seminario - estudio de calefaccion y costos del pitch asfaltico
TRANSCRIPT
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica
Estudio de calefacción y costos del pitch
asfáltico
Seminario de Título presentado en
conformidad a los requisitos para
obtener el título de Ingeniero de
Ejecución en Mecánica.
Profesor Guía:
Sr. Luis Cerda Miskulini
Ingeniero Supervisor:
Sr. Marcos Aranguiz Casanova
Parra Mella Cristian Alejandro
2012
RESUMEN
El presente trabajo, contempla un estudio y eventuales mejoras en el
sistema de distribución de aceite térmico y calefacción del pitch asfaltico en planta
CLASA S.A, ubicada en camino a Lenga en la comuna de Hualpén.
Este trabajo tiene como propósito lograr un estudio acabado de los equipos
que genera el proceso de calefacción y su red de distribución, analizár las líneas
de aceite térmico con sus pérdidas de calor hacia el ambiente por transferencia de
calor, determinar la masa total de aceite térmico de circulación, para luego saber
las masas que circulan por cada estanque. Para lograrlo se aplicaron diversas
fórmulas y métodos así como diferentes equipos e instrumentos para lograr
conocer variables importantes en el sistema. Tarea importante fue conocer las
características energéticas del combustible utilizado en el calefactor térmico, así
como el rendimiento térmico indirecto, con el cual se llego a determinar en qué
condiciones de operación se alcanza el rendimiento más alto.
Con los rendimientos ya calculados se procedió analizar la distribución
completa del sistema de circulación de aceite térmico, con diámetros de líneas,
aislación existente, entre otras. Se calcularon las pérdidas de calor por aislación
en cada tramo desde el manifold de distribución hacia cada estanque de
almacenamiento de pitch asfáltico y se obtuvieron las pérdidas de calor por
transferencia de calor hacia el ambiente de los estanques. Posteriormente, de
realizar esta cuantificación técnica, se procedió a efectuar una cuantificación
económica calculando el costo de producir energía calorífica para luego
determinar las pérdidas en lo económico.
Tabla de contenidos Pág.
CAPITULO 1. GENERALIDADES
1.1 Introducción 1
1.2 Origen del tema 2
1.3 Objetivos 2
CAPITULO 2. DESCRIPCION DE LA EMPRESA
2.1 La empresa 3
2.2 Asistencia técnica 4
2.3 Personal 4
CAPITULO 3. CONCEPTOS TECNICOS
3.1 Transferencia de calor 5
3.2 Combustión 5
3.2.1 Requisitos para la combustión 5
3.2.2 Poder calorífico 6
3.3.3 Aire 7
3.3 Propiedades aceite térmico 8
3.4 Tipos de viscosidades 9
3.4.2 Viscosidad absoluta 9
3.4.2 Viscosidad cinemática 9
CAPITULO 4. DESCRIPCION DEL PROCESO
4.1 Asfalto 10
4.1.1 Propiedades físicas del asfalto 10
4.1.2 Tipos de asfalto 15
4.2 Obtención del pitch asfaltico 16
4.3 Funcionamiento del calefactor térmico 17
4.4 Características del calefactor térmico 18
4.5 Proceso calefacción pitch asfáltico 19
4.6 Esquema proceso de calefacción pitch asfáltico 20
CAPITULO 5. RENDIMIENTO DE LA COMBUSTION
5.1 Equipo utilizado para medir los gases de la combustión 21
5.2 Cálculo analítico exceso aire 23
5.3 Cálculo exceso por diagrama 24
5.4 Masa de gases de la combustión 25
5.5 Calor perdido por gases calientes de la combustión 25
5.6 Calor perdido por combustión incompleta 25
5.7 Calor perdido por radiación, convección y conducción por
paredes del horno u hogar 25
5.8 Calor perdido por evaporación de agua formada 26
5.9 Calor disponible o calor útil 27
5.10 Rendimiento de una combustión 27
5.11 Gráficas del análisis de gases 29
5.12 Conclusiones del capítulo 31
5.12 Aprovechamiento de los gases de la combustión 32
CAPITULO 6. ANALISIS DE PERDIDAS DE CALOR EN LINEA S DE ACEITE
TERMICO
6.1 Descripción del sistema de transporte del aceite térmico 34
6.2 Pérdidas de calor en líneas de aceite térmico 35
6.3 Análisis económico de pérdidas energéticas en líneas de aceite
térmico 40
6.4 Pérdidas económicas en líneas de aceite térmico 41
6.5 Conclusiones del capítulo 44
CAPITULO 7. ANALISIS DE PERDIDAS DE CALOR EN ESTAN QUES DE
ALMACENAMIENTO DEL PITCH
7.1 Características de cada estanque de almacenamiento 46
7.2 Esquema de transferencia de calor entre el aceite térmico y pitch 47
7.3 Cálculo del coeficiente convectivo exterior (he) de los estanques 48
7.4 Cálculo de la pérdida de calor hacia el exterior 52
7.5 Gráficas representativas sobre la pérdida de calor hacia el exterior 53
7.6 Conclusiones del capítulo 57
CAPITULO 8. ANALISIS Y CALCULOS TIEMPO DE CALEFACC ION DEL PITCH ASFALTICO
8.1 Balance de la masa total de aceite térmico en el circuito 59
8.2 Calculo del balance térmico del pitch asfáltico 61
8.3 Costos de calefacción del pitch asfáltico 64
8.4 Análisis de gráficas representativas 66
8.5 Conclusiones del capítulo 67
CAPITULO 9. RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES
9.1 Recomendaciones 69
9.2 Conclusiones generales 72
BIBLIOGRAFIA 75
Nomenclatura
µ Viscosidad absoluta �������� (� ∗ �)
ʋ Viscosidad cinemática �� �⁄
� Calor específico �� (�� ∗ ° )⁄
ŋ���� Rendimiento de la combustión %
� � Poder calorífico inferior ���� ��⁄
� � Poder calorífico superior ���� ��⁄
�� Temperatura entrada aceite térmico °
�! Temperatura salida aceite térmico °
�"� Temperatura inicial pitch asfáltico °
�#� Temperatura final pitch asfáltico °
$%& Número de Nusselt ---
�' Número de Prandtl ---
()* Número de Reynolds ---
� "+� Conductividad térmica aire , (� ∗ -)⁄
. "+� Densidad del aire �� ��⁄
ℎ� Coeficiente convectivo exterior , (�� ∗ -)⁄
0 Calor �,
1
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
CAPITULO 1: GENERALIDADES
1.1) INTRODUCCION
La empresa CLASA S.A. es una empresa dedicada a suministrar materiales
asfálticos. La obtención del pitch asfáltico es un producto residual que se obtiene
de la destilación del crudo para obtener los hidrocarburos más comúnmente
conocidos. El pitch asfáltico es trasladado a CLASA S.A. a través de ENAP por
líneas de cañerías que unen ambas plantas.
El proceso de calefacción es esencial en este producto manteniéndolo de
135 ºC a 150 ºC requiriendo equipos y componentes para operar bajo estrictas
normas, debido a que se trata de productos combustibles.
El presente seminario pretende hacer un estudio de cómo reducir los tiempos
que demora el pitch asfáltico en mantenerlo a una temperatura bombeable,
analizando cada estanque y redes de cañerías que conforman el proceso de
calefacción, además de hacer una evaluación de las transferencia de energía,
masas de cada equipo y eventuales modificaciones para propender a mejorar el
proceso de calefacción que conforma el ciclo del pitch asfáltico.
Los costos es otra variable en estudio, cada costo de calefacción está
asociado a los volúmenes de almacenamiento del pitch asfáltico, masa de aceite
que circula por las líneas y el rendimiento de la combustión. Otro factor a evaluar
son las pérdidas de calor por transferencia hacia el ambiente, que se generan en
los estanques y líneas de aislación del aceite térmico, además de verificar los
espesores de aislación recomendados si cumple o no las especificaciones
técnicas.
2
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
1.2) ORIGEN DEL TEMA
El presente tema se originó a solicitud de la empresa CLASA S.A, la cual
suministra pitch asfáltico.
El tema sugerido por la empresa con el objetivo de poder calentar el
cemento asfáltico en un menor tiempo y poder obtener los costos de calefacción,
además de posibles sugerencias para poder instalar equipos nuevos de
calefacción que cumplan con los requisitos de la empresa.
1.3) OBJETIVOS
� Evaluar transferencia energía y masa en cada uno de los equipos
que conforman el ciclo del pitch asfáltico.
� Análisis de alternativas de eventuales modificaciones a equipos
tendientes a mejorar el proceso de calentamiento.
� Objetivos específicos
� Analizar gases y rendimiento de la combustión, para calentar aceite térmico.
� Calcular las pérdidas de calor en los estanques y calor aprovechable.
� Calcular los tiempos de calefacción del pitch asfáltico.
� Cálculo de costos por consumo energético para la calefacción.
� Eventuales propuestas de mejoramiento y su evaluación
económica.
3
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
CAPITULO 2: DESCRIPCION DE LA EMPRESA
2.1) LA EMPRESA
CLASA S.A nace como una alternativa diferente en el suministro de
materiales asfálticos.
Al procesar las materias primas con técnicas modernas, asesorías
extranjeras y especialistas de prestigio internacional, CLASA S.A asegura
productos de alta confiabilidad.
CLASA S.A está capacitada para producir cementos asfálticos, asfaltos
cortados de curado rápido y curado medio, emulsiones asfálticas tanto aniónicas,
como catiónicas y asfaltos de reología modificada.
Todos los productos asfálticos que se fabrican son sometidos a los ensayos
requeridos por las normas de las especificaciones nacionales del laboratorio
nacional de vialidad y las internacionales de AASHTO.
Para cumplir con este objetivo CLASA S.A tiene un laboratorio de control de
calidad que cuenta con equipos de última generación, indispensables para
certificar una efectiva calidad.
