TEMAS DE INGENIERIA PARA MOLINEROS DE ARROZ

SICROMETRIA TERMODINAMICA

MARZO 9, 2007

CONCEPTOS BASICOS

• Higroscopicidad,• Humedad de equilibrio grano-aire,• Humedad relativa,• Humedad absoluta,• Carta sicrométrica,• Cantidad de calor necesaria para

evaporación humedad del grano,• Generación y transporte de calor.

CARTA SICROMETRICA

LOS GRANOS SON MATERIALES HIGROSCOPICOS

• Tienden a recibir o entregar humedad al ambiente que los circunda.

• Es decir tienden a equilibrar su humedad con la de los espacios intersticiales.

• Se han estudiado las humedades de equilibrio de diferentes granos en diferentes condiciones.

Esta es una de las tablas aplicables al arroz

38100

3595

3290

2985

2780

2475

2170

1865

1660

1355

1050

745

440

235

CF

tropicales

TABLAS ISOTERMAS

• Las tablas difieren un poco para las diferentes variedades y según el secado haya sido continuo o haya tenido procesos de “rehumedecimiento”, pero para efectos prácticos las cifras anteriores pueden considerarse adecuadas.

• La temperatura ambiente de los Llanos Colombo Venezolanos, durante la noche, se puede estimar en 75 F (24 C)

TABLAS ISOTERMAS

• Se ve claramente que, con aire a temperatura ambiente, si la humedad relativa es superior a 60 %, la humedad de equilibrio que alcanza el grano, con suficiente tiempo, es superior a la que puede considerarse segura para almacenaje: 12.5% aproximadamente.

EJEMPLO

• La temperatura ambiente mínima del Meta durante la noche se puede estimar en 75 F (24 C)

• Con aire a temperatura ambiente, si la humedad relativa es superior a 60 %, la humedad de equilibrio que alcanza el grano, con suficiente tiempo, es superior a la que puede considerarse segura para almacenaje: 12.5% aproximadamente.

24oC= 75oF

TABLAS ISOTERMAS

• Si la temperatura se aumenta a 100 F (38 C), la utilizada normalmente en albercas secadoras, se consigue el efecto de reducir la humedad relativa del aire como se indica en la tabla siguiente (preparada con una carta sicrométrica).

EJEMPLO

• Por ejemplo, con aire de HR de 90%, no se extrae humedad del grano con humedad superior a 16%,

• Con aire de HR de 80%, el límite sería grano con humedad superior a 14.1%

• Con aire de HR 70%, el límite sería grano con humedad superior a 12.8%.

EJEMPLO, SECAMIENTO

• Si la temperatura se aumenta a 38 C (100 F), la utilizada normalmente en albercas secadoras, se consigue el efecto de reducir la humedad relativa del aire como se indica en la tabla siguiente (preparada con una carta sicrométrica).

10.2%47%100%

9.7%41%90%

8.7%35%80%

8.4%32%70%

HUMEDAD DE

EQUILIBRIO

DEL GRANO

HUMEDAD DEL

AIRE

DESECANTE AL

CALENTARLO

A 38 C

HUMEDAD

AMBIENTE A

24 C

HUMEDAD DE EQUILIBRIO A 38 C

EJEMPLO, SECAMIENTO

• Es decir que, aún con aire ambiente de alta humedad, se consigue extraer humedad de arroz si la temperatura de secado es de 38C.

• Naturalmente, la velocidad de secado disminuye gradualmente a medida que la humedad relativa del aire desecante aumenta.

