Con las ecuaciones calculadas en el Capitulo 4 , se

obtiene el tiempo de amortizaci6n y la rentabilidad de la inversidn. ( Ver tabla XV 1.

TABLA XIV CALCULOS DE u15 AHORROS PARA DIFERENTES PERIODOS DE OPERACION DEL ARREGLO DE COLBCTORBS SOLARES. .................................. "_""""""~""""""""""""""""""""""""""

EFICIENCIA COWSUW) Pcc PBSOBSP. coNsuHoDE DELA DE DIESEL DEL DIESEL ENERGIA EN CALDERA CALDERA x Lt I hr kJ I kg kg I Lt kJ I hr

~

0.80 200.00 44,790 0.84 6,019,803

ENI?RGIA APORTADA POR EL SISTMA SOLAR

w. EN LIS. DE DIESEL

kJ I hr Lt 1 hr

COS'IY) DEL DIESEL $665.00

607 , 932 20.20

200 DIAS I AÑ0 250 DIAS 1 AÑ0 300 DIAS 1 AiK, 350 DIAS 1 AÑ0

H(wus I DIA LITROS LITROS t LITROS $ LITROS $ LITROS $

5 101 1

6 7 141 28 , 277 18 , 804 , 0% 35,346 23,505,117 421415 28,206,141 49,484 32,907,164

i 20,198 13,431,496 25,247 16,789,370 30,297 20,147,243 35,346 23,505,117 121 24,237 16,117,795 30,297 20,147,243 36,356 24,176,692 42,415 28,206,141

8 162 i 32,316 21,490,393 40,395 26,862,991 48,475 32,235,589 56,554 37,608,188

TABLA XV

CALCULOS DEL TIEHFQ DB MORTIZACION """""""""""""""""- """""""""""""""""- DATOS: NUHERO DE COLBCTOWj 326 VIDA UTIL DEL COWTOR, AÑOS. COSTO DEL COLECTOR

10 $890 , O00

Horas/dia AHORRO IIlvBRsIoN n R Diasíano

r t 3 m RENTMILIDAD

~TIZACION RENTABILIDAD INDICE DE

5 HORAS - 16,789,370 250 DIAS

5 HORAS - 20,147,243 300 DIAS

5 HORAS - 23,505,117 350 DIAS

6 HORAS - 20,147,243 250 DIAS

6 HORAS - 28,206,141 300 DIAS

7 HORAS - 23,505,117 w) DIAS

7 HORAS - 28,206,141 300 DIAS

7 Horus - 32,907,164 350 DIAS

8 HORAS - 26,862,991 250 DIAS

8 HORAS - 32,235,589 300 DIAS

8 HORAS - 37,608,188 350 DIAS

290 , 140 , O00

290 , 140,000

290 , 140 , O00

290 , 140 , O00

290 , 140 , O00

290 , 140,000

290,140,000

290,140 , O00

290,140,000

290,140,000

290,140 , O00

17

14

12

14

10

12

10

9

11

9

8

O . 0579

O . 0694

o . O810

O. 06%

O. 0972

O . 0810

O . 0972

0.1134

o . o926

o . 1111

o . 12%

0.58

0.69

0.81

0.69

0.97

0.81

0.97

1.13

0.93

1.11

1.30

. . .II. .

C A P I T U L O V I 1

C O N C L U S I O N E S

1.- De los cilculos mostrados en la tabla XV, resulta que la inversidn empieza a ser rentable a partir de que el colector opera 7

I

horas al día, durante 300 dias/aKo, este caso es muy optimista, ya que dadas las condiciones atmosfericas de D.F. lo mas conveniente para esta ciudad seria el caso donde el colector trabaje durante 5 horas, 300 días al aKo, lo cual da una amortizacidn de 14 aRos.