Uno de los factores fundamentales es la asesoría técnica que CLASA S.A
otorga en la aplicación de los productos en terreno, como diseños de mezclas
asfálticas del punto de vista de la composición química de ellas.
Para el abastecimiento de los productos de utilización, CLASA S.A cuenta
con modernos tractocamiones cuyos estanques, con capacidad de 25.000 litros,
están especialmente diseñados para transportar asfaltos calientes, con sistema de
calefacción y aislación térmica de alta tecnología, lo que permite garantizar la
llegada en buenas condiciones de los productos a cualquier parte del país.
4
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
2.2) ASISTENCIA TECNICA
CLASA S.A tiene un laboratorio dedicado a la obtención de nuevos
productos, procedimientos y sistemas, así como a la adaptación y
perfeccionamiento de tecnología externas.
También tiene este laboratorio a su cargo la labor de control de calidad y
asistencia técnica, tanto a nivel de ensayo de materiales en laboratorio como en
obra.
CLASA S.A, cuenta con los soportes técnicos necesarios, así como con
equipos informáticos y software para hacer operativa su oferta tecnológica y de
servicio.
2.3) PERSONAL
CLASA S.A cuenta con una dotación de profesionales altamente calificados,
entre los cuales se promueve la búsqueda permanente de la creatividad,
autonomía y espíritu empresarial, teniendo como objetivo final el desarrollo integral
de los mismos.
5
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
CAPITULO 3: CONCEPTOS TECNICOS
3.1) TRANSFERENCIA DE CALOR
La transferencia de calor puede definirse como la transmisión de energía de
una región a otra, resultando de la diferencia de temperatura existente entre ellas.
El calor se transfiere mediante convección, radiación y conducción. Aunque estos
tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los
mecanismos predomine sobre los otros dos. Lo más común es la transferencia
de calor combinado entre convección y conducción.
3.2) COMBUSTION
Combustión es una reacción química rápida entre una sustancia combustible
y el oxígeno (oxidación), a una temperatura adecuada (temperatura de ignición).
En esta reacción química se libera una determinada cantidad de calor, en mayor o
menor grado, dependiendo del tipo de combustible y de la forma en que se realice
la combustión, produciéndose una llama característica.
3.2.1) REQUISITOS PARA LA COMBUSTION
+ = +
Figura Nº3.1 Esquema del proceso de combustión.
La reacción de combustión puede ser completa o incompleta de dónde
podemos encontrar.
Combustible
Oxigeno
Productos
de la
combustión
Calor
6
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
a) Combustión completa
Ocurre cuando los elementos químicos del combustible se queman
totalmente con el oxígeno y el combustible libera toda su energía química
almacenada. Es la combustión ideal. Los gases deben verse transparentes. En
esta situación el carbono del combustible debe pasar todo a dióxido de carbono
(���), y todo el hidrógeno se transforma en agua.
b) Combustión incompleta
Se presenta cuando permanecen fracciones o elementos químicos del
combustible sin quemar y solamente libera parte de su energía química. Da lugar
a la aparición de hollín (humo negro) y monóxido de carbono.
3.2.2) PODER CALORIFICO
Es la máxima cantidad de calor que se puede obtenerse de los productos de
la combustión completa si estos productos se enfrían a la temperatura original de
la mezcla de aire y combustible. Se pueden definir dos tipos de poder calorífico:
a) Poder calorífico superior
Es aquel liberado por el combustible en las condiciones señaladas
anteriormente cuando el agua de los productos de la combustión escapan en
forma líquida (condensación completa del vapor de agua de los productos).
b) Poder calorífico inferior
Es aquel liberado por el combustible e las condiciones señaladas
anteriormente cuando el agua de los productos de la combustión escapa en forma
gaseosa (vapor).
7
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
3.2.3) AIRE
Para que se produzca una combustión se necesita una cantidad de oxígeno
determinada que por lo general se obtiene del aire.
a) Aire atmosférico
Es el aire que se encuentra normalmente en el ambiente, para efectos
prácticos se considera que el aire seco se compone de Nitrógeno y Oxígeno, en la
siguiente composición volumétrica: �� = 21%,�� = 79%.
b) Relación aire – combustible R(A/C)
Es la cantidad de aire suministrada o la que debe suministrarse a una
combustión, por unidad de combustible. Debe distinguirse la relación aire
combustible real, respecto a la relación aire combustible ideal.
c) Aire estequimétrico o ideal
Es la cantidad de aire estrictamente necesario, para quemar completamente
un combustible. Este aire contiene la cantidad de oxígeno precisa para asegurar la
combustión teórica completa.
d) Exceso de aire
Es la cantidad de aire adicional al ideal que se suministra para asegurar que
la combustión sea lo más completa posible. Se expresa en porcentaje respecto al
ideal y depende del tipo de combustible, quemador, granulometría, turbulencia,
temperatura de combustión, diseño del hogar y experiencia del operador del
equipo. Algunas recomendaciones de exceso de aire son:
8
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Tabla Nº3.1 Excesos de aire recomendados
3.3) PROPIEDADES ACEITE TERMICO
El Mobiltherm 603 es un aceite de base parafínica. Posee una elevada
estabilidad térmica, formulado para usarse en sistemas cerrados de transferencia
de calor, donde las temperaturas requeridas limitan el uso de agua caliente o
vapor debido a las elevadas presiones que se alcanzan con éstos. Su calor
específico y conductividad térmica son excelentes, con lo cual se obtiene un
calentamiento más rápido.
Tabla 3.2 Propiedades aceite térmico Mobiltherm 603.
������� ���������� − � �� �!��
����"����#$°& 1298 868 )* +,⁄
.��. ��/ 0"��1°& 97 −12
.��. ��"�/ �2�3"��°& 92 210
�"�3��"����56°& 465 219:; �"�3��"����#66°& 465 4,19:; ��2<�!��0!��� �0��"=�"3"ó�°&
---- 670
&� �!��<�3"/"3��?66°& ---- 2,6 )@ ()* ∗ °�)⁄ Fuente: Elaboración propia.
9
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
3.4) TIPOS DE VISCOSIDADES
La viscosidad como propiedad de un fluido es aquella que tiende a oponerse
a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan
una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad.
3.4.1) Viscosidad absoluta (µ)
La viscosidad dinámica es conocida también como absoluta. Viscosidad es la
resistencia interna al flujo de un fluido,. La viscosidad dinámica se toma del tiempo
que tarda en fluir un líquido a través de un tubo capilar a una determinada
temperatura y se mide en "poises" (*B 9+ ∗ CD*)⁄ .Es decir, es inherente a cada
líquido en particular y de su temperatura.
La unidad de medida de la viscosidad absoluta, en el sistema internacional
(SI), es )*EEEEEF (+ ∗ C)G .
1HIJCD = 1 *BEEEEF 9+ ∗ C = 10 )*EEEEEF (+ ∗ C)G⁄
μ = 1 )*EEEEEF (+ ∗ C)G = 1 *BEEEEF (9+ ∗ C) = 10HIJCD⁄
3.4.2) Viscosidad cinemática (ʋ)
La viscosidad cinemática representa esta característica desechando las
fuerzas que generan el movimiento. Es decir, basta con dividir la viscosidad
dinámica por la densidad del fluido y se obtiene una unidad simple de movimiento
“stoke” (9+� C)⁄ sin importar sus características propias de densidad.
En la empresa CLASA se trabaja con la viscosidad absoluta y con el sistema
de viscosidad Segundos Saybolt Universal (SSU) o centiPoise (cP).
En el sistema internacional la viscosidad cinemática utiliza la unidad de
medida en (+� C)⁄ , es decir (1+� C) = 10LM:;I)D⁄
10
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
CAPITULO 4: DESCRIPCION DEL PROCESO
4.1) ASFALTO
El asfalto es una mezcla compleja de hidrocarburos de peso molecular
elevado, los cuales se presentan en forma de cuerpo viscoso más o menos
elásticos, no cristalino y de color negro. Son producto de la destilación natural o
artificial del petróleo.
Aunque el asfalto puede considerarse como un desecho, también puede
verse como un producto de gran calidad, sobre el que se fundamenta gran parte
de la construcción del pavimento flexible, llamado también pavimentos asfálticos,
en virtud de ser dúctil, flexible y tenaz material que lo constituye y caracteriza.
Cabe mencionar que no todos los crudos del petróleo proporcionan asfaltos
aptos para la construcción de pavimentos flexibles, como sucede con los crudos
de la base parafínica los cuales están constituidos principalmente por
hidrocarburos saturados, que requieren un proceso complementario de oxidación
parcial. Los mejores asfaltos se pueden obtener a partir de los crudos de base
nafténica, constituidos fundamentalmente por hidrocarburos no saturados. El
comportamiento reológico de los asfaltos depende de su composición química, la
cual depende a su vez de su fuente de procedencia de refinación.
4.1.1) PROPIEDADES FISICAS DEL ASFALTO
Las propiedades físicas del asfalto son resultado de ensayos empíricos o
semi-empíricos, en las cuales se plantea determinar sus características reológicas.
A) Densidad
En los asfaltos que se utilizan en la construcción de pavimentos la densidad
varía desde 0,9 − 1,4 )* +,⁄ . Los valores más altos de densidad de un asfalto
corresponden a los asfaltos procedentes de crudos con un alto contenido de
11
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
hidrocarburos aromáticos. La medida de la densidad sirve de control de la
uniformidad de un suministro.