CONCEPTOS BASICOS DE MOVIMIENTO DE AIRE

• ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN UN SISTEMA DE AIRE:– VENTILADOR

– CAMARAS DE AIRE (PLENUMS)

– QUEMADORES O CALENTADORES

– DUCTOS DE TRANSFERENCIA

– CAPAS DE GRANO

– DESCARGAS DE AIRE

CONCEPTOS BASICOS DE MOVIMIENTO DE AIRE

• FUNCIONES DEL AIRE EN EL SECADO DE GRANOS:– TRANSPORTAR CALOR HASTA LA CAPA DE GRANO

– REMOVER LA HUMEDAD EVAPORADA

– PERMITIR LA COMBUSTIÓN DEL PRODUCTO UTILIZADO PARA CALENTAR EL AIRE

CONCEPTOS BASICOS DE MOVIMIENTO DE AIRE

• PRESION ESTATICA, ES LA RESULTANTE DE:– FRICCION DE LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA,

– TURBULENCIAS,

– ESPESOR DE LA CAPA DE GRANO (ESTUDIADA POR C.K.SHEDD),

– CANTIDAD DE AIRE FORZADA,

– CUIDADO DEL DISEÑO

CONCEPTOS

• MEDICION DEL AIRE: EQUIPOS,– MANOMETROS,

– ANEMOMETROS,

– TUBO PITOT

• FORMAS DE MEDIR EL VOLUMEN DE AIRE EN SILOS O ALBERCAS DE GRANOS– GRAFICAS DE C.K. SHEDD,

– SOFTWARE ESPECIALIZADO.

SECADO Y SECADORAS DE GRANOS, CONCEPTOS BASICOS

• ELEMENTOS DE UNA SECADORA– ENTRADA DE AIRE,

– VENTILADOR

– QUEMADOR

– DUCTOS

– PUERTAS DE DUCTOS A PLENUMS

– CÁMARAS PLENUM

– EQUIPOS PARA CARGUE Y DESCARGUE DE GRANO;

– RECIPIENTE PARA GRANO.

MEDICION DEL AIRE, TUBO PITOT

PRESION TOTAL

PRESION

DE

VELOCIDAD

PRESION ESTATICA

MEDICIONES EN DUCTOS CON AIRE

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

2 D 2 D

P t

D

P e P IT O T

P e

P t

P v = P t - P e

V ( P I E S / M I N U T O ) = 4 0 0 5 ( P V ) 1 /2

PRESIONES DE VELOCIDAD EN DUCTOS, EN

FUNCION DE DIFERENTES VELOCIDADES DE AIRE

• VELOCIDAD ALTURAS SOBRE EL NIVEL DEL MAR

• pies/minuto metros

• 0 300 600 900 1200

• 3500 0.73 0.70 0.67 0.65 0.62

• 3000 0.53 0.52 0.10 0.48 0.45

• 2500 0.37 0.26 0.34 0.33 0.32

• 2000 0.24 0.23 0.22 0.21 0.20

• 1500 0.13 0.13 0.12 0.12 0.11

• 1000 0.06 0.06 0.05 0.05 0.05

• 750 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03

• 500 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01

PV

RESISTENCIA AL PASO DEL AIRE EN SECADORAS DE GRANOS

• SE GENERA POR: GRANO, DUCTOS, CONVERSIONES, OBSTRUCCIONES– SE MIDE CON MANOMETROS DE

COLUMNA DE AGUA DIRECTOS O INDIRECTOS

– EL FLUJO DE AIRE SE ESTIMA CON AYUDA DE LAS TABLAS DE C.K.SHEDDO DE “SOFTWARE” ESPECIALIZADO.

MEDICION DEL AIRE EN UNA SECADORA, EJEMPLO

Ventilador centrífugo 1.008 Secadora

Entrada de aire(1.08x0.83)

Lecturas de velocidad del aire Expulsión de aire

Quemador de diesel

EJEMPLO, MEDICION DEL AIRE EN UNA SECADORA

Tanque de alimentación

de arroz húmedo

Duelas con grano

Salida de aire a la atmósfera

Cámara de aire

Reguladores de velocidad de descarga

SECADORAS COLUMNARES UTILIZADAS EN CENTROAMERICA

EJEMPLO, RESULTADO DE MEDICIONES

• PRESIÓN ESTÁTICA VENCIDA POR EL VENTILADOR: – EN LA EXPULSIÓN: 0.77” DE C.A.,

– EN LA SUCCIÓN: 0.20” DE C.A..

