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Doctor en Ciencias Teacutecnicas (PhD) Instituto Superior Politeacutecnico Joseacute Antonio Echeverriacutea Cujae Vicedecano Investigaciones y Postgrado Profesor Auxiliar Departamento Ingenieriacutea Quiacutemica Facultad de Ingenie-riacutea Quiacutemica osneyquimicacujaeeducu

Doctora en Ciencias Teacutecnicas (PhD) Instituto Superior Politeacutecnico Joseacute Antonio Echeverriacutea Cujae Jefe Grupo de Investigaciones Anaacutelisis de Procesos Profesora Titular Consultante y de Meacuterito Departamento In-genieriacutea Quiacutemica Facultad de Ingenieriacutea Quiacutemica lourdesquimicacujaeeducu

Ingeniera Quiacutemica Instituto Superior Politeacutecnico Joseacute Antonio Echeverriacutea Cujae nllanesquimicacujaeeducu

Ingeniera Quiacutemica Instituto Superior Politeacutecnico Joseacute Antonio Echeverriacutea Cujae Teacutecnico de Laboratorio Laboratorio de Calidad en UEB ldquoRonera Occidentalrdquo Empresa de Bebidas y Refrescos de La Habana ne-livertlopeznautacu

Correspondencia Osney Peacuterez Ones Facultad de Ingenieriacutea Quiacutemica Cujae Calle 114 No 11901 e Cicloviacutea y Rotonda Apartado 6028 Maria-nao 15 CP 19390 La Habana Cuba Teleacutefono (537) 266-3350

Osney Peacuterez OnesLourdes Zumalacaacuterregui de Caacuterdenas

Nayla Llanes CalderinInstituto Superior Politeacutecnico Joseacute Antonio Echeverriacutea CUJAE (Cuba)

Nelivert Loacutepez ValdeacutesUEB ldquoRonera Occidentalrdquo Empresa de Bebidas y Refrescos de La

Habana (Cuba)

ARTIacuteCULO DE INVESTIGACIOacuteN RESEARCH ARTICLE

Reduccioacuten del consumo de agua deenfriamiento del aacuterea de soplado

de botellas plaacutesticas en una ronera

Cooling water reduction in the plasticbottles blowing area at a rum industry

Volumen 32 no 2Julio-diciembre 2014ISSN 0122-3461 (impreso)

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Reduccioacuten del consumo de agua de enfRiamientodel aacuteRea de soplado de botellas plaacutesticas en una RoneRa

261Ingenieriacutea y Desarrollo Universidad del Norte Vol 32 ndeg 2 260-278 2014ISSN 0122-3461 (impreso)2145-9371 (on line)

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4Resumen

Se presenta el anaacutelisis de la condensacioacuten del refrigerante del sistema de refrigeracioacuten del aacuterea de soplado de botellas plaacutesticas de una ronera que suministra agua tratada a la temperatura exigida en el proceso de soplado Se calculoacute el calor cedido en la maacutequina sopladora y el flujo maacutesico de agua en el condensador El coeficiente de funcionamiento del ciclo (COP) resultoacute 244 con rendimiento relativo de 51 Se usoacute el software HYSYS para simular el ciclo de refrigeracioacuten analizando la influencia de la presioacuten y de la refrigeracioacuten en sus paraacutemetros Para mejorar el funcionamiento del ciclo de refrigeracioacuten se analizaron tres alternativas utilizar una torre de enfriamiento de plaacutestico de tiro forzado a contracorriente de 25 m de diaacutemetro y 6 m de alto construir un estanque de enfriamiento de agua de 100 m2 y la sustitucioacuten del refrigerante actual La 2 resultoacute la mejor alternativa para la cual se requiere una inversioacuten de $ 21 508 con tasa interna de rendimiento (TIR) 449 superior a la tasa de intereacutes de la empresa (12 ) y retorno sobre la inversioacuten (RSI) 532 superior al 30 El plazo de recuperacioacuten de la inversioacuten es de 19 antildeos De acuerdo con los indicadores econoacutemicos la inversioacuten es atractiva

Palabras clave botella de ron termoplaacutestica ciclo de refrigeracioacuten torre de enfriamiento

Abstract

In this paper the refrigerant condensing system in the plastic bottles blowing area at Rum industry is presented Target values of temperature and water quality should be obtained for a good process Rejected heat at the blowing machine and the water flow at the condenser were cal-culated Refrigeration cycle COP was 244 with 51 relative efficiency Refrigeration cycle was simulated using HYSYS Influences of pressure and refrigeration on the cycle parameters were analyzed Three variants were evaluated in order to improve the refrigeration cycle a plastic forced-draft cooling tower 25 m diameter and 6 m height a cooling pond 100 m2 and the substitution of the refrigerant The best variant was number 2 with $21 508 as investment with IRR 449 higher than 12 and ROI 532 higher than 30 The investment is recovered in a year