La densidad relativa de un asfalto es la razón entre el peso de un
determinado volumen de asfalto y el peso de un volumen igual de agua a una
determinada temperatura, por ejemplo veinte y cinco grados centígrados. El
conocimiento de esta propiedad permite convertir de pesos a volúmenes y
viceversa, esta se determina con un picnómetro. Los asfaltos poseen una
densidad relativa a 25 ºC del orden de 1,03
B) Penetración
La penetración es una medida de la consistencia del asfalto, que se
determina midiendo en decimas de milímetro, la longitud de una aguja
normalizada que entra en una muestra en unas condiciones especificas de tiempo,
temperatura y carga.
Esta cualidad, por si sola, no permite identificar un asfalto, pero si define si el
producto que está sometido al ensayo es liquido, semilíquido, semisólido o solido.
La penetración de un producto asfáltico disminuye cuando la densidad del mismo
aumenta.
Figura Nº4.1 Ensayo de penetración.
12
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
C) Medición de viscosidad
La viscosidad es la relación entre la fuerza aplicada a un fluido y la velocidad
con la que fluye. Por lo tanto la viscosidad de un asfalto es una de sus
características esenciales desde el punto de vista de su comportamiento en el
momento de su aplicación cuando su consistencia es suficiente reducida. La
viscosidad depende de la temperatura, por lo que su determinación a diferentes
temperaturas da una idea de cuál es su susceptibilidad térmica.
Solo para ciertas investigaciones se utilizan viscosímetros capilares para la
obtención de viscosidad absoluta del producto a una temperatura. En la práctica
se suele recurrir a determinar la viscosidad relativa. Los viscosímetros más
utilizados son los de Saybolt (Furol y Universal). Se basan en la determinación del
tiempo en que cierta cantidad de producto asfáltico a una temperatura prefijada
fluye por un orificio por la acción de la gravedad en unas condiciones
normalizadas.
En la empresa CLASA S.A el sistema de unidad que se trabaja es en
centiPoise (cP).
Figura Nº4.2 Equipo medición de Viscosidad Brookfield.
13
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
En el siguiente grafico se muestra la variación de viscosidad en función de la
temperatura de trabajo.
Figura Nº4.3 Variación de la viscosidad absoluta en función de la temperatura pitch.
Nota: En el programa EES se pudo obtener una formula de aproximación para el
cálculo de la viscosidad en función de la temperatura, la cual es:
�"�3��. �N� = #?. #O6, P − #5P, ##$ ∗ � + 6, 5$P#$P ∗ �?(3.)
14
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
D) Punto de ignición
Es la temperatura a la cual arden los vapores del asfalto al aproximar la
superficie del material bituminoso a una llama de prueba. Su determinación es útil
para el manejo en obra del asfalto para implementar precauciones, especialmente
si su punto de ignición es cercano a la temperatura de manejo en obra. El punto
de ignición de un asfalto debe estar alrededor de los 215 ºC. Este ensayo se lleva
a cabo en un equipo normalizado llamado copa Cleveland.
Figura Nº4.3 Esquema de la Copa Cleveland.
E) Comportamiento reológico
La reológia estudia la respuesta mecánica de un material, cuyas propiedades
varían en función de la temperatura y el tiempo de aplicación de una carga,
excluyéndose los fenómenos de rotura. Los asfaltos son materiales visco-elásticos
que presentan un comportamiento reológico muy complejo. La respuesta de un
asfalto frente a una solicitación, depende de la temperatura, de la magnitud y el
tiempo de aplicación de la carga.
15
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
4.1.2) TIPOS DE ASFALTO
En el presente ítem se presentará una breve descripción de cada tipo de
asfalto utilizado en soluciones viales de pavimentos flexibles, además de algunas
aplicaciones de cada tipo de estos ligantes.
a) Cementos asfálticos
Los cementos asfalticos son designados como CA, y son asfaltos obtenidos
especialmente de la destilación del petróleo, para presentar características
adecuadas para uso en la construcción de pavimentos , la mayor o menor dureza
que presentas los cementos asfáltico dependen principalmente de las condiciones
de destilación de las cuales fueron extraídos , tales como presión , temperatura de
destilación y tiempo. Por lo cual estos ligantes se pueden diferenciar por el grado
de dureza que estos presentan, medido mediante el ensayo de penetración
anteriormente mencionado, el cual es inverso a la dureza.
Cabe mencionar que la nomenclatura que se poseen los cementos asfálticos
ha sido modificada a partir del año 2005, donde en el manual de carreteras fue
innovado en la clasificación de los cementos asfálticos, donde ahora su
especificación se hace según grado de viscosidad.
Las siguientes especificaciones envuelven los cementos asfálticos CA 24
cuya viscosidad absoluta será mayor o igual a 2400 poises, y CA 14 cuya
viscosidad será mayor o igual a 1400 poises y menor a 2400 poises.
Tabla Nº4.1 Propiedades térmicas del pitch asfaltico a 135ºC.
&� �!��<�3"/"3� &���03�"R"R��� ��!2"3�
&��/"3"���� �S<���"��
30N"3� ����"����#T$°&
1,96)U ()* ∗ °�)⁄ 0,16V (+ ∗ °�)⁄ 0,0006 °�⁄ 1024 )* +,⁄
Fuente: Elaboración propia.
Nota: En el presente seminario estudiara el CA-24
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
4.2) OBTENCION DEL PITCH ASFALT
Este llega a través de ENAP refinerías Bio
medio de cañerías de acero a una temperatura de 135 ºC. El producto es
depositado en estanques de diferentes almacenamientos y sometido a calefacción
con aceite térmico para alcan
Figura Nº4.4 Esquema obtención Pitch Asfaltico en ENAP.
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
4.2) OBTENCION DEL PITCH ASFALT ICO
Este llega a través de ENAP refinerías Bio-Bío impulsado por bombas, por
medio de cañerías de acero a una temperatura de 135 ºC. El producto es
depositado en estanques de diferentes almacenamientos y sometido a calefacción
con aceite térmico para alcanzar la temperatura requerida de 150ºC.
Figura Nº4.4 Esquema obtención Pitch Asfaltico en ENAP.
16
Bío impulsado por bombas, por
medio de cañerías de acero a una temperatura de 135 ºC. El producto es
depositado en estanques de diferentes almacenamientos y sometido a calefacción
zar la temperatura requerida de 150ºC.
17
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
4.3) FUNCIONAMIENTO DEL CALEFACTOR TERMICO
El calefactor de termo fluido, marca Thermopac, es un equipo que calienta un
aceite térmico, que se encuentra en un circuito cerrado de calefacción de
estanques, líneas de bombas y planta de emulsiones.
Es importante hacer notar, que el calefactor de termo fluido, no es una
caldera, por cuanto no genera energía calórica a presión. Este equipo es de
tecnología avanzada, totalmente automático y con sofisticados sistemas de
seguridad.
Una vez encendido el calefactor, se programa la temperatura deseada para
trabajo, tanto en el termómetro digital de entrada del aceite, como el de salida.
Cuando la temperatura de trabajo es alcanzada por el calefactor, el
programador detiene, cuando la temperatura del aceite haya bajado. El aceite que
usan estos calefactores, tiene un límite máximo de temperatura de 300ºC.
En la planta hay dos calefactores de 600.000 kcal/h, uno de los cuales, opera
con combustible líquido (Petróleo Diesel) y el otro con combustible gaseoso (Gas
Natural).
Figura Nº4.5 Calefactor térmico a gas natural.
18
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
4.4) CARACTERISTICAS CALEFACTOR TERMICO
El calefactor térmico de marca THERMOPAC, tiene un sistema mono tubular
diseñado para obtener una alta velocidad de circulación y un gran poder de
intercambio calorífico. Debido a que el circuito de utilización no está a presión, los
intercambiadores son de construcción simple, liviana y por consiguiente poco
costosa, especialmente si los líquidos que se han de calentar necesitan el empleo
de metales especiales.
El calefactor tiene un sistema de seguridad (FAIL-SAFE) que controla la
velocidad de circulación del fluido y la temperatura a lo largo de todas las paredes
calentadas lo que permite un funcionamiento prolongado sin el menor riesgo de
descomposición del fluido.
Tabla Nº4.2 Especificaciones calefactor térmico.
��<�3"/"3�3"�����é3�"3��
��!3� XℎDB+IZ[9
���� � XH − 600
.����3"�2áS"2� 600.000]9[^ ℎ⁄ �I+J_[^ &�2N0��"N � `[C_[;aB[^8.300]9[^ +,�⁄
.�!�"���3�!=�2"�"2�3� �/�3��! 1,8+. 9. ^(+D;BIC9I^a+_[^JcaJd[) ��2<�!��0!�2�S"2�/ 0"�� 300°�
e 0"���é!2"3� f9DJ;D+IgJ^;ℎDB+603
Fuente: Elaboración propia.
19
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
4.5) PROCESO CALEFACCION DEL PITCH ASFALTICO
El pitch asfáltico como producto viscoso se obtiene de la refinación del
petróleo que es procesado en torres de vacío por ENAP REFINERIAS BIO – BIO.
La distribución se genera atreves de cañerías que unen a ambas plantas,
impulsado por bombas desplazamiento positivo debido a que sus características,
permiten hacer fluir líquidos de alta viscosidad. El producto viaja a través de las
cañerías a una temperatura de 135 ºC que es generada en el proceso de
obtención en las torres de vacío. Al llegar a las líneas de la planta éste es
depositado en 4 estanques a presión atmosférica, cada uno tiene serpentines
conectados a la línea principal de de calefacción.
El calefactor calienta el aceite térmico, que se encuentra en un circuito
cerrado de calefacción de estanques, líneas de bombas y planta en general. Lo
principal del producto es que éste pueda llegar a ser calefaccionado a una
temperatura de 150 ºC, debido a que esa temperatura es más bombeable y
también para los requisitos del comprador.
En la siguiente figura se representara el proceso de calefacción de los 4
estanques en estudio.
20
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
21
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
CAPITULO 5: RENDIMIENTO TERMICO INDIRECTO
El rendimiento térmico indirecto se determina utilizando el análisis de los
gases de combustión a la salida del calefactor (chimenea).