2.- Lo anterior esta calculado para el costo del diesel a diciembre de 1991, esto es indicativo que para las condiciones I

actuales todavla no es rentable trabajar con un sistema solar, aunado a que la fabricacidn de l o s colectores solares comerciales todavfa no alcanza una produccidn a gran escala, pero cuando la demanda permita abaratar l o s costos de produccidn, las perspectivas de aplicacidn serin competitivas con respecto al uso exclusivo de combustibles convencionales.

2.- De los calculos hechos en las tablas XI11 y XI11 - A , que consideran el caso del tanque dos podemos darnos cuenta de la importancia de la temperatura del fluido de entrada al colector, ya que para ambos casos las condiciones eran identicas y existe una diferencia de casi 100 unidades de coleccidn, esto nos enfrenta a la opcidn de que si el uso a estos colectores es en otras condiciones el arreglo resultante puede ser de gran apoyo; tal seria el caso de su utilizacidn para precalentamiento del agua de alimentacidn a calderas

- ” “ 60

6

B I B L I O G R A F I A

NO DESCRIPCION. c AUTOR. TITULO. EDITORIAL

1 Almanza, Estrada y Barrientos. Actualizacit5n de los Mapas de Irradiacidn Global Solar en la Repablica Mexicana. Proyecto 112, Instituto de Ingenieria UNAM, agosto de 1990.

2 Balzizer R.E, Samuels M.R., Eliassen M.R.. Termodinamica para Ingenieros Qufmicos. Editorial Prentice Hall Internacional.

3 Bernard R., Menguy G., Schwartz M.. La Radiacit5n Solar, conversidn termica y aplicaciones. Editorial Lavosier. 1982.

4 Castellanos A., Escobedo Margarita. La Energla Solar en MBxico, situacibn actual y perspectivas. Complejo Editorial Mexicano, 30 de Junio de 1980.

5 Collares - Pereira M . , Rabl Ari. The Average Distribution of Solar Radiation - Correlations between Diffuse and Hemispherical and between Daily and Hourly Insolation Values. Solar Energy Vol. 22, pp. 155-164. Pergamon Press Ltd., 1979. Printed in Great Britain.

Duffie J.A., Beckman W.A.. Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley & Sons, 1980.

7

8

M. Faires V.. Termodinamica. UTEHA 1982.

Farrington D.. Uso Directo de la Energía Solar. H. Blume Ediciones, 1982.

1479Cri

9

10

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12

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14

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Manrique J.A.. Energia Solar, Fundamentos y Aplicaciones FototBrmicas. HARLA, 31 de octubre de 1986.

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Wionczek M.S., Guzman O . . Colegio de Mlxico. Taller de Comunicacidn total, noviembre de 1983.

A P E N D I C E S

A. BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA PARA SISTEMAS ABIERTOS.(ref.2,7,17)

A continuacibn se desarrollan l o s balances de materia y energía para sistemas abiertos en condiciones de estado estacionario.

CONSIDERACIONES: A.- Sistema abierto. B.- Proceso sin reaccibn química. C . - Proceso sin generaci6n de energía. D.- Estado estacionario ( las propiedades del sistema no varían

con el tiempo 1.

BALANCE DE MATERIA. ref. 4

Para un proceso sin reaccibn qulmica. la ecuacidn es:

6 ment - d msaL = d mtis . . . . . . . . . . . . . . 37 ----"" """"

- """"

dt dt dt

por definicidn tenemos que el flujo mAsico o el flujo de masa, i, esta dada por la siguiente igualdad:

o - 6 m

d t m = --- = ~ A X . . . . . . . . . . . . . . . 38

donde X es la velocidad promedio en condiciones de flujo unidimensional; sustituyendo la ecuaci6n 37 en la ecuaci6n 38 el balance de materia nos queda de la siguiente manera:

d msis ( P A X ) - ( P A X )

saL - - ""_ . . . . . . . . . . . ent 39 dt

para sistemas de estado estacionario no hay acumulaci6n de masa dentro del sistema por lo que la ecuacibn 39 se convierte en:

( p A X )SR: = : ,c A X )S=: . . . . . . . . . . . 40 - la ecuaci6n anterior se le denomina ecuaci6n de continuidad de f¿ujo o simplemente ecuuci6n de continuidad para flujo estacionario unidimensional.