• PRESIÓN ESTÁTICA TOTAL VENCIDA: 0.97” DE C.A. (0.77 + 0.20)

• DATOS DE LA PLACA DEL MOTOR: 220 VOLTIOS, COSENO FI 0,86, EFICIENCIA 0.85, 7.5 HP.

EJEMPLO

Ventilador centrífugo 1.008 Secadora

Entrada de aire(1.08x0.83)

Lecturas de velocidad del aire Expulsión de aire

Quemador de diesel

0,20” DE C.A. 0,77” DE C.A.

MEDICIONES

• CONSUMO PROMEDIO DEL MOTOR ELÉCTRICO: 7.4 AMPERIOS.

• TEMPERATURA DE SECADO: 170º F.

• TEMPERATURA AMBIENTE: 76º F.

• VELOCIDAD MEDIDA CON ANEMOMETRO (NO CON PITOT): 6.123 PIES/MINUTO

• CFM= 6.123 (AREA X VELOCIDAD MEDIDA CON ANEMOMETRO)

RESULTADOS

• BHP= [(3)1/2 x 7.4 (amp.) x 208 (volt.) x 0.86 (f.p) x 0.85 (eff.)] / 746 = 2.63 HP.

• AHP = 0.000157 x 0.97” (“c.a) x 6.123 (c.f.m) = 0.93 HP.

• Eficiencia del sistema de aire (AHP/BHP)= 0.93/2.63 = 35%

• Capacidad secciones activas secadora: 7.728 – 6.530 = 1.198 kg x 50 (bushellspor tonelada) = 60 bushells

MEDICIONES

• Cantidad de aire aplicada por bushell: 6.123/60 = 102 CFM/bushell.

• Humedad del grano: 24%,

• Humedad final: 11%

• Tiempo de secado neto: 15 horas (10 horas en el primer paso, 2 horas en reposo, 5 horas en segundo paso).

• BTU/hora = 6.100 x (170 – 90) x 1.08 = 527.000 BTU/hora, que equivalen a 527.000/135.000 (BTU por galón de Diesel) = 4 galones por hora.

MEDICIONES

• Consumo de combustible por punto de humedad removida y por tonelada: 60/100.5 = 0.6 galones por punto y por tonelada.

• Contra un estándar de 0.25 galones por punto de humedad removida y por tonelada de grano.

CAPACIDAD DE TRANSPORTE DE

CALOR

• BTU/HORA = CFM X INCREMENTO DE T (OF) X 1.08– POR EJEMPLO, PARA TRANSPORTAR 140.000 BTU EN

UNA HORA CON 10.000 CFM (285 M3/MIN) DE AIRE, LA ELEVACIÓN NECESARIA DE TEMPERATURA DEBE SER DE APROXIMADAMENTE 23.4 OF (13 OC),

– MIENTRAS QUE LA ELEVACIÓN DE TEMPERATURA SE REDUCE A LA MITAD 17.7 OF, (6.5 OC) SI EL VOLUMEN DE AIRE SE DUPLICA A 20.000 CFM (570 M3/MIN)

CONSUMO DE CALOR PARA

EVAPORACION

• 1 LIBRA DE AGUA, EXTENDIDA SOBRE UNA SUPERFICIE, REQUIERE PARA SU EVAPORACIÓN APROXIMADAMENTE 1.100BTU.

• EN EL SECADO PRÁCTICO DE GRANOS SE CONSUMEN ENTRE 1.600 Y 2.500 BTU/LIBRA, DE ACUERDO CON LA HUMEDAD DEL GRANO, EXTRACCIÓN DE HUMEDAD EN CADA PASO Y USO DE ATEMPERAMIENTOS.

CONSUMO DE CALOR PARA

EVAPORACION

• EJEMPLO: SI SE SECA ARROZ DE 22% A 12%, EN 4 PASOS, CON ATEMPERAMIENTOS DE 6 U 8 HORAS, EL CONSUMO PROMEDIO PUEDE ESTIMARSE EN 1.700 O 1.800BTU/LIBRA.