Para la determinación de este rendimiento se hace necesario un análisis de
gases de la combustión que entrega la composición volumétrica de los productos
secos de la combustión que escapan del calefactor.
5.1) EQUIPO UTILIZADO PARA MEDIR LOS GASES DE LA CO MBUSTION
Para esto se utilizó el equipo analizador de gases de la empresa
FRAGASTEC, el equipo BACHARAC PCA2.
Figura Nº5.1 Analizador de gases marca Bacharach PCA2.
22
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Se realizaron varias pruebas variando el dámper de suministro del aire y los
resultados obtenidos se resumen en la tabla Nº 5.1.
Tabla Nº5.1 Gases de la combustión (gas natural PCI=8300 kcal/mɜ).
���"3"ó�
�.h# �.h? �.hT &. � �. �5 �. �$ �. �i
j?(%)
11,1 10,3 9,8 12,2 12,6 13,2 13,4
&j?(%)
5,6 6 6,4 4,9 4,6 4,4 4,2
&j(<<2)
1.110 2.735 3.578 161 210 126 99
�. �(%)
99,6 84,5 76,5 123,7 133,5 151,2 157,2
��2<�!��0!� =����°&
334 346 353 316 333 329 326
��2<�!��0!� �"!�°&
11,6 11,8 13,7 11,2 14,3 15,3 15,8
�/"3"��3"�(%) .&k
59,6 59,9 60,7 58,1 55,1 54,4 54,1
��2<�!��0!� �3�"��°&
142 144 160 134 174 179 184
Fuente: Elaboración propia.
�.h = ��2<�!!��03"��
�. � = ��2<�!�02������
&. � = &���"3"�����3�0� �����!�N�l�
23
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Nota: En la medición D.R 3 no se pudo cerrar más el dámper, debido que el CO se elevó
demasiado, sobrepasando el límite permitido del equipo de medición saturándolo y en la
medición D.A 6 el dámper estaba completamente abierto (100 %).
Los siguientes cálculos se harán de la medición D.R 1 tabla Nº 5.1 para
ejemplificar los valores obtenidos.
5.2 CALCULO ANALITICO EXCESO AIRE
%�S3����"!� = j? "N!�<!�� − m&j
? n<!��
6, ?iio? −(j? "N!�<!�� − (&j? <!��)
∗ #66
%�S3����"!� = 11,1 − m0,1110
2 n
0,266 ∗ 83,189 −(11,1 − (0,11102 )∗ 100 = 99,6%
24
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
5.3 CALCULO EXCESO AIRE POR DIAGRAMA.
Figura Nº 5.2 Triangulo combustión para exceso de aire gas natural.
De la siguiente figura se puede observar el oxígeno libre que equivale
aproximadamente un 99 % de exceso de aire para esta medición. Por lo tanto hay
una gran concordancia con los cálculos.
5.4 MASA DE GASES DE LA COMBUSTIÓN.
2= = ##&j? + Pj? + O(o? + &j)T(&j? + &j) ∗ 3N(p=<!����3�� p=3�2N)⁄
Donde: cb = kg de carbono en el combustible / kg combustible
∴ D^9gdD^*[C_[;aB[^(�rM)DC6, O$ ()*9[BgI_I )*9I+gaC;Jg^D)⁄
25
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
+* = 11 ∗ 5,6 + 8 ∗ 11,1 + 7(83,189 + 0,1110)3(5,6 + 0,1110) ∗ 6, O$
2= = T?, # (p=<!����3�� p=3�2N0��"N �⁄ )
5.5 CALOR PERDIDO POR GASES CALIENTES COMBUSTION
s= = 2= ∗ &<, = ∗ t�= − ��u(p3� p=3�2N0��"N �)⁄
�v, * = 9[^IBDCZD9íxJ9I[Z = 9;DdD^ICZBIda9;IC = 0,26 )9[^ ()*°�)⁄
Xy = ;D+ZDB[;aB[*[CDCdD^[9I+gaC;JI_, °�
Xz = ;D+ZDB[;aB[dD^[JBD[;+ICxDBJ9I, °�
s= = T?, # ∗ 6, ?i ∗ (TT5 − ##, i) = ?. O6i, O (p3� p=3�2N0��"N �)⁄
5.6 CALOR PERDIDO POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA
s3" = $. i5$ ∗ &j ∗ 3N/(&j? + &j) (p3� p=3�2N0��"N �|ú2���⁄ )
~�� = 5.645 ∗ 0,1110 ∗ 0,75/(5,6 + 0,1110) ()9[^ )*9I+gaC;Jg^Dℎú+DdI)⁄
s3" = P?, ? (p3� p=3�2N0��"N �)⁄
5.7 CALOR PERDIDO POR RADIACION, CONVECCION Y CONDU CCION POR PAREDES DEL HORNO U HOGAR.
Se acostumbra a expresarlo como un porcentaje del poder calorífico superior
del combustible. Fluctúa entre un 1% y 10%, dependiendo de la capacidad
calorífica, en (kcal/h) del equipo de transferencia de calor. Para una caldera se
adjunta la figura Nº5.3
26
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Figura Nº 5.3 Perdidas de radiación (%) v/s capacidad, para calderas.
De la siguiente figura se obtiene que el calor perdido por radiación, por
paredes del horno u hogar para una capacidad térmica de 600.000 kcal/h y
corresponde a un 2,2 % y equivale a:
s! = ?$i, #(p3� p=3�2N.⁄ )
5.8 CALOR PERDIDO POR EVAPORACION DE AGUA FORMADA
s�=0� = (� ∗ �?) ∗ (|R −| )(p3� p=3�2N.⁄ )
r� = �I+ZICJ9JI_*B[�J+é;BJ9[dD^r�D_D^9I+gaC;Jg^DD_, ()*r2 )*9I+g)⁄
27
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
ℎ� = �_;[^Zí[dD^�[ZIBdD[*a[[;* = 597,2 + 0,45 ∗ ;*
ℎ� = �_;[^Zí[dD^[*a[^JcaJd[[;[
~zy�z = (9 ∗ 0,25) ∗ (597,2 + 0,45 ∗ 334 − 11,6)()9[^ )*9I+g.⁄ )
s�=0� = #. i$$, O(p3� p=3�2N.⁄ )
5.9 CALOR DISPONIBLE O CALOR UTIL
Corresponde al calor efectivamente aprovechable de la combustión, y
resulta al poder calorífico superior restarle todas las pérdidas de calor.
Por lo tanto se tiene:
s�"�<��"N � = .&k −s= −s3" − s! − s�=0�(p3� p=3�2N0��"N �)⁄
~���v������ = 11.641 − 2.706,7 − 82,2 − 256,1 − 1.655,7
s�"�<��"N � = i�56, T(p3� p=3�2N0��"N �⁄ )
5.10 RENDIMIENTO DE UNA COMBUSTION
ŋ3�2N0��. =s�"�<��"N �.&k ∗ #66(!�/�!"��� .&k)
ŋ3�2N0��. = i.�56,T##.i5# ∗ #66 = $�, i%
Por lo tanto se tiene que los resultados de los cálculos de análisis de gases
para las diferentes condiciones de operación fueron los siguientes.
28
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Tabla 5.3 Cálculos de los valores obtenidos en análisis de gases.
���"3"ó�
�.hT �.h? �.h# &. � �.�5 �.�$ �.�i
�. �(%) 76,5 84,5 99,6 123,7 133,5 151,2 154,2
s= (p3� p=3�2N.)⁄ 2.413,6 2.557,08 2.706,7 2965,8 3.295,5 3.418,7 3.437,8
s3" (p3� p=3�2N.)⁄ 223,6 184,5 82,1 13,8 19,2 12,06 9,7
s�=0� (p3� p=3�2N.⁄ ) 1.670,29 1.667,4 1.655,7 1638,4 1.648,6 1.647,1 1.638,4
s! (p3� p=3�2N.)⁄ 256,1 256,1 256,1 256,1 256,1 256,1 256,1
s�"�<.&k (p3� p=3�2N.)⁄ 7077,3 6.976,2 6.940,2 6.766,7 6.421,4 6.306,9 6298,8
ŋ.&k.(%)
59,6 59,9 60,7 58,1 55,1 54,1 54,1
Fuente: Elaboración propia.
Nota: El máximo rendimiento de la combustión se observa en la medición D.R 3, pero
este análisis no se puede ejecutar debido a que sobre pasa la cantidad máxima permitido
de emisiones de CO (< 400 ppm). La medición que se utilizará para los cálculos
posteriores correspondiente será la medición C.A.
29
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
5.11 GRAFICAS DEL ANÁLISIS DE GASES
Figura 5.4 Exceso de aire v/s ppm de CO – Rendimiento en la combustión.
Figura 5.5 Exceso de aire v/s temperatura gases - Rendimiento en la combustión.
30
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Las gráficas descritas indican el comportamiento del exceso de aire con
respecto al monóxido de carbono, rendimiento de la combustión y temperatura de
gases. En lo observado el exceso de aire es inversamente proporcional al
monóxido de carbono, al aumentar el exceso de aire disminuye el CO y al
disminuir el CO el exceso de aire aumenta. El máximo rendimiento se observa
cuando los valores del CO son elevados, pero no se permite de acuerdo al decreto
de emisiones de partículas que deben ser bajo los 400 ppm de emisiones de CO.
En la figura Nº 5.5 se observa que cuando el exceso de aire aumenta, la
temperatura de los gases disminuye pero a su vez considerablemente el
rendimiento disminuye. El mayor rendimiento se obtiene en la medición D.R 3,
cuando el exceso de aire corresponde a un 76,3 %, pero la temperatura de los
gases es muy alta y provoca una pérdida de energía considerable que no se
aprovecha.