BALANCE DE ENERGIA. (ref. 17)

El balance energetic0 global se expresa como: E"+

cli , ( . - EZGL dE . . . . . . . . . . 41

E - m por definicibn e - --- - . . . . . . . . . 42 -

63 - . -4". , I .......... ..... "-.-L..- ~-""""".-~ -

sustituyendo la ecuacit5n 42 en la 41 tenemos que: ( e m ( e m l e n t = dE . . . . . . . . . 43

sustituyendo la ecuacibn 38 en la 43 nos queda lo siguiente:

e P A X dt l s a l - ( e p A X dt l e n t = dE . . . . . . . . - 44

lo anterior en terminos de flujo de masa sería igual a lo siguiente:

( e i dt ) s a t - ( e i dt j e n t = dE . . . . . . . . 45

Por otra parte analizando las interacciones del volumen de control con el medio podemos resumir grificamente lo siguiente:

FIGURA IX-A

DIAGRAMA DE FLUJO PARA EL BALANCE DE ENERGIA

Haciendo un balance tenemos que: 6 Q + 6w = dE . . . . . . . . . . 46 Sustituyendo la ecuaci6n 46 en la ecuacibn 45 se obtiene,

-

60 + dW = ( e i d t ] % - ( e ; dt ) 2 . . . . . . . . . . . . 47 - Donde la energía (e) por unidad de masa representa la suma de la energla interna, la energia cinetica y la energía potencial. El termino dW representa varias formas de interacciones de trabajo. Una forma importante de trabajo que se asocia con l o s sistemas abiertos se denomina trabajo de eje , el cual se origina por el movimiento tangencia1 del esfuerzo cortante del fluido en una paleta o alabe montada sobre un eje rotatorio. La cantidad de trabajo puede entrar o salir del volumen de control, segh se requiera. Ademis se debe tener en cuenta el trabajo que se requiere para mover la masa hacia dentro o hacia afuera del volumen de control . A este tipo de trabajo se le denomina trabajo de f l u j o . Si consideramos el trabajo que se requiere para empujar la masa de control dentro del volumen de control esta dada por la fuerza PA a traves de una distancia wdt, lo mismo se cumple al mover hacia fuera la masa de control, de lo anterior resulta que:

= 9 4 dt Y = P A w d t 2 2 2 . . . . . . . . . . . 48 - Sustituyendo la ecuaci6n 38 en 48 nos queda lo siguiente:

O

CbJ = P v E d t 1 i l l

Sustituyendo las diferentes formas de interacci6n de trabajo en la ecuacidn 47 se obtiene

O O O O

5Q + eje + ( Pivimidt 1 + -P2v2m2d t j = e2m2d t - eimid t

agrupando tdrminos se encuentra que: O O

eQ + eW IC ja = (ep + PaV2)m,dt - (ei + P,vi)midt . . . . . . . . . . . . 51

A continuacidn se definen el trabajo y el calor con relaci6n al tiempo.

I - SWoje 6Q 6 - 0 - -"" y Q - "" . . . . . . . . . . . . . . . .

eje - dt 52 - dt -

Si dividimos la ecuacidn 51 entre dt y sustituimos 52 nos queda

6 + i . = ( e + ~ v ) A - { e + ~ v ) A . . . . . . . . . . . . 53 J- a d e entra.