Keywords thermoplastic rum bottle refrigeration cycle cooling tower

Osney Peacuterez Ones Lourdes Zumalacaacuterregui de CaacuterdenasNayla Llanes Calderin Nelivert Loacutepez Valdeacutes

262 Ingenieriacutea y Desarrollo Universidad del Norte Vol 32 ndeg 2 260-278 2014ISSN 0122-3461 (impreso)

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1 INTRODUCCIOacuteN

La regla general de que los envases debiacutean ante todo proteger el producto y facilitar su transporte ya no es aplicable sin reservas Los envases tienen que reunir los nuevos requisitos que exigen los consumidores el comercio y la proteccioacuten del medio ambiente Aparte de ser aptos para su funcioacuten elemental los envases han de ofrecer la posibilidad de fabricarlos econoacute-micamente de reutilizarlos razonablemente y de eliminarlos con seguridad al final de su ciclo de vida

El tereftalato de polietileno (PET) conocido tambieacuten como polieacutester termo-plaacutestico estaacute siendo utilizado como material para fabricar los envases y estaacute reemplazando al vidrio y en grado creciente al cloruro de polivinilo (PVC) y otros plaacutesticos con los que todaviacutea se fabrican botellas y envases similares de consistencia sinteacutetica Las virtudes del PET convencen cada diacutea maacutes a usuarios y consumidores [1] En el mundo se utilizan los envases de PET para bebidas comida alcohol cosmeacuteticos productos farmaceacuteuticos y productos de limpieza entre otros [2] La Federacioacuten de Ecologiacutea y Proteccioacuten de la Naturaleza (BUND) institucioacuten conocida por su postura criacutetica respecto al enmascaramiento de los hechos por la industria confirma que con 20 a 25 ciclos de uso del envase el PET resulta maacutes ecoloacutegico que el vidrio [1]

Debido a las innumerables ventajas de la utilizacioacuten de los envases PET Cuba ha introducido su uso en algunas industrias una de las cuales es la faacutebrica de ron en que se realiza el trabajo que cuenta con una liacutenea de produccioacuten para el soplado de botellas de este material que permite el au-toabastecimiento del centro asiacute como la distribucioacuten de las botellas a otros establecimientos de la empresa y del paiacutes

Para la obtencioacuten de las botellas PET se cuenta con una maacutequina sopladora automaacutetica modelo HL-5000 la cual para garantizar la eficacia en el proceso de soplado de botellas plaacutesticas debe funcionar acoplada a un sistema de enfriamiento que posibilite que el agua que llega a la sopladora proveniente del evaporador de la maacutequina de refrigeracioacuten tenga una temperatura cer-cana a los 290 K para evitar deficiencias en la conformacioacuten (quemaduras o deformidades) Para ello el retorno del agua desde la sopladora hacia el evaporador debe tener una temperatura maacutexima de 296 K



Por otra parte por deficiencias de disentildeo para lograr la condensacioacuten del refrigerante en el ciclo de refrigeracioacuten la faacutebrica necesitaba interrumpir el proceso de produccioacuten dos veces en el turno de trabajo para reponer aproximadamente 5 m3 de agua de enfriamiento diarios al obtenerse va-lores medios de temperatura de entrada de esta agua de 313 K en lugar de los 299 K requeridos para alimentar al condensador Este hecho provocaba la discontinuidad del proceso un consumo adicional y ademaacutes un incre-mento en los costos unitarios por cuanto el medio de enfriamiento es agua suavizada de mayor consumo de energiacutea y materiales [3]

Hoy maacutes que nunca es necesario producir con eficiencia debido a la nece-sidad de ahorrar recursos naturales de lo cual se deduce que si se dispone de un adecuado sistema de condensacioacuten del refrigerante en la maacutequina de refrigeracioacuten se podraacuten reducir las peacuterdidas de agua en la ronera asiacute como las paradas del aacuterea de soplado de botellas plaacutesticas

Por lo anterior en este trabajo se persigue como objetivo analizar soluciones que posibiliten la condensacioacuten del agua de enfriamiento del actual sistema de refrigeracioacuten para solucionar el problema del gasto innecesario de agua en la ronera y las afectaciones econoacutemicas por esta causa

2 METODOLOGIacuteA

Descripcioacuten del flujo productivo del proceso deconformado de pomos plaacutesticos