Por lo tanto la mejor condición de operación es la actual, trabajando con
exceso de aire de 123,7 % (medición C.A), eficiencia de 58% y un CO de 161 ppm
(ver tabla Nº5.1 con mayor detalle).
31
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
5.12 CONCLUSIONES DEL CAPITULO
Se conoce un calefactor térmico a un equipo estático que se utiliza para
calentar aceite térmico a presiones muy cercanas a la atmosférica para usos
industriales a partir de un combustible (gas natural). El rendimiento térmico
indirecto de la combustión indica cuan eficiente es un calefactor térmico. Este
rendimiento depende de múltiples factores del tipo de combustible, cantidad
combustible, densidad del combustible, presión llegada combustible, cantidad aire,
temperatura gases combustión, temperatura aire atmosférico, material calefactor,
quemador.
Se puede mencionar que una combustión se puede mejorar controlando la
composición de los gases de la combustión, y regulándola de tal modo que el ���
sea el máximo con el menor contenido de �� (exceso de aire) o bien que el CO
sea el mínimo, con el menor valor de ��.
En general para que el rendimiento de una combustión sea elevado, será
preciso que la combustión se realice de la manera más perfecta posible, y que la
temperatura de los gases evacuados a la chimenea sea lo más baja posible. Es
decir, que la cantidad de calor arrastrada por los gases sea la mínima posible,
correspondiendo al mínimo de calor latente por inquemados y al mínimo de calor
sensible por temperatura de los gases y por exceso de aire.
Los resultados hechos anteriormente dieron datos muy malos, la eficiencia
de la combustión dio resultados bajos, debido al gran exceso de aire que necesita
el sistema, el valor más alto que se pudo llegar fue de un rendimiento del 60,7 %
(medición D.R 3), malo para un combustible de buen rendimiento , el valor del CO
se disparo a los valores de 4000 ppm cuando se obtuvo el máximo rendimiento ,
saturando el equipo de medición utilizado , por lo cual se abrió mas el damper
para que entrara aire a la combustión y bajara los niveles de CO permitidos para
emisiones de CO que deben ser bajo los 400 ppm según decreto de MINSAL. El
exceso de aire recomendado para una combustión (gas natural) optima es de 10 –
12 %.
32
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
La temperatura de los gases es muy elevada aún cuando se alcanza el
máximo y el mínimo rendimiento de la combustión, es decir la energía arrastrada
por los gases es cerca del 25,4 % disipada al ambiente y no utilizada en ningún
otro proceso.
El mejor rendimiento que se puede dejar en el sistema es el actual, debido a
que trabaja bajo los 400 ppm, otro aspecto a tomar son las condiciones al interior
del calefactor, se encontraron sectores carbonizados y en muy mal estado, debido
al ventilador se encuentra muy oxidado, arrastrando partículas hacia la
combustión.
Por lo tanto se puede concluir que el factor determinante en la eficiencia del
calefactor, es el quemador inadecuado y en malas condiciones de mantención.
Debido a que este quemador utilizaba inicialmente petróleo y posteriormente
se adecuo para gas natural, pero se aprecia que este no fue adecuado
correctamente o bien definitivamente debe ser reemplazado.
5.13 APROVECHAMIENTO DE LOS GASES DE LA COMBUSTION
Debido a la elevada temperatura de los gases a la salida de la chimenea,
ésta arrastra una gran cantidad de energía que es liberada al ambiente y que no
es aprovechable, para esto se puede utilizar parte de su energía en otro proceso.
Actualmente en CLASA S.A, se calienta agua en un estanque para mezclar
con el pitch, esto es para aumentar la viscosidad del producto. Esta energía se
puede aprovechar para calentar el agua diseñando un serpentín para transferir el
calor de los gases hacia el agua.
A continuación se harán los cálculos para saber cuánto agua se puede
calentar con la energía de los gases.
33
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Datos:
Temperatura final agua: 50°�
Temperatura entrada: 15°�
Masa de gases: 37,4 )*H. : )*9I+g.⁄
�����.: 0,712 )* +,⁄ “Condiciones normales”
�Zyz���: 1,089 )U ()* ∗ °�)⁄
�Zzy�z: 4,187 )U ()* ∗ °�)⁄
Temperatura entrada gases: 316°�
Aceptando que los gases de combustión escapen a la atmósfera a una
temperatura de 200 ºC, se tiene:
~zy�z = ~yz���
+zy�z ∗ �Zzy�z ∗ ∆Xzy�z = +yz��� ∗ �Zyz��� ∗ ∆Xyz���
+zy�z ∗ 4,187 ∗ 35 = 0,480 ∗ 1,089 ∗ 116
+zy�z = 0,410 )* C⁄
Por lo tanto se pueden calentar 1.476 kg/ h de agua.
34
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
CAPITULO 6: ANALISIS DE PERDIDAS DE CALOR EN LINEAS DE ACEITE TERMICO
Cuando por una cañería pasa un fluido caliente (aceite), transfiere su calor
por radiación, convección y conducción. La cantidad de pérdida de energía
depende de varios factores, la temperatura, el tipo de aislación de la cañería y la
temperatura ambiente.
El cálculo de las pérdidas de calor puede ser muy complejo y requerir
bastante tiempo es por esto que uno de los propósitos de este capítulo es
determinar de forma práctica y estimativa por concepto de transferencia de calor
desde las líneas de aceite hacia el exterior.
Por último se determinaran los costos monetarios de calentar el aceite con lo
cual se podrán determinar los costos de pérdida de energía por transferencia de
calor hacia el ambiente y lo aprovechable.
6.1) DESCRIPCION DEL SISTEMA DE TRANSPORTE DEL ACEI TE TERMICO
El sistema de calefacción de la planta cuenta con líneas de transporte de
aceite térmico. Se conoce así al producto directamente calefaccionado por un
calefactor térmico en este caso práctico a gas natural.
Después de calentado el aceite térmico éste es impulsado por una bomba
centrifuga. Una vez llegado a los manifold (M) se distribuye a cada estanque de
pitch asfáltico y otros procesos.
35
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Figura 6.1 Manifold(M) distribución aceite térmico.
Las líneas de transporte de aceite térmico calientan los siguientes productos.
� Cemento asfáltico (CA-24 , CA-14)
� Emulsiones
� Soluciones
Nota: Las líneas de calefacción que se analizaran son las que llegan a los estanques de almacenamiento de Cementos asfáltico (TK-18, TK-2, TK-1, TK-19).
6.2) PERDIDAS DE CALOR EN LINEAS DE ACEITE
En planta CLASA S.A las líneas de aceite se encuentran completamente
aisladas a excepción de algunas líneas que cubren otros procesos de calefacción
a diferentes productos.
36
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Las líneas de retorno también están totalmente cubiertas de aislamiento con
una capa de lana mineral minimizando las pérdidas de calor hacia el ambiente.
En la siguiente tabla se especifican más acabadamente los tramos que
poseen aislación.
Tabla Nº6 .1 Líneas de aceite en estudio (salida calefactor).
�!�2� �[B*I
;B[+I(+) �J[+D;BI
9[ñDBJ[(Za^*) �CZDCIB
[JC^[9Jó_(Za^*)XD+ZDB[;aB[
IZDB[9Jó_°�
� − ��#P 29,8 2 2 217
� − ��? 10,2 2 2 217
� − ��# 1,6 2 2 217
� − ��#� 37,8 2 2 217
���� 79,4
Fuente: Elaboración propia.
Tabla Nº6.2 Líneas de aceite en estudio (retorno calefactor).
�!�2� �[B*I ;B[+I(+)
�J[+D;BI 9[ñDBJ[(Za^*)
�CZDCIB [JC^[9Jó_(Za^*)
XD+ZDB[;aB[ IZDB[9Jó_°�
��#P − � 29,8 2 2 200
��? − � 10,2 2 2 200
��# − � 1,6 2 2 200
��#� − � 37,8 2 2 200
���� 79,4
Fuente: Elaboración propia.
Nota: Las temperaturas de operación se tomaron de acuerdo a lo indicado por el display
del calefactor que marca las temperaturas de salida y retorno del aceite térmico.
Capítulos más adelante se harán los cálculos detallados para conocer las temperaturas
de entrada y salida del aceite térmico de cada estanque.
Para determinar la cantidad de calor perdido por líneas con aislación se
procederá a utilizar algunos datos de la tabla proporcionada y que entrega la
cantidad de calor perdido por metro lineal de cañería. Las variables que inciden en
37
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
la tabla son el diámetro nominal, la temperatura de operación y el espesor de
aislamiento.
La siguiente tabla indica la cantidad de calor transferido al ambiente según la
temperatura de operación y espesor de aislación por metro lineal.
Tabla Nº6.3 Tabla de pérdidas de calor aíslan.
.é!�"���3� �! p3� (| ∗ 2)⁄ ��3�ñ�!"��3���"� �3"ó���"��"� �3"ó�
( ���2"��!� )
∅o�2"�� �� �3�ñ�!"�
(<0 =)
��<���! �"� �3"ó� ��(22)
��2<�!��0!��� �3�ñ�!"���°&
75
100
150
200
300
400
1
0 179 247 358 480 782 1320
25 19 27 41 55 90 147
50 12 18 36 43 63 97
75 10 15 23 31 50 83
100 9 12 19 26 42 68
2
0 234 327 483 658 1110 1958
25 29 41 60 83 135 221
50 18 25 37 51 85 136
75 15 22 32 44 73 119
100 11 16 24 34 55 90
3
0 403 449 663 913 1555 2773
25 38 54 81 111 181 296
50 23 32 48 66 107 175
75 17 24 36 50 81 133
100 14 20 31 42 68 112
38
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Nota: Para la temperatura de operación de 200 ºC los valores rojos son los indicados,
pero debido a que la temperatura de operación de 217 ºC en estudio no está en tabla por
lo cual se interpolo para poder obtener el valor deseado, para este caso resulto una
pérdida de 56,78 p3� (| ∗ 2)⁄ para una temperatura de 217 ºC
La tabla siguiente indica los espesores recomendados de aislante para
diferentes diámetros nominales de cañería y rangos de temperatura de operación.