No se le han puesto subfndices a porque en condiciones estables mi= m2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

En terminos de la unidad de masa el principio de conservacibn de 1 energla, para volomenes de control con una sola entrada y una sola salida se expresa de la siguiente manera. Y puesto que = Gm/dt la ecuaci6n 53 queda como: ! I

O O

-

5 w + 6w = (e + PV)=dm - (e + P ~ ) ~ d m . . . . . . . . . . . . . eje 55

Integrando para un tiempo dt durante el cual una unidad de masa ~

entra y otra sale, nos queda que:

. . . . . . . . . . . . . 56

Tanto la ecuaci6n 55 como la 56 son enunciados muy importantes del principio de conservacidn de energla para un volumen de control en condiciones estables. Si se restringe a sustancias simples y compresibles la energla (e ) incluye a la energía interna, energla cinbtica y potencial gravitacional de la corriente de flujo. En este caso ( e ) esta definida como:

e = u + v2 + gz . . . . . . . . . . . . "- 57 2

Sustituyendo 57 en 56 tenemos que: v2 V2

. . . . . . . . . . . . 9 + weje = (u+Pv+-" + g q & - (u+Pv+---+gzLntra, 5t3

2 2

Pero a h = u+Pv y sustituimos v'

Reagrupando

q + w = o je

El subí ndice

en 58 V2

terminos nos queda que

v' - v: 2 . . . . . . . . . . 59 -

1 designa la entrada y el 2 la salida. Haciendo lo mismo (h=u+Pv) en la ecuacidn 55 nos queda que:

v2 V a 6 + 6 CI b. = (h+"-+gzinl_ I;; (h + -2-

-.I- 2 O U L I + =%?m

Reagrupando terminos nos queda que v2 - v2

6 + i O 2 - í m { ( Q -p ) + -------- eje + €q ;z 2

. . . . . . . . . . . 62

La ecuaci6n 59 es la ecuaci6n del balance de energía a aplicar por unidad de masa en un sistema abierto a condiciones de flujo estable y unidireccional asi mismo la ecuaci6n 60 representa el balance de energía pero en la unidad de tiempo.

66 ....... " - ~ ~ " ............

B. GENERADORES DE VAPOR. Las expresiones generador de vapor o unid& generadora de vapor significan la caldera con su hogar mAs todos los diversos accesorios, como el equipo quemador de combustible, el recalentador, el economizador y el calentador de aire. El termino caldera se aplica estrictamente a aquella parte de la unidad en la cual el agua ( o otro líquido, en general 1 se vaporiza. A l principio, un generador consistia solamente en una caldera, nombre que se ha aplicado a todos los tipos de generadores de vapor. (ref. 7).

Clasificacion: Los generadores de vapor se

- Por la posicibn relativa de l o s gases calientes y del agua

- Por la posicibn de los tubos en Verticales, Horizontales e

- Por la forma de l o s tubos , de tubos rectos y de tubos

,- Por el servicio que prestan en fijas, portatiles,

*

clasifican:(ref. 1 4 )

en: Acuotubulares y Pirotubulares.

i nc 1 i nudos.

curvados. S

locomoviles y marinas.

CALDERAS PIROTUBULARES. (ref. 14) En estas calderas los gases calientes pasan por el interior de

l o s tubos, los cuales se hallan rodeados de agua. Generalmente tienen un hogar integral ( denominado caja de fuego limitado por superficies enfriadas por agua. En la actualidad, las calderas pirotubulares horizontales con hogar integral se utilizan en instalaciones de calefaccidn a baja presibn, y algunos tipos mis grandes son usados para producir vapor a presidn relativamente baja destinado a calefaccibn y a produccidn de energía.