El proceso de conformacioacuten de las botellas comienza con la colocacioacuten de las preformas en un colector y mediante una estera transportadora ascienden hasta la estera acomodadora de donde entran a la maacutequina sopladora Las preformas se transportan dentro del horno el cual se enfriacutea por la parte inferior para que el cuello de las futuras botellas no sufra deformaciones El resto del envase recibe energiacutea caloriacutefica producida en ocho zonas de calentamiento que cuentan con un total de 48 laacutemparas y laacuteminas de acero inoxidable con acabado de espejo frente a ellas Las preformas pasan al molde en el que luego de una inyeccioacuten de aire quedan conformadas las botellas De aquiacute pasan al colector final y se procede al embalaje colocando 70 pomos en bolsas de nylon para su almacenamiento distribucioacuten y pos-terior utilizacioacuten Paralelo a esto se realiza la operacioacuten de ablandamiento



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del agua en la planta de tratamiento usando una resina catioacutenica [4] En la figura 1 se presenta un esquema del flujo del proceso de produccioacuten de las botellas plaacutesticas

Embudo colector estera y acomodador

Sistema de refrigeracioacuten

Horno Molde Colectorfinal

Figura 1 Diagrama de flujo

Evaluacioacuten del ciclo de refrigeracioacuten

Para la evaluacioacuten del ciclo de refrigeracioacuten (figura 2) se requiere conocer los paraacutemetros que se presentan en la tabla 1

Figura 2 Esquema del sistema de refrigeracioacuten del agua

1

2











1

2

Tabla 1 Datos de intereacutes tomados en la instalacioacuten

Cantidad de laacutemparas calentadoras en la maacutequina sopladora

1 200 W 362 000 W 12

Temperatura del agua en el evaporador (K) Entrada 296Salida 290

Presioacuten a la salida (MPa)Compresor 25

Condensador 25Evaporador 05

Refrigerante utilizado - R- 22

De la figura 3-35 del Manual del Ingeniero Quiacutemico de Perry [5] se obtuvieron los valores de entalpiacutea y entropiacutea del refrigerante a la salida de cada equipo integrante del ciclo

Procedimiento de caacutelculo seguido para la evaluacioacutendel ciclo de refrigeracioacuten

1 Caacutelculo del calor que se intercambia en la maacutequina sopladora para con-formar las botellas plaacutesticas (Qabs agua soplad) se calculoacute el calor cedido por las laacutemparas de calentamiento ubicadas en la maacutequina sopladora y se consideroacute un 5 de peacuterdidas de energiacutea teacutermica en el intercambio de calor con el agua de enfriamiento en la sopladora

Qabs agua soplad = n P095 (1)

Donde n cantidad de laacutemparas y P potencia de la laacutempara (kW)

2 Caacutelculo del flujo maacutesico de agua (magua evap kgs-1) y refrigerante Freoacuten-22 (mref kgs-1) en el evaporador considerando intercambio adiabaacutetico

Qabs agua soplad = -Qced agua evap = Q abs refrig evap (2) mrefrig= Q abs refrig evap (h1 - h4) (3)

magua evap = -Qced agua evap (Cp ∆T) (4)



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Donde Cp capacidad caloriacutefica especiacutefica (kJkg-1K-1) h entalpiacutea (kJkg-1) ΔT variacioacuten de temperatura del agua en el evaporador (K) Qcedido agua evap calor cedido por el agua en el evaporador (kW) Qabs refrig evap calor absorbido por el refrigerante en el evaporador (kW)

3 Caacutelculo del flujo de agua en el condensador (maguacond) (kgs-1) se determi-noacute para lograr una variacioacuten de temperatura del agua desde 313 a 299 K

Qced ref cond = Qabs agua cond (5)

maguacond= mref (h2 - h3)(Cp ∆T) (6)

Donde Qced ref cond calor cedido por el refrigerante en el condensador (kW)

4 Evaluacioacuten del ciclo de refrigeracioacuten Se calculoacute el coeficiente de funcio-namiento (COP) real e ideal la entalpiacutea del refrigerante en la descarga del compresor considerando su rendimiento indicado (75 ) el trabajo ideal y real del ciclo y el rendimiento relativo ideal y real

COPreal = Qabs ref evap-WF (7)

COPideal = Qabs ref evap-WFS (8)

h2 = h1 + (h2s- h1)ηi (9)

WFS = mref (h1 - h2s) (10)

WF = mref (h1 - h2) (11)

ηrelideal = COPideal COPcarnot (12)

ηrelreal = COPreal COPcarnot (13)

COPcarnot = Tevap(Tcond - Tevap) (14)



Donde WF y WFS trabajo de compresioacuten real e ideal (a entropiacutea constante) (kW) ηrel rendimiento relativo Tcond y Tevap temperatura en el condensador y en el evaporador (K)