Tabla Nº6.4 Espesores recomendados por empresa aislantes térmicos Luis Souyet Fresard.
∅��2"�� �� �3�ñ�!"�
(<0 =) ����� #66°&
#66� #$6°&
#$6� ?66°&
?66� ?$6°&
?$6� T66°&
T66� T$6°&
# 25 25 50 50 60 60
? 25 40 50 50 60 70
T 25 40 60 60 70 80
5 40 40 60 60 70 80
$ 40 50 60 60 70 80
i 40 50 70 70 80 80
Luego utilizando las tablas anteriores se calculan las pérdidas de calor en las
líneas de aceite y se verifican el espesor recomendado para cada tramo de aceite
térmico.
Tabla Nº6.5 Pérdidas de calor en líneas de aceite (salida) y espesor de aislación.
�!�2� s<�!�"�� p3� |⁄ ��<���!�"� �3"��
"���� ���(<0 =)
��<���!�"� �3"��
!�3�2������(<0 =� − ��#P 1.692 2 2
� − ��? 579,1 2 2
� − ��# 90,8 2 2
� − ��#� 2.146,2 2 2
���� 4.508,1 Fuente: Elaboración propia.
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Tabla Nº6.6 Pérdidas de calor en líneas de aceite (retorno) y espesor de aislación.
�!�2� s��#P − �
��? − �
��# − �
��#� − �
���� Fuente: Elaboración propia.
En consecuencia se tiene que la pérdida
indicados es de 8.557,5 kcal/h
Fuente: Elaboración propia.
Calor perdido por líneas con aislación
297.264,5 kcal /h
Calor generado calefactor
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
rdidas de calor en líneas de aceite (retorno) y espesor de aislación.
s<�!�"�� p3� |⁄ ��<���!�"� �3"��
"���� ���(<0 =)
��<���!�3�2������
1.519,8 2
520,2 2
81,6 2
1.927,8 2
4.049,4
En consecuencia se tiene que la pérdida total de calor en lo
indicados es de 8.557,5 kcal/h (9,9 kW).
Elaboración propia.
97,2 %
2,8 %
Calor perdido por líneas con aislación
297.264,5 kcal /h 8.557,5 kcal/h
Calor generado calefactor Pérdida de calor en líneas
39
rdidas de calor en líneas de aceite (retorno) y espesor de aislación.
��<���!�"� �3"��
!�3�2������(<0 =2
2
2
2
de calor en los tramos
Calor perdido por líneas con aislación
Pérdida de calor en líneas
40
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
6.3) ANALISIS ECONOMICO DE PERDIDAS ENERGETICAS EN LINEAS DE ACEITE POR TRANSFERENCIA DE CALOR AL AMBIENTE
Una de las formas de evaluar la eficiencia y controlar un sistema de calefacción es darle un costo en $/kcal de energía.
Los costos asociados a la generación de energía dependen de las siguientes
variables.
� Consumo combustible
� Costo del combustible
� Eficiencia de la combustión
Por lo general la variable de mayor impacto en el proceso de calefacción del
aceite térmico es el costo del combustible es por eso que se hace relevante a la
hora de calcular los costos de calefacción y el tipo de combustible a utilizar.
Tabla Nº6.7 Medición consumo gas natural.
���"3"ó� &���02�2T ��!� # 368.933 11: 00 ? 368.458 12: 00 T 368.522 13: 00 5 368.587 14: 00 $ 368.651 15: 00
Fuente: Elaboración propia.
Nota: El consumo de gas fue de i$ 2T |⁄
El consumo de combustible fue determinado mediante mediciones (tabla Nº
6.7) que se tomó cada una hora, dando un consumo de 65+, ℎ⁄ . Los costos se
harán en base a la utilización en tiempo de calefacción de los estanques 8 horas
diarias, 5 días a la semana durante un mes.
41
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Según los datos y formulas obtenidas el costo de producir 1kcal queda dado
por:
521 $ +,⁄0,58�8300 )9[^ +,⁄ = 0,1082 $ )9[^⁄
� Rendimiento combustión (ŋ) = 0,58
� Poder Calorífico Inferior (gas natural) = 8300 )9[^ +,⁄
� Valor gas natural = 521 $ +,⁄
6.4) PERDIDAS ECONOMICAS EN LINEAS DE ACEITE TERMIC O
Los costos se harán sobre la base de 8 h al día, 5 días a la semana y 4
semanas.
Tabla Nº6.8 Pérdidas de calor y costo en línea de salida aceite.
�!�2�
� − ��#P � − ��? � − ��# � − ��#� ����
s<�!�"�� (p3� |)⁄
1.692 579,1 90,8 2.146,2 4.508,1
&����<�!�"�� ($ |)⁄ 183,1 62,6 9,8 232,2 487,7
&����<�!�"�� ($ �"�)⁄ 1464,5 501,2 78,5 1857,7 3.901,9
&����<�!�"�� ($ ��2���)⁄ 7.322,9 2.506,3 392,9 9.288,7 19.510,8
&����<�!�"�� ($ 2��⁄ ) 29.291,9 10.025,3 1.571,9 37.155 78.044,1
Fuente: Elaboración propia.
42
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Tabla Nº6.9 Pérdidas de calor y costo en línea de entrada aceite.
�!�2�
��#P − � ��? − � ��# − � ��#� − � ����
s<�!�"�� (p3� |)⁄
1.519,8 520,2 81,6 1.927,8 4.049,4
&����<�!�"�� ($ |)⁄ 164,1 56,2 8,8 208,5 437,6
&����<�!�"�� ($ �"�)⁄ 1.315,5 450,2 70,6 1.668,7 3.505
&����<�!�"�� ($ ��2���)⁄ 6.577,6 2.251,4 353,1 8.343,5 17.505,6
&����<�!�"�� ($ 2��⁄ ) 26.310,7 9.005,7 1.412,6 33.374,1 70.103,1
Fuente: Elaboración propia.
En las siguientes tablas se puede observar como actúa el rendimiento de la
combustión en las pérdidas económicas por transferencia de calor hacia el
ambiente por las líneas de aceite térmico.
Tabla Nº6.10 Costos económicos en línea de salida aceite térmico al variar el rendimiento.
43
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Tabla Nº6.11 Costos económicos en línea de entrada aceite térmico al variar el rendimiento.
44
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
6.5) CONCLUSIONES DEL CAPITULO
Se conoce que la transferencia de calor como proceso por el cual se
intercambia energía entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo
cuerpo. Para este capítulo ocurre entre un fluido en movimiento (aceite térmico)
conducido por cañerías de acero (aisladas) con su medio ambiente.
Las pérdidas por concepto de transferencia de calor suceden por diferentes
ámbitos, espesor de aislación mal recomendado, temperatura ambiente,
temperatura fluido etc.
Por esto es muy importante tener un sistema de aislación térmica de acuerdo
a las necesidades del producto a calefaccionar (aceite térmico).
Las líneas en estudio para este capítulo son las que llegan desde el manifold
de distribución de aceite térmico hacia cada estanque. Se midieron las distancias
correspondientes de llegada y salida del aceite y una vez verificadas las distancias
se tomaron los datos correspondientes en el display del calefactor para las
temperaturas de operación del aceite, dando los resultados de salida (217 ºC) y
entrada (200 ºC).
Para determinar la cantidad de calor perdido por líneas con aislación se
procedió a utilizar la tabla Nº 6.2 que entrega la cantidad de calor (energía)
perdido por metro lineal de cañería de acuerdo a las variables de temperatura de
operación del fluido ,el diámetro de las cañerías y espesor de aislación. Debido a
que el valor de la temperatura de operación de salida no estaba en la tabla se
procedió a interpolar dando una pérdida de 56,78 )9[^ (ℎ ∗ +⁄ ) para un diámetro
de cañería de 2” y espesor de aislación 2”.
El porcentaje de pérdida fue de 2,8 % con respecto al calor generado por el
calefactor.
Entre mayor espesor de aislación, las pérdidas de calor se reducen, pero
estas pérdidas de calor son inevitables. De acuerdo a la tabla Nº 6.4 el rango de
aislación es el recomendado para la temperatura de operación y diámetro de la
45
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
cañería, otro factor a considerar es la distancia desde los manifold hacia cada
estanque, el de mayor distancia es el tramo Manifold – Estanque TK19, la pérdida
de calor (energía) hacia el exterior es mayor debido a la gran distancia que los
separa, pero el factor mayor a considerar es el costo de producir energía.
Una de las formas que se evaluó los costos económicos por energía disipada
hacia el exterior fue darle un costo en $/kcal a la energía producida.
Según los datos y fórmulas el costo de producir 1kcal quedó en un valor de
0,1082 $/Kcal, donde el resultado del rendimiento de la combustión influye
notoriamente en los costos de producir energía. Aumentando el rendimiento este
valor disminuye notoriamente y los costos económicos de energía disipada al
exterior bajan.
El sistema de aislación es bueno, está en los márgenes de recomendación
según tablas de fabricante, lo único que hace aumentar los costos económicos es
el rendimiento de la combustión que está muy debajo por el establecido según
indicación técnica que debe ser entre un 70 a 80 %.
46
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
CAPITULO 7: ANALISIS DE PERDIDAS DE CALOR EN ESTANQ UES DE ALMACENAMIENTO DEL PITCH ASFALTICO.
La disponibilidad de materias primas, combustibles y el almacenamiento de
productos finales es crítico en casi todos los campos de la industria.