pirotubular horizontal de cuatro pasos , el cual puede quemar "fuel-oil" o gas, estando completamente equipado con controles automAticos, ventiladores de tiro inducido y forzado, y otros accesorios. La unidad va montada sobre un bastidor que facilita su instalacibn y transporte. La cimara de combustibn se prolonga a lo largo de la caldera; los gases son dirigidos por placas divisoras, de forma que siguen cuatro pasos a traves de aquella. En los generadores de vapor de este tipo, l o s tubos son accesibles desde tapas y puertas desmontables situadas en la parte anterior y posterior. Por otra parte, la buena mezcla entre el combustible y el aire se consigue, mediante planchas deflectoras colocadas en la entrada de aire. Los pirotubos sirven para mantener en posicidn la plancha portatubos contra la presi6n interna; para este mismo fin en la parte alta de la camara de vapor van una serie de virotillos y roblones. Las calderas de este tipo se construyen en tamaf'íos comprpdidos entre 15 y 500 HP. con presiones relativas de 1 a 17 kg/cm .

La figura IXB representa un generador moderno de vapor

Componentes: Consta de: (ref. 12) Cuerpo Hogar Chimenea Accesorios

SOPLADOR DE CiRCULAClON FORZADO E 9

BOMBA DEL ACEITE

t b SALIDA DEL VAPOR

TI n TRAYECTORIA DEL G A S DE CUATRO PASOS

PASO PASO

PASO

PASO

F I G U R A I X B CALDERA PIROTUBULAR DE 4 P A S O S

4 3

I

2

F I G U R A IXC

HOGAR

HOGAR. El hogar de la caldera o c6mara de combustick, es un tubo que esti rodeado de agua la cual se convertira en vapor, en este espacio se encuentra el quemador, donde se lleva a cabo la combusti6n. Es precisamente en el hogar, donde se lleva a cabo la liberaci6n de la energia química del combustible que al transmitirse a agua producir& vapor de agua en las condiciones que el proceso requiera. ( Ver figura IXC )

Accesorios. Los accesorios que generalmente llevan las calderas son: mandmetros, nivel de agua, regulador del agua de alimentacibn, valvulas de seguridad, tapones fusibles, purgadores, sopladores de hollín, indicadores de tiro y aparatos de control.

SUPERFICIE DE CALEFACCION. Es la superficie de metal que esta en contacto por un lado

con el agua y por el otro esti expuesta al fuego o a la corriepte de los gases de la combustitm. Se mide del lado de los gases en m , en las calderas de tubos de humo y por el lado del agua en las calderas de tubos de agua.

CABALLO CALDERA. Se dice que una caldera tiene una capacidad de un caballo caldera, cuando es capaz de producir 15.65 Kg / hr de vapor saturado a una temperatura de 3 7 3 O K , utilizando agua de alimentaci6n a la misma temperatura.

Cuando esta cantidad de vapor se produce por cada m de superficie de calefaccidn se dice que la caldera esta trabajando al 100% de carga.

En las calderas pequefias, como son las compactas, la capacidad se expresa en caballos de caldera, CC.

2

EFICIENCIA DE UNA CALDERA. (ref. 12) La eficiencia de una caldera es la relaci6n entre el calor

aprovechado por el flufdo ( agua y vapor ) y el calor que suministra el combustible, en una hora.

La eficiencia de una caldera es determinada por l o s siguientes dos factores:

1) DiseKo de la caldera y limpieza de las superficies de calefacci6n, tanto del lado del agua como del lado de los gases, son los factores que permiten la transferencia de calor al agua. Buen diseKo y superficies limpias representa maxima transferencia de calor y menos perdidas por la chimenea.

2) DiseKo del quemador y habilidad de 6ste para'ser ajustado y sostener la relacibn aire-combustible.

Todos los quemadores requieren un exceso de aire adicional a la cantidad de aire qufmicamente necesario para la combusti6n, ya que , si se suministra una cantidad de aire insuficiente para la combustibn, la flama humeari y cubrir& los tubos de hollln y carb6n.

Tipos de eficiencia. Son tres tipos: 1) Eficiencia de combusti6n. Esti relacionada directamente

con la capacidad del quemador para llevar a cabo la mezcla aire-combustible.