• SI EL SECADO ES DE 22% A 12% Y SE HACE EN DOS PASOS, CON REPOSO DE 6 U 8 HORAS, EL CONSUMO PUEDE ESTIMARSE ENTRE 2.000 Y 2.200 BTU/LIBRA

COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS

• KCAL/KG.

• MADERA DE EUCALIPTOS 3.000

• BAGAZO DE CAÑA 2.200

• CASCARA DE ARROZ 3.300

• PAJA DE TRIGO 2.200

• GAS NATURAL 8.900 A 17.800

• FUEL OIL 9.600

• CARBÓN 4.400

• 1 KILOCALORIA=0.25 BTU

OTROS COMBUSTIBLES

• COMBUSTIBLES LÍQUIDOS

• GRADO BTU/GALÓN

• No 2 DIESEL (gasoil, ACPM) 139.000

• No 4 COMERCIAL 145.000

• No 5 FUEL OIL 149.000

• COMBUSTIBLES GASEOSOS

• GAS LICUADO: 1 GALÓN GENERA APROXIMADAMENTE 100.000 BTU

• GAS NATURAL: 1 PIE CÚBICO GENERA APROXIMADAMENTE 1.050 BTU.

OTROS COMBUSTIBLES

• COMBUSTIBLES SÓLIDOS

• CARBÓN COKE: APROXIMADAMENTE 6 KILOS DE CARBÓN COKE, GENERAN LA MISMA CANTIDAD DE CALOR QUE UN GALÓN DE DIESEL.

CASCARILLA

• Cascarilla de arroz: el calor de combustión de un kilo de cascarilla de arroz, con eficiencia del 100%, es de aproximadamente 12.700 BTU a 13.900 BTU, (3.200 a 3.500 Kilocalorías). Quemadores de buen rendimiento pueden obtener entre 50% y 60% del calor de combustión, en promedio: 6.400 BTU por cada kilo de cascarilla quemado.

USO RACIONAL DE LA CASCARILLAUSO RACIONAL DE LA CASCARILLA

•COMPACTACION HIDRAULICA DE LA CASCARILLA = AHORRO DE FLETES ( 1 : 3.5)

•VENTA DE CENIZAS CON ALTO VALOR COMERCIAL = 100 US$/TON

• COMO COMBUSTIBLE EN QUEMADORES AUTOMATICOS

DE CASCARILLA = CONTROL EXACTO DE LA

TEMPERATURA Y AHORRO DE DINERO CON EL REMPLAZO DE COMBUSTIBLES NO

RENOVABLES

• Compactadorahidraúlica de cascarilla

Pacas compactadas de cascarilla

QUEMADORES DE CASCARA DE ALTA CAPACIDAD,

DISEÑOS TRADICIONALES

Quemador elemental

Parrillas

Remoción manual De cenizas

QUEMADOR DE FUEGO DIRECTO, 600 KG HORA

HOGAR DE UN QUEMADOR DE ALTA CAPACIDAD

QUEMADOR 1.000 KG HORA

QUEMADORES CICLONICOS

QUEMADOR 400 KG POR HORA

ALIMENTADOR CASCARA

Quemador 800 kg por hora Abasteciendo dos secadoras de 40 toneladas por hora cada una.

Entradas de aire caliente

Casetas modificadas para queActúen como “cámaras de mezcla”de aire caliente y frío

Con alta temperatura,Aproximadamente 20% del aire

Con alta temperatura Aproximadamente 80% del aire

CALDERAS DE CASCARILLA

Generación de vapor

Generación de Energía Eléctrica

CALDERA BREMER DE LA FOTO ANTERIOR

CHIMENEA DE LOS MULTICICLONES

CASCARA QUEMADA PRIMER PISO

SEGUNDO PISO

MULTICICLONES

CALDERA

QUEMADOR (PARRILLA), EN EL PRIMER PISO

CONTROL DE MATERIAL PARTICULADO EN LAS

CALDERAS

• Para reducir paso de cenizas por los tubos de la caldera,

• Para reducir las emisiones a la atmósfera

• Por medio de:– Parrillas móviles

– Filtros multiciclones

Reducida cantidad de ceniza

Mayor parte de la ceniza

Parrilla movil, Bennecken y Biochamm

Elementos parrilla móvil Benecke

Movimiento de vaivén

Biochamm elementos de una parrilla móvil

GENERACION DE ELECTRICIDAD

• Se estima que es necesario generar cerca de 1 mega-kw para que la operación sea económica.