Generalmente, se utilizan estanques grandes para materias primas, combustibles
y productos finales. Se utilizan estanques y recipientes pequeños para almacenar
temporalmente productos en proceso. Para conservar las sustancias y garantizar
la estabilidad y seguridad del proceso de producción, es importante mantener la
temperatura interna del estanque entre ciertos límites de temperatura.
En la planta CLASA. SA cada estanque tiene instalado sus respectivo
sistema de aislación tratando de minimizar las pérdidas de calor a través de las
paredes y el techo.
7.1) CARACTERISTICAS DE CADA ESTANQUE DE ALMACENAMI ENTO.
A continuación se exponen las características de cada estanque en estudio:
Tabla Nº 7.1 Características de cada estanque.
������0�
�� − #P �� − ? �� − # �� − #�
Ø(2)
4,7 4,8 7,3 7,8
� �0!�(2)
8,3 6 8 8,45
&�<�3"���(2T)
135 100 300 350
��<���! �"� ����(<0 =) 2 2 2 2
��<���! <�!����(22) 10 10 10 10
Fuente: Elaboración propia.
47
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Figura Nº 7.1 Estanque TK-19.
7.2) ESQUEMA DE TRANSFERENCIA DE CALOR ENTRE EL ACEIT E
TERMICO Y EL PITCH.
El siguiente esquema se basará en la transferencia de calor y que ocurre
desde un fluido incomprensible a un medio no perturbado, es decir, desde el aceite
en movimiento al pitch en estado de reposo, que debe calentarse desde
aproximadamente 135 ºC a 150 ºC
El balance térmico, en un estanque de calefacción de pitch asfáltico es:
~zv���zz����� =~z��������v���� +~v���.�z���
48
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Figura Nº 7.2 Esquema proceso de transferencia de calor y termodinámica en el serpentín.
X�z = XD+ZDB[;aB[D_;B[d[dD^[9DJ;D;DB+J9I
X�z = XD+ZDB[;aB[C[^Jd[dD^[9DJ;D;DB+J9I
X�v = XD+ZDB[;aB[J_J9J[^HJ;9ℎ[Cxá^;J9I
X�v = XD+ZDB[;aB[xJ_[^ZJ;9ℎ[Cxá^;J9I
7.3) CALCULO DEL COEFICIENTE CONVECTIVO EXTERIOR (h e) DE
LOS ESTANQUES
El coeficiente convectivo exterior es la relación entre la pared exterior del
estanque y el aire del medio ambiente.
Para ejemplificar los cálculos, se analizará el estanque TK-19 para los
cálculos de pérdida de calor hacia el exterior.
49
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
• Ecuaciones de transferencia de calor
El número de Nusselt (Nu) representa la relación que existe entre el calor
transferido por convección a través del fluido y el que se transferirá si solo existe
conducción. Y queda expresado de la siguiente forma.
o0� =|� ∗ ∅�p�"!�
Lo importante es poder calcular el coeficiente convectivo exterior (he) para
los cálculos de pérdida de calor de las paredes de los estanques y asi conocer el
calor que realmente recibe el pitch asfáltico.
|� =o0 ∗ p�"!�∅�
Correlación del Nusselt con el Prandt y Reynolds
o0 = 6, 5T5 + #, ## ∗ & ∗ h��2 ∗ .!6,T#
Los valores de C y m se obtendrán en función del D¡ de la siguiente tabla
de acuerdo a la sección.
Tabla Nº 7.2 Valores de C y m según intervalo del Reynolds.
Sección D¡ C m
R∞EEEEEEEF
Desde Hasta
0,4 4 0,891 0,33
4 40 0,821 0,395
40 4000 0,615 0,466
4000 40000 0,174 0,618
40000 4000000 0,0239 0,805
50
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
• Formulas para determinar el Reynolds y viscosidad d el aire.
D¡ = £D^I9������ ∗ ∅�ʋz���
ʋz��� =μz����z���
Nota: La siguiente tabla muestra las mediciones hechas el día 4/01/2012. La velocidad
del viento se considero un valor de 35 (km/h) equivalente a 9,7 (m/s), debido a la
ubicación geográfica de la empresa y estadísticas climatológicas según servicio
climatológico de la armada.
Tabla 7.3 Mediciones de temperatura
������0� ��2<�!��0!� <�!��°&
��2<�!��0!� �2N"����°&
��2<�!��0!� <!�2��"�°&
�� �3"��� R"����(2 �)⁄
�� − #P 35 25 30 9,7 �� − ? 38 25 31,5 9,7 �� − # 34 25 29,5 9,7 �� − #� 35 25 30 9,7
Fuente: Elaboración propia.
Figura 7.3 Equipo de medición (termocupla de contacto).
51
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
μz��� = 0,00001872()* (+ ∗ C)⁄ “Software EES”
“Este valor se obtuvo a la temperatura promedio entre la pared del estanque
y medio ambiente”
�z��� = 1,172()* +,)⁄ “Software EES”
“Este valor se obtuvo a la temperatura promedio y la presión atmosférica
aire”
HB = 0,7282 “Software EES”
“Este valor se obtuvo del programas EES a la temperatura promedio”
)z��� = 0,02588(V + ∗ ])⁄ “Software EES”
“Este valor se obtuvo del programa EES a la temperatura promedio”
ʋz��� =0,000018721,172 = 15,97 ∗ 10L¥(+� C⁄ )
D¡ = 9,7 ∗ 7,870815,97 ∗ 10L¥ = 4,78 ∗ 10¥
Nota: Por lo tanto los valores de C y m obtenidos de la tabla son:
� = 0,0239
+ = 0,805
• Calculo de �a�
�a� = 0,434 + 1,11 ∗ 0,0239 ∗ (4,78 ∗ 10L¥)¦,§¦¨ ∗ (0,7282)¦,,©
�a� = 5727,8
ℎ� = 5727,8 ∗ 0,025887,8708 = 18,8(V +� ∗ ])⁄
52
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
7.4) CALCULO DE LA PERDIDA DE CALOR HACIA EL EXTERI OR
Una de las formas de poder calcular las pérdidas de calor hacia el exterior es
evaluando el área de transferencia y las condiciones de temperatura de la pared y
temperatura del aire que varía debido a las diferentes condiciones climáticas.
La siguiente fórmula entrega las pérdidas de calor de cada estanque y sus
diferentes condiciones.
s<�!� =|� ∗ ����� ∗ (�<�!�� −��2N"����)
����� = ª ∗∅� ∗ | ∗ +ª ∅�?
5
f���z� = « ∗ 7,92 ∗ 8,45 + « ∗ 7,92�
4 = 259,5(+)
~v��� = 18,8 ∗ 259,5 ∗ (35 − 25) = 48786V = 48,7()V)
Por lo tanto se tiene que los cálculos de pérdida de calor en los demás
estanques, están dados en la siguiente tabla.
Tabla Nº 7.4 Calor perdido por las paredes del estanque hacia el exterior
������0� �!������
(2?)
|�
(¬ (2? ∗ °&)⁄
s<�!�"��
(p¬)
s<�!�"��
(p3� |⁄ )
�� − #P
143,9 20,77 29,89 25.705,4
�� − ?
111.8 20,62 29,96 25.765,6
�� − #
229,7 19,11 39,51 33.978,6
�� − #�
259,5 18,8 48,7 41.882
Fuente: Elaboración propia.
53
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
7.5) GRAFICAS REPRESENTATIVAS SOBRE LA PERDIDA DE CALOR HACIA EL EXTERIOR.
Las gráficas descritas a continuación indican las pérdidas de calor hacia el
exterior con respecto a la variación de la temperatura de la pared del estanque y
temperatura del aire. Dentro de este análisis de la figura Nº7.4 se observa que la
temperatura de las paredes es directamente proporcional a las pérdidas de calor,
es decir al aumentar la temperatura de la pared, las pérdidas de calor hacia el
exterior por parte de los estanques aumenta.
En la figura Nº7.5 se observa que la temperatura del aire al disminuir, las
pérdidas de los estanques hacia el exterior aumentan considerablemente, este
factor de perdida se nota en aumento en los meses de invierno debido a las bajas
temperaturas que actúan en el medio ambiente, aún así en los meses de verano,
este factor se ve mermado debido a las altas temperaturas, disminuyendo la
transferencia de calor hacia el ambiente.
Figura Nº 7.4 Pérdida calor de los estanque v/s Temperatura pared.
54
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Figura Nº 7.5 Pérdida calor del estanque v/s Temperatura aire.
Las pérdidas de calor en los estanques son muy significativas a la hora de
hacer una evaluación económica en costos monetarios por eso se hace
indispensable el tener cada estanque una buena aislación , entre mayor sea el
espesor del aislante menor será la pérdida de calor hacia el ambiente , debido a
que la temperatura de las paredes será menor y afectará menos el costo
económico de pérdidas , a continuación se elaboró una tabla para verificar los
costos de pérdidas monetarias hacia el exterior por concepto de transferencia de
calor.
55
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Tabla Nº 7.5 Costos de energía hacia el exterior.
�C;[_caDC
�IC;I$/ℎ
�IC;I$/dJ[
�IC;I$/CD+[_[
�IC;I$/+DC
�� − #P
2.781,3 22.250,5 111.252,9 445.011,8
�� − ?
2.787,8 22.302,7 111.513,5 446.054,1
�� − #
3.676,4 29.411,8 147.059,3 588.237,5
�� − #�
4.531,2 36.253,1 181.265,2 725.061,1
����
13.776,7 110.208 580.198,7 2.204.363,5
Fuente: Elaboración propia.
Nota: Estos cálculos se basaron con las características dadas en la tabla Nº7.1 de cada estanque.
A continuación se creó un gráfico para ver la relación que tiene el costo
consumo total del combustible con la relación de pérdidas de energía en costos
monetarios de los estanques.