De los caacutelculos realizados en los pasos 1 al 4 se obtuvieron los valores mostrados en la tabla 2

Tabla 2 Evaluacioacuten del ciclo de refrigeracioacuten

Paraacutemetro ValorCalor cedido en la sopladora (kW) 672Calor absorbido por el agua en la sopladora (kW) 640Calor absorbido por el refrigerante en el evaporador o refrigeracioacuten (kW) 640Flujo maacutesico de agua en el evaporador (kgh) 9 180Flujo maacutesico de refrigerante en el evaporador (kgh) 1 858Flujo maacutesico de agua en el condensador (kgh) 5 490Trabajo real o indicado (kW) 262Coeficiente de funcionamiento de Carnot (adimensional) 47Rendimiento relativo ideal () 694Rendimiento relativo real () 500

En esta tabla se aprecia el consumo de agua durante el proceso de conden-sacioacuten que da origen al problema planteado que se va a resolver y para el que se deben buscar soluciones tecnoloacutegicas para evitar que se continuacutee derrochando este valioso recurso al recircular en el sistema de enfriamiento

Simulacioacuten en HYSYS del ciclo de refrigeracioacuten

Para el anaacutelisis de la influencia de las variables en la eficiencia del ciclo de refrigeracioacuten se utilizoacute el simulador HYSYS (figura 3) a partir del uso de dos intercambiadores de calor para representar el evaporador y el condensador un compresor y una vaacutelvula de expansioacuten estrangulada Se determinaron los paraacutemetros del ciclo para lograr una refrigeracioacuten de 64 kW energiacutea teacutermica que demanda la sopladora seguacuten se aprecia en la tabla 2

El resultado que arroje un modelo de simulacioacuten depende del grado de ajuste del modelo termodinaacutemico utilizado a las caracteriacutesticas del sistema en evaluacioacuten Por lo anterior se seleccionoacute el paquete especiacutefico ASME para calcular las propiedades termodinaacutemicas del agua y para el refrigerante



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se proboacute con dos modelos de naturaleza diferente y se seleccionoacute el que arrojoacute un menor error relativo en la determinacioacuten Los modelos utilizados fueron NRTL general y Antoine modificado

Figura 3 Ciclo de refrigeracioacuten simulado en Hysys

El modelo de Antoine es aplicable en sistemas a bajas presiones y considerando comportamiento de la fase liacutequida aproximadamente ideal Puede ser tambieacuten usado como una primera aproximacioacuten en sistemas no ideales [6] El modelo NRTL general es un modelo termodinaacutemico basado en el caacutelculo de los coeficientes de actividad de los componentes en fase liacutequida Se recomienda para representar el equilibrio liacutequido-vapor liacutequido-liacutequido y liacutequido-liacutequido-vapor En la tabla 3 se presenta la comparacioacuten realizada entre los resultados utilizando los paquetes NRTL general-ASME y los Antoine modificado-ASME y el caacutelculo manual Como no es posible realizar una corrida experimental en la que se midan los valores de temperatura y flujo de las corrientes por estar operando incorrectamente el sistema solo seraacute posible afirmar que los errores relativos obtenidos al comparar contra el caacutelculo realizado manualmente son inferiores al 10 cuando se trabaja con el modelo de Antoine modificado para las propiedades del refrigerante y el paquete ASME especiacutefico para el agua No es posible obviar que en el caacutelculo manual las propiedades termodinaacutemicas se tomaron de un diagrama con base experimental pero los valores estaacuten sujetos a los errores de lectura



Tabla 3 Comparacioacuten entre el caacutelculo manual yel realizado con el simulador

Paraacutemetro A B Er () C Er ()

Potencia a suministrar al compresor (kW) 262 310 183 280 69

Flujo de refrigerante (kgh) 1858 1758 53 1835 12

Calor cedido en el condensador (kW) 902 950 53 919 19

Coeficiente de funcionamiento real (adim) 244 206 156 228 66A Caacutelculos realizados utilizando un diagrama termodinaacutemico manualmente B HYSYS utilizando NRTL-ASME CHYSYS utilizando Antoine-ASME Er error relativo

Casos de estudio del ciclo de refrigeracioacuten

Utilizando la herramienta ldquoDatabookrdquo del simulador HYSYS se analizaron dos casos para evaluar la relacioacuten entre las variables que influyen en la eficiencia del ciclo

Para el primer caso como variable independiente se tomoacute la presioacuten en el evaporador y como variables dependientes el flujo maacutesico de agua en el evaporador el flujo maacutesico de refrigerante y la potencia requerida por el compresor Se observa que a medida que aumenta la presioacuten en el evapo-rador disminuye la potencia requerida por el compresor De igual forma en la figura 4 se observa que la necesidad de flujo de refrigerante es menor a medida que aumenta la presioacuten de trabajo en el evaporador