• 7.500 kg de vapor por hora generan aproximadamente 1.000 kw-hora.

• 2.120 kg de cáscara por hora generan aproximadamente 7.500 kg de vapor y 1.000 kw-hora.

GENERACION DE VAPOR Y DE ENERGIA ELECTRICA

EVALUACION FINANCIERA,UN CASO REAL

SE HICIERON DOS TIPOS DE ANALISIS

• Evaluación con simple generación de vapor para parboiled.

• Evaluación para generación de vapor para parboiled y de energía eléctrica durante todo el año.

• En el ejemplo siguiente la caldera se trabajaría tres semanas generando electricidad y una semana vapor para “parboiled” + electricidad.

DISPONIBILIDAD DE CASCARA

toneladas8.640Consumo en el año

toneladas2,0Consumo cáscara por

hora

180Días de trabajo por año

Cascarilla consumida en quemadores actuales para secar arroz

toneladas16.800Cascarilla total

disponible

toneladas84.000Equivalente seco

toneladas100.000Paddy húmedo

comprado en el año

180.000.000Costo anual de gas $

15.000.000Costo mensual de gas para parboiled actual $

toneladas874Consumo de cáscara anual para vapor

kg por hora607Consumo de cáscara correspondiente

kg2.500Consumo de vapor por hora

en producción de parboiled5

Dias de trabajo mensuales

EVALUACION DE GENERACION DE VAPOR PARA PARBOILED, CIFRAS EN PESOS

COLOMBIANOS

sin incluir el "peaje" de las redes669.364.706Valor total energía generada $

160Costo total de la energía eléctrica $ kw-hora

20“Peaje” por uso de líneas eléctricas $ kw-hora

pagado a la empresa de energía140Costo promedio $ kw-hora, neto

kw-hora en el año4.781.176Generación total de energía eléctrica

800Kw-hora generados por caldera y turbina

días por año, con la cáscara disponible249

Días posibles (24 horas) de trabajo a plena carga

toneladas por hora de cáscara1,7Consumo caldera a plena carga

por tonelada (costo de transporte básicamente)25.000

Costo de cascarilla comprada a terceros

toneladas por año 2.000Cascarilla comprada a terceros

toneladas por año, después de separar la necesaria para quemadores8.160Cascarilla disponible para caldera

BASES PARA EVALUACION DE GENERACION DE ENERGIA ELECTRICAPesos colombianos (2.400 x dólar)

115.299.824Depreciación, 10 años

46.119.930Mantenimiento anual 4%

1.152.998.240TOTAL

30.000.000Reparación tolvas y equipo transporte cáscara

Con base en información de Bennecke y análisis70.000.000Montaje y puesta en marcha

16.000.000Transporte terrestre y seguros hasta Espinal $

1.036.998.240Subtotal

16%IVA

Aranceles de Brasil a Colombia son muy bajos 15%Flete marítimo + nacionalización

323.900Costo caldera CIF Brasil US$

A) GENERACION DE VAPOR

por dólar2.400Tasa de cambio $

INVERSIONES Y COSTOS DE OPERACIÓN

“BENEFICIOS” DE LA GENERACION DE VAPOR

123.800.070123.800.070123.800.070123.800.070123.800.070

Beneficio anual, incluyendo depreciación $

115.299.824115.299.824115.299.824115.299.824115.299.824Depreciación $

180.000.000180.000.000180.000.000180.000.000180.000.000

Economías en gas, anuales $

171.499.754171.499.754171.499.754171.499.754171.499.754

Costo de operación anual $

Año 5Año 4Año 3Año 2Año 1

valor de la potencia consumida por la misma caldera10.080.000

Consumo de potencia: 50 kw/hora, anual

1,31%TIR, 10 AÑOS=

123.800.070123.800.070123.800.070123.800.070123.800.070-1.152.998.240Flujo neto

123.800.070123.800.070123.800.070123.800.070123.800.070Beneficios

1.152.998.240Inversion

Año 5Año 4Año 3Año 2Año 1Año 0

TASA DE RETORNO, SOLO GENERACION DE VAPOR

Negocio no atractivo

Estimado preliminar300.000.000Instalaciones eléctricas para interconexión con la red $