2 ) Eficiencia termica. Es la calor de los gases de combusti6n al cuenta las perdidas por radiacidn y caldera o en las tapas, etc.

efectividad de la transmisi6n de agua en los tubos; no toma en conveccidn en el cuerpo de la

3) Eficiencia total de la caldera. Es la relacidn entre el calor aprovechado por el fluido y el calor que sumistra el combustible al mismo.

PHODUCCION DE VAPOR EN CALDERAS. (ref. 12) Medicidn directa de vapor El calor total transmitido por las superficies de caldeo esti

dada por: ref. 9

CALCULO DE LA EFICIENCIA TOTAL.

CASO 1. METODO DIRECTO (ref. 14)

La eficiencia total de una caldera de vapor en condiciones de funcionamiento cualesquiera, es la relacidn entre el calor transmitido al vapor y la energía suministrada en forma de combustible.

r)v= """""""""_ md IR PCC

. . . . . . . . . . . 62 O

ESTIMACION DEL VAPOR SUPONIENDO UNA EFICIENCIA. Las efiCienCiaS generalmente obtenidas ( ref. 13 ) en un

generador de vapor, tipo tubos de humo, 4 pasos, hogar interior alimentado Con Petrdleo crudo o aceite ligero son del rango de 80 a 85 Z .

Despejando el flujo de vapor de la ecuacidn 62

O

O

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CASO 2. METODO INDIRECTO (ref. 12)

~1 termino de perdidas puede calcularse de acuerdo al procedimiento recomendado por SELMEC consiste en lo siguiente:

1 .- Cilculo de perdidas de Calor, 6 , a traves de la chimenea.

Datos: Contenido de CO2 en gases Temperatura de gases Temperatura ambiente

De la tabla 1E ( ref. 6 1 se utilizan los datos de carburacidn en flama media. COZ 11

Tg = 224 C = 497 OK Ta = 24 C = 297 OK pCc,eee, = 44,790 k J / k g

para un consumo de combustible de: m = 200 Its. / hr d

Utilizando los datos anteriores en la tabla 1E referencia 12 tenemos que el Porcentaje de Perdidas de Calor = 11.8 X (por gases de chimenea).

Its. kg kJ calor comb. = 200 --- * ( 0.861 ---- ) * 44.790 ------ suministrado hr It

kJ = 7’712,838 -””-

hr Estimando en un 2% en perdidas por convecci6n

entonces el termino quedarla:

PBrdidas = 11 .8 + 2 = 13.8 %

kg

y radiacibn,

C. INTERCAMBIADORES DE CALOR CON PLACAS. Los intercambiadores de calor de placas pueden funcionar con llquidos que tengan pequeKas diferencias de temperatura, ejemplo de lo anterior serfa un cambiador de calor de placas que utiliza condensados a 7 4 C para elevar la temperatura del agua de temperatura ambiente a 65 C. Presentan caracterlsticas muy apropiadas, ya que son de costos accesibles, de operacidn confiable y de facil mantenimiento.

En este tipo de intercambiador el fluido primario y secundario se encuentran separados por una delgada membrana metalica corrugada, lo anterior es con el objeto de provocar turbulencia para lograr una mixima transferencia de calor. Cada placa del intercambiador esta provista de un empaque, que sella eficazmente el fluido que se esta calentando o enfriando. Una instalacihn requiere de varias placas, montadas en un marco y apoyadas en una pared rlgida y fija en uno de los extremos.

Las ventajas de un intercambiador de este tipo sobre el convencional de tubos y carcaza, son:

a.- Requiere de una Area de intercambio pequeKa. b.- Se logra una mejor distribucidn de los fluidos. c.- MAS facilidad de limpieza. d.- Menores cafdas de presibn, en uno o ambos fluidos. e.- La capacidad del intercambiador se puede variar,

aumentando o reduciendo el ndmero de las placas.

El material comunmente utilizado en la construccidn de estos equipos es el acero inoxidable.

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