Por otra parte el cambio de presioacuten no afecta el flujo de agua de enfria-miento en el evaporador

Estos resultados son loacutegicos ya que al fijar la refrigeracioacuten la energiacutea que tiene que entregar el agua en el evaporador se mantiene constante Al au-mentar la presioacuten aumenta la entalpiacutea a la salida del evaporador debido a lo cual se requiere menos refrigerante para lograr la misma refrigeracioacuten y por tanto el compresor demanda menos frecuencia



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Figura 4 Influencia de la presioacuten en el evaporador en la potencia del compresor y el flujo maacutesico de agua en el evaporador

En el segundo caso (figura 5) se tomoacute como variable independiente el calor intercambiado en el evaporador o sea la refrigeracioacuten y como variables dependientes el flujo de refrigerante el flujo de agua en el evaporador el flujo de agua en el condensador y la potencia requerida por el compresor

Figura 5 Influencia de la refrigeracioacuten en la potencia del compresor y el flujo maacutesico de agua en el evaporador



Se observa que a medida que la refrigeracioacuten aumenta la potencia reque-rida el flujo de refrigerante los flujos de agua en el condensador y en el evaporador aumentan

Este comportamiento se explica debido a que para que la refrigeracioacuten au-mente (manteniendo los mismos valores de presioacuten en el evaporador y en el condensador) tiene que aumentar la masa de refrigerante ya que se man-tendriacutea constante la variacioacuten de entalpiacutea Por otra parte cuando aumenta la masa de refrigerante aumenta la potencia requerida por el compresor porque la potencia es directamente proporcional a la masa de refrigerante

Por otra parte cuando aumenta la refrigeracioacuten el calor cedido por el agua en el evaporador tiene que ser mayor y como se mantienen constantes la capacidad caloriacutefica y la variacioacuten de temperatura el flujo de agua tiene que aumentar Adicionalmente en el condensador al aumentar el flujo de refrigerante el calor cedido por el refrigerante en el condensador seraacute mayor y por tanto la energiacutea absorbida por el agua en el condensador seraacute mayor Esto si la temperatura de salida se fija haraacute que se consuma mayor agua en el condensador para absorber la mayor cantidad de energiacutea

3 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Alternativas tecnoloacutegicas para reducir el consumo de agua de enfriamiento en el sistema de refrigeracioacuten de la ronera

Para evitar el gasto de agua de enfriamiento que ocasiona la incorrecta ope-racioacuten del ciclo de refrigeracioacuten se analizaron dos alternativas tecnoloacutegicas y para garantizar una accioacuten en correspondencia con las tendencias actuales de producciones maacutes limpias se analizoacute una alternativa de sustitucioacuten del refrigerante

Alternativa 1 incorporar una torre de enfriamiento que maneje el agua de salida del condensador y permita su recirculacioacuten

Para ello se realizoacute el procedimiento siguiente

1 Dimensionamiento de la torre de enfriamiento de agua se calculoacute su diaacutemetro y su altura Se siguioacute la metodologiacutea descrita por Treybal [7] uti-



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lizando los datos que se muestran en la tabla 4 Para el disentildeo de la torre de enfriamiento se utilizoacute un flujo de agua superior al requerido (17 ) con el objetivo de poder asimilar incrementos de la capacidad de enfriamiento

Tabla 4 Datos para el disentildeo de la torre de enfriamiento

Paraacutemetro Valor

Temperatura del aire atmosfeacutericoBulbo seco (K) 303

Bulbo huacutemedo (K) 297Aproximacioacuten de temperatura K 2

Temperatura del agua Entrada (K) 313Salida (K) 299

Flujo de agua que circula considerando en exceso (kgh) 6 444Capacidad caloriacutefica del liacutequido (kJkgK) 419

En la tabla 5 se presenta el resultado del dimensionamiento de la torre de enfriamiento y la comparacioacuten de algunos paraacutemetros con lo reportado en la bibliografiacutea

Tabla 5 Dimensionamiento de la torre de enfriamiento

Paraacutemetro Valor Bibliografiacutea [7]Velocidad superficial maacutesica del gas seco en la seccioacuten transversal (kgm2h) 3 418 3 240-8 280 Nuacutemero de unidades globales de transferencia del gas (adim) 21 -Aacuterea transversal de la torre (m2) 20 -Velocidad superficial maacutesica del liacutequido en la seccioacuten transversal (kgm2h) 3 303 1 800- 14 400 Coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa (kgm3h) 1 1293 -Altura global de una unidad de transferencia del gas (m) 29 -Altura de la torre (m) 60 -Diaacutemetro de la torre (m) 16 -