Se asume que la turbina, generador, y demás elementos necesarios cuestan lo mismo que la caldera, según información de los fabricantes de calderas

1.152.998.240Inversiones en generación de energía eléctrica (50%) $

1.152.998.240Inversiones en producción de vapor $

B) GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA Y VAPOR

% anual14Interes

Años (para capital)1Periodo de gracia

Años4Plazo total

1.563.597.888Valor total

60%Financiación del total

CREDITO PRINCIPAL DEL PROYECTO

SERVICIO DE LA DEUDA

00469.079.366938.158.7331.250.878.310Porción. LargoPlazo. Principal:$

0469.079.366469.079.366312.719.578312.719.578Porción corriente

Principal

32.835.55698.506.667153.232.593197.013.334218.903.704Pago intereses Principal:-$

0469.079.366938.158.7331.250.878.3101.563.597.888Saldo final Capital:-----$

469.079.366469.079.366312.719.578312.719.5780

Menos amortización de crédito $

469.079.366938.158.7331.250.878.3101.563.597.8881.563.597.888Saldo inicial: $

30%30%20%20%0%Pagos anuales de capital

Año5Año 4Año 3Año 2Año 1

anuales$ 18.000.000

Técnico adicional, dedicación medio tiempo, $ 3 millones mensuales, incluye prestaciones

anualmente$ 50.000.000Cascarilla comprada a terceros

durante todo el tiempo de operación de la caldera$ 41.835.294

Consumo de potencia: 50 kw/hora, anual

$ 161.419.754Mantenimiento + depreciación producción vapor

$ 46.119.930Mantenimiento de equipos iniciales 4%

$ 203.419.754Costo de operación turbinas

$ 145.299.824Depreciación equipos adicionales, 10 años

$ 58.119.930Mantenimiento de equipos adicionales 4%

COSTOS DE OPERACION

BENEFICIOS GENERACION DE VAPOR Y ELECTRICIDAD

385.749.869385.749.869385.749.869385.749.869385.749.869“EBIDTA” $

352.914.314287.243.202232.517.276188.736.535166.846.165Beneficio anual $

260.599.648260.599.648260.599.648260.599.648260.599.648Depreciación total $

180.000.000180.000.000180.000.000180.000.000180.000.000Economías en gas anuales, $

669.364.706669.364.706669.364.706669.364.706669.364.706Valor energía generada $

757.050.040822.721.151877.447.078921.227.818943.118.189Costo de operación total $

32.835.55698.506.667153.232.593197.013.334218.903.704Intereses de crédito $

Año 5Año 4Año 3Año 2Año1

“EBIDTA” SIGLA EN INGLES DE: BENEFICIOS ANTES DE COSTOS FINANCIEROS DEPRECIACION E IMPUESTOS

TASA DE RETORNO, VAPOR Y ELECTRICIDAD

21,58%TIR, 10 AÑOS=

352.914.314287.243.202232.517.276188.736.535166.846.165-1.042.398.592Flujo neto

352.914.314287.243.202232.517.276188.736.535166.846.165

Beneficios, incluyen depreciación

1.042.398.592Inversión

Año 5Año 4Año 3Año 2Año 1Año 0TASA DE RETORNO

Negocio atractivo

$ 654.000.00046,92200 (US$ 0,083)

$ 565.000.00038,64180 (US$ 0,075)

$ 475.000.00030,24160 (US$ 0,066)

$ 385.000.00021,58140 (US$ 0,058)

"EBIDTA" ANUALTIR %Energía eléctrica $ kw-hora

ANALISIS DE SENSIBILIDAD, PESOS COLOMBIANOS