Luego del dimensionamiento de la torre de enfriamiento se seleccionoacute el sistema de bombeo conformado por una bomba centriacutefuga de capacidad 78 m3h con 11 kW de potencia Se consideroacute una longitud de tuberiacutea de entrada de 6 m y 12 m para la tuberiacutea de descarga 3 vaacutelvulas y 3 codos de 90o Estas consideraciones se corresponden con los requerimientos de la instalacioacuten industrial Adicionalmente se requiere de un ventilador de 12 kW de potencia para el tiro mecaacutenico del aire en la torre La seleccioacuten de la forma geomeacutetrica circular para la torre de enfriamiento se realizoacute teniendo



en consideracioacuten las ofertas existentes en el mercado para las columnas construidas en plaacutestico

Alternativa 2 Estanque de refrigeracioacuten

Esta alternativa consiste en la construccioacuten de un estanque de enfriamiento que permitala disminucioacuten de la temperatura del agua proveniente del con-densador por conveccioacuten libre y su posterior utilizacioacuten Los estanques se recomiendan para el enfriamiento de grandes voluacutemenes de agua Cuando existen extensiones de tierra disponibles los estanques de enfriamiento ofrecen una inversioacuten relativamente pequentildea como una alternativa a las torres de enfriamiento Un estanque de enfriamiento es un cuerpo artificial de agua contenido en una estructura construida de hormigoacuten armado Este meacutetodo ofrece resultados satisfactorios para la eliminacioacuten por conveccioacuten libre del calor del agua [5] Una vez que el agua se ha enfriado en el estan-que se reutiliza en la planta En este caso resulta necesaria la entrada de agua de reposicioacuten debido a la evaporacioacuten [8]

Para la determinacioacuten del tamantildeo del estanque de enfriamiento se utilizoacute el nomograma de la figura 12-25 del Manual del Ingeniero Quiacutemico de Perry [5] Este nomograma estaacute referido en el sistema ingleacutes Tres paraacutemetros se obtienen del nomograma E que mide la temperatura de equilibrio aquella para la que la ganancia de calor se iguala a su peacuterdida y que se determina a partir de la humedad relativa del aire su temperatura de bulbo seco la velocidad del viento y la radiacioacuten solar incidente el factor Q que se determina con el valor de E y la velocidad del viento y el factor P que se obtiene a partir de las diferencias entre las temperaturas de entrada y el paraacutemetro E y entre la temperatura de salida del agua y E El producto PQ representa el aacuterea requerida por unidad de flujo volumeacutetrico

Para alcanzar la temperatura de equilibrio se requeririacutea un valor de aacuterea de estanque infinita por lo cual el meacutetodo recomienda que la miacutenima diferencia de temperatura sea de 2 K para lograr unas dimensiones razonables Es por ello que la temperatura de salida del agua del estanque se fija en 310 K y la de entrada en 320 K superiores a la variante de la torre de enfriamiento En la tabla 6 se presentan los datos requeridos y el resultado obtenido



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Tabla 6 Disentildeo del estanque de enfriamiento

Datos para el disentildeo del tanque abierto a la atmoacutesfera

Paraacutemetro ValorHumedad relativa del aire 80 Temperatura de bulbo seco del aire 303 KVelocidad del aire 18kmh [9]Ganancia de energiacutea solar 1 4764 kJm2h [5]Flujo de agua 6 444 kghTemperatura de entrada del agua 320 KTemperatura de salida del agua 310 KResultados del dimensionamientoE 305K (90ordmF)D1= T entrada agua - E 15 K (27ordmF)D2= T salida agua - E 5 K (9ordmF)Factor Q 065Factor P 70Aacuterea requerida= PQ 455 pie2galminAacuterea para 6 444kgh (2363 galmin) 100 m2 (1 075 pie2)

Ciclo de refrigeracioacuten con R-134a

Dado que el refrigerante utilizado en la ronera R-22 (monoclorodifluoro-metano) es dantildeino para la capa de ozono se evaluaron los paraacutemetros del ciclo si se sustituyera el R-22 por el R-134a refrigerante de foacutermula quiacutemica CH2FCF3 nombrado 1112 tetrafluoroetano que causa efectos menos nocivos al medioambiente

En la tabla 7 se presentan los resultados del ciclo que mantiene los mismos paraacutemetros de presioacuten refrigeracioacuten y temperaturas de entrada y salida del agua en el condensador y en el evaporador pero trabajando con R-134a Se realizoacute la simulacioacuten del ciclo en HYSYS y se utilizoacute el modelo de Antoine modificado para el refrigerante y el ASME para el agua



Tabla 7 Paraacutemetros del ciclo utilizando R-134a


Flujo maacutesico de agua en el evaporador (kgh) 9 180

Flujo maacutesico de agua en el condensador (kgh) 5 472

Potencia suministrada en el compresor (kW) 31

Flujo maacutesico de refrigerante (kgh) 2 578

Energiacutea intercambiada en el condensador (kW) 95

Refrigeracioacuten (kW) 64

Coeficiente de funcionamiento real (adim) 206

Coeficiente de funcionamiento de Carnot (adim) 47

Rendimiento relativo real () 44

Bajo estas condiciones los consumos de agua y refrigerante asiacute como la potencia en el compresor seriacutean superiores (37 40 107 respectivamente) y el coeficiente de funcionamiento inferior (107 ) pero se cumpliriacutean las regulaciones ambientales Estos incrementos estaacuten asociados a la menor variacioacuten de entalpiacutea en el evaporador para cuando se trabaja con R134a lo cual demanda de mayor flujo de refrigerante para mantener la misma refrigeracioacuten

Debido a la naturaleza del refrigerante R-134a el aceite que se va a utilizar en el compresor que opere en un ciclo de refrigeracioacuten requeriraacute propie-dades especiales de modo que no sea higroscoacutepico Es por ello que no se recomienda sustituir el R-22 por el R-134a en la misma maacutequina compresora pues se necesita el cambio del compresor para llevar a cabo la sustitucioacuten del refrigerante

Valoracioacuten econoacutemica de las alternativas propuestas

Para la evaluacioacuten econoacutemica de las alternativas de solucioacuten se establecioacute una comparacioacuten de cada una de ellas con el caso base fundamentada en el meacutetodo del flujo de efectivo Como se realizoacute un anaacutelisis de modificacioacuten de una seccioacuten de una planta ya existente solo se tienen en cuenta los cambios que cada alternativa determina en los elementos del flujo de efectivo con respecto al caso base Por lo anterior se trabajoacute con las diferencias y no se tomoacute en cuenta lo que se relaciona con la tecnologiacutea o equipamiento ya instalado Para este tipo de anaacutelisis la disminucioacuten de los egresos constituye la fuente de ingresos con la que se paga la inversioacuten



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La evaluacioacuten econoacutemica de las alternativas se llevoacute a cabo en un horizonte de planeacioacuten de 5 antildeos con una razoacuten fraccional de impuestos sobre la ganancia de 035 y una tasa de intereacutes de 12 Para la determinacioacuten de los ingresos y egresos se consideroacute que se operaba 300 diacuteas al antildeo a un 90 de capacidad 8 horas de produccioacuten al diacutea

Teniendo en cuenta el costo de los equipos (torre de enfriamiento o mate-riales de construccioacuten bombas centrifugas tuberiacuteas accesorios mano de obra) para cada alternativa se obtuvo el costo de inversioacuten considerando el costo de la transportacioacuten instalacioacuten y montaje como un 3 del costo de adquisicioacuten del equipamiento En la tabla 8 se presenta el costo de inversioacuten para las dos primeras alternativas La tercera no se incluyoacute en el anaacutelisis al no poder la empresa acometer la inversioacuten requerida Tambieacuten se reflejan los resultados de la evaluacioacuten econoacutemica del proyecto

Tabla 8 Comparacioacuten entre el caso base y las alternativas propuestas

Indicador Caso base Alternativa 1 Alternativa 2

Costo de inversioacuten (M$) - 115 215Electricidad comprada (kW) 280 411 280Agua tratada reposicioacuten (th) 167 006 06Egreso por compra de electricidad (M$antildeo) 138 203 138Egreso por compra agua tratada para reposicioacuten (M$antildeo) 119 004 04Egresos (M$antildeo) 257 203 142Variacioacuten de egresos (M$antildeo) - 54 115Valor actual neto (VAN) (M$antildeo) - $7 9 $198Tasa interna de rendimiento (TIR) - 373 449 Plazo de recuperacioacuten del capital (PRC) - 21 19Retorno sobre la inversioacuten (RSI) - 469 532

En la tabla 8 se observa que la evaluacioacuten econoacutemica mostroacute resultados favorables para las dos alternativas ya que el VAN es positivo la TIR pre-senta valores por encima de la tasa miacutenima del 12 para la cual la empresa puede obtener fondos la inversioacuten se recupera mediante las utilidades netas obtenidas en un tiempo inferior a tres antildeos (PRC) demostrando la gran liquidez de las mismas y el RSI es superior al 33 lo cual denota que la inversioacuten es atractiva



Las dos alternativas estudiadas posibilitan que los 5 m3 de agua que se vierten diariamente en la actualidad (lo cual para 300 diacuteas de trabajo al antildeo representariacutean 1500 m3 de agua anuales) puedan ser utilizados en otros sectores contribuyendo asiacute a la conservacioacuten del medioambiente al ser el agua un recurso cada diacutea maacutes escaso El liacutequido que se vierte es agua que ha pasado por un proceso de tratamiento por lo que es de mayor valor y en los costos representa 5000 pesos anuales por concepto de agua tratada no consumida

CONCLUSIONES

El ciclo de refrigeracioacuten para el enfriamiento del agua de la maacutequina de soplado de botellas plaacutesticas tiene un COP igual a 244 con un rendimiento relativo de 51 Bajo la consideracioacuten de ciclo ideal el mayor COP que se puede obtener es 33 con un 68 de rendimiento relativo El flujo maacutesico de agua que se va a suministrar en el condensador del ciclo de refrigeracioacuten es 5 184 kgh

Para lograr estabilizar el suministro del agua de enfriamiento al condensa-dor se analizaron dos posibles soluciones Alternativa 1 instalar una torre de tiro forzado a contracorriente de 16 m de diaacutemetro y 6 m de altura de plaacutestico con una bomba centriacutefuga de 11 kW y un ventilador de 12 kW Alternativa 2 construir un estanque de refrigeracioacuten con un aacuterea de 100 m2

La mejor alternativa de las estudiadas es la 2 para la cual se requiere una inversioacuten de $21 508 con un TIR superior a la tasa de intereacutes de la empresa (12) y RSI superior al 33 lo que denota que la inversioacuten es atractiva La inversioacuten se recupera mediante las utilidades netas obtenidas en un tiempo inferior a dos antildeos lo que demuestra la gran liquidez de las mismas

Si no se deseara la construccioacuten del estanque debido a la ubicacioacuten de la empresa es posible aplicar la alternativa 1 que consiste en la instalacioacuten de una torre de enfriamiento acoplada al sistema de refrigeracioacuten que procese toda el agua de enfriamiento necesaria

Con estas alternativas se eliminan las peacuterdidas de agua en la ronera asiacute como las paradas del aacuterea de soplado de botellas plaacutesticas con el consiguiente incremento de la eficiencia de la faacutebrica



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REFERENCIAS

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4Resumen

Se presenta el anaacutelisis de la condensacioacuten del refrigerante del sistema de refrigeracioacuten del aacuterea de soplado de botellas plaacutesticas de una ronera que suministra agua tratada a la temperatura exigida en el proceso de soplado Se calculoacute el calor cedido en la maacutequina sopladora y el flujo maacutesico de agua en el condensador El coeficiente de funcionamiento del ciclo (COP) resultoacute 244 con rendimiento relativo de 51 Se usoacute el software HYSYS para simular el ciclo de refrigeracioacuten analizando la influencia de la presioacuten y de la refrigeracioacuten en sus paraacutemetros Para mejorar el funcionamiento del ciclo de refrigeracioacuten se analizaron tres alternativas utilizar una torre de enfriamiento de plaacutestico de tiro forzado a contracorriente de 25 m de diaacutemetro y 6 m de alto construir un estanque de enfriamiento de agua de 100 m2 y la sustitucioacuten del refrigerante actual La 2 resultoacute la mejor alternativa para la cual se requiere una inversioacuten de $ 21 508 con tasa interna de rendimiento (TIR) 449 superior a la tasa de intereacutes de la empresa (12 ) y retorno sobre la inversioacuten (RSI) 532 superior al 30 El plazo de recuperacioacuten de la inversioacuten es de 19 antildeos De acuerdo con los indicadores econoacutemicos la inversioacuten es atractiva

Palabras clave botella de ron termoplaacutestica ciclo de refrigeracioacuten torre de enfriamiento

Abstract

In this paper the refrigerant condensing system in the plastic bottles blowing area at Rum industry is presented Target values of temperature and water quality should be obtained for a good process Rejected heat at the blowing machine and the water flow at the condenser were cal-culated Refrigeration cycle COP was 244 with 51 relative efficiency Refrigeration cycle was simulated using HYSYS Influences of pressure and refrigeration on the cycle parameters were analyzed Three variants were evaluated in order to improve the refrigeration cycle a plastic forced-draft cooling tower 25 m diameter and 6 m height a cooling pond 100 m2 and the substitution of the refrigerant The best variant was number 2 with $21 508 as investment with IRR 449 higher than 12 and ROI 532 higher than 30 The investment is recovered in a year

Keywords thermoplastic rum bottle refrigeration cycle cooling tower



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1 INTRODUCCIOacuteN










2 METODOLOGIacuteA





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h2 = h1 + (h2s- h1)ηi (9)

WFS = mref (h1 - h2s) (10)

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