Los valores del consumo de combustible fueron tomados en el mes de
noviembre dando un consumo total de 23.466+, +DC⁄ y basados en un costo de
$10.820.778
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Fuente: Elaboración propia.
Costos energia hacia el exterior
$ 10.820.778 $ 2.204.363
Costo consumo total combustible
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Elaboración propia.
79,6 %
20,3 %
Costos energia hacia el exterior
$ 10.820.778 $ 2.204.363
Costo consumo total combustible Costo de Pérdida
56
57
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
7.6) CONCLUSIONES DEL CAPITULO.
La aislación térmica de los estanques reduce la transferencia de calor hacia
o desde el ambiente mediante el uso de materiales aislante de baja conductividad
térmica, los objetivos principales son minimizar las pérdidas de calor, proteger al
personal, bienes y medio ambiente, por eso se hace dispensable un buen sistema
d aislación para las necesidades del proceso en este estudio de calefacción del
pitch asfáltico.
La conductividad térmica juega un rol muy importante debido a que el
material posee una baja conductividad térmica las pérdidas se minimizan hacia el
ambiente, pero una conductividad térmica alta maximiza las pérdidas. Todo
material de cumplir con requisitos mínimos en este caso fundamental las
propiedades de transferencia de calor, temperatura máxima de uso y resistencia al
fuego debido a que el pitch asfaltico sobrepasando los 300 ºC es un material
combustible.
Los análisis efectuados en este estudio hacen mención a un factor
importante que es el coeficiente convectivo exterior (he) de transferencia de calor
entre el pitch y el medio ambiente, este valor se ve afectado por 3 propiedades
importantes que son la temperatura de las paredes de los estanques, la
temperatura del ambiente y la velocidad del viento. Se obtuvieron mediante
mediciones que están en la tabla Nº 7.3. Las variable inciden notoriamente en el
valor final del (he). Las pérdidas de calor hacia el ambiente se graficaron en la
figura Nº 7.4 y 7.5 donde al aumentar las temperatura de las paredes, el calor
perdido aumenta considerablemente, es decir directamente proporcional. La
temperatura del ambiente al disminuir las pérdidas de calor de los estanques
aumentan traspasando su calor hacia el ambiente, estas pérdidas se ven
notoriamente afectadas en los meses de invierno donde las temperaturas decaen
considerablemente aumentando las pérdidas, en relación a los meses de verano
estas se minimiza disminuyendo las perdidas hacia el ambiente, otro factor a
considerar es la velocidad del viento, al aumentar, la pérdidas se acrecientan.
58
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Entre mayor sea el he, mayor será la perdida de calor hacia el exterior y la
temperatura promedio entre el ambiente y las paredes.
La energía disipada hacia el ambiente se puede evaluar en costos
económicos que genera las pérdidas. En el capítulo 6 se da a conocer el valor de
producir energía en kcal, actualmente las pérdidas económicas ascienden en un
20,3 % equivalente a $2.204.363 por transferencia de calor hacia el ambiente.
Por lo tanto las pérdidas por transferencia de calor hacia el ambiente son
inevitables debido a que está entre los rangos de aislación recomendado según
planos de construcción.
Una de las formas de minimizar los costos económicos por transferencia de
calor de los estanques es reducir los costos de generación de energía calorífica,
es decir aumentando el rendimiento de la combustión.
59
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
CAPITULO 8: ANALISIS Y CALCULOS TIEMPO DE CALEFACC ION DEL PITCH ASFALTICO
Actualmente en CLASA S.A no hay equipos para medir la masa total de
aceite térmico que circula por las líneas, por eso se recurrió a fórmulas para
obtener las masas que circulan por las líneas de salida y entrada de aceite
térmico, el sistema es un circuito cerrado de distribución.
8.1) BALANCE DE LA MASA DE ACEITE TERMICO EN EL CI RCUITO
s3�2N0��"N � =�3�2N0��"N � ∗ .&k=�����0!�
~����������� = 65+,
ℎ ∗ 8.300 )9[^+, = 539.500()9[^ ℎ⁄ ) = 627,3)V
∴ ~z����� =~����������� ∗ ŋ����������
~z����� = 627,3 ∗ 0,58 = 363,8)V
� Evaluación de la masa total de aceite en el calefactor
~z����� =+���z�z����� ∗ �Zz����� ∗ (XCz����� −XDz�����)
363,8 = +z����� ∗ 2,6 ∗ (217 − 200)
Por lo tanto la +���z�z����� = 8,2()* C⁄ )
Esta masa total de aceite llega al manifold, y se distribuye a cada estanque
de calefacción del pitch asfáltico. De acuerdo a lo señalado anteriormente, se
consideró que la masa que circula por cada estanque es igual en cada uno de
ellos, dando un valor de 2,1 )* C⁄ .
60
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
A continuación se realizará el cálculo de las temperaturas con que llega el
aceite térmico a cada estanque, los valores de las pérdidas de calor en las líneas
están indicados en la tabla Nº 6.5 y los largo de los tramos en la tabla Nº 6.1.
Para ejemplificar se realizará el cálculo hacia el estanque TK-18.
~v�����z�z���z����L®©§ =+z����� ∗ �Zz����� ∗ (XCz��������z�¯�� −XDz��������z�¯��)
1,967)V = 4,1 )*C ∗ 2,6 )U
()* ∗ °�) ∗ (217 −XDz��������z�¯��)°�
Por lo tanto:
XDz����� = 216,8(°�)
Tabla Nº8.1 Temperatura entrada y salida estanques
������0��
����!����3�"��������0�°&
��� "���3�"��������0�°&
�� − #P
216,8 200
�� − ?
216,7 200
�� − #
216,7 200
�� − #�
216,2 200
Fuente: Elaboración propia.
Como se puede observar en la tabla Nº8.1 las temperaturas de entrada y
salida de los estanques nos varían más de un grado a lo marcado por el display
del calefactor térmico , esto es debido a la buena aislación que poseen las líneas
de aceite térmico.
61
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
8.2) CALCULO DEL BALANCE TERMICO DEL PITCH ASFALTI CO
En este sub capítulo se realizarán los cálculos de la energía necesaria que
necesita el pitch en poder lograr la temperatura de 150 ºC y los tiempos de
calefacción correspondiente.
Esto se basará en los principios de la termodinámica. Para ejemplificar se
tomarán los datos del estanque TK-18.
• Energía necesaria para llegar a los 150 ºC
~v���� =+v���� ∗ �Zv���� ∗ (XDv���� −XCv����)
+v���� = £���z�¯�� ∗ �v���� ; �v���� = 1024 ()* +,)⁄
+v���� = 135+, ∗ 1024 ()* +,)⁄ = 138240)*
~v���� = 138.240)* ∗ 1,96 ()@ )*) ∗ °�⁄ ∗ (150 − 135)°� = 4.064.256)U
~v���� = 4.064.256)U
Esta es la energía que necesita el pitch para poder llegar a los 150°� , luego
evaluamos la energía que entrega el aceite al pitch, posteriormente el tiempo que
demora en ser calefaccionado.
~z����� =+z����� ∗ �Zz����� ∗ (XDz��������z�¯�� −XCz��������z�¯��)
~z����� = 2,1 )*C ∗ 2,6 )U
)* ∗ °� ∗ (216,8 − 200)°�
~z����� = 91,7)V
62
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Ahora igualamos las ecuaciones para encontrar el tiempo de calefacción.
~v����X = ~z����� −~v�����z���z�¯��
4.064.256)UX = 91,7)V − 29,8)V
X = 74.412,8(C)
X = 18,2(ℎ)
Tabla Nº8.2 Tiempo de calefacción pitch asfáltico.
������0��
����<"�3| (p=)
s<"�3| (p°)
s�3�"�� (p¬)
�"�2<�
(|)
�� − #P
138.240 4.064.256 91,7 18,2
�� − ?
102.400 3.010.560 91,1 13,6
�� − #
307.200 9.031.680 91,1 48,6
�� − #�
358400 10.536.960 88,4 73,7
Fuente: Elaboración propia.
Los valores calculados se hicieron con el rendimiento actual de la
combustión (58%), arrojando valores de tiempos altos de calefacción, ahora se
hará una evaluación del los tiempos, mejorando el rendimiento de la combustión.
Los resultados se obtuvieron utilizando una tabla paramétrica mediante
software “EES” y que se indica en la tabla Nº 8.3
63
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Tabla Nº8.3 Influencia del rendimiento de la combustión en los tiempos de calefacción.
Figura Nº8.1 Rendimiento de la combustión v/s Tiempos calefacción pitch asfáltico.
64
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
8.3) COSTOS DE CALEFACCIÓN DEL PITCH ASFALTICO
Los costos de calefacción se basan principalmente en el consumo
energético en cada estanque, conociendo el costo de producir $/kcal.
A continuación se harán los cálculos de la energía que necesita el pitch para
lograr la temperatura de 150 ºC en cada estanque y su costo de calefacción.
• Costos calefacción estanque TK-18
~v���� = +v���� ∗ �Zv���� ∗ tXCv���� −XDv����u
~v���� = 138.240)* ∗ 2,6 )U)* ∗ °� ∗ (150 − 135)°� = 4.064.256)U
~v���� = 4.064.256)U = 971.380,4)9[^
�IC;I9[^Dx[99Jó_ = ~v���� ()9[^) ∗ �IC;I����y�z($
)9[^)
�IC;I9[^Dx[99Jó_ = 971.380,4 ∗ 0,1082 = $105.103
Nota: El valor de calefacción del estanque TK-18 se hizo en base al rendimiento actual
de la combustión (58%), a continuación se muestra la tabla Nº8.4 para los costos de los
demás estanques en estudio.
65
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Tabla Nº8.4 Costos calefacción Pitch asfaltico.
������0��
����<"�3| (p=)
s<"�3| (p°)
�"�2<� (|)
&����� ($)
�� − #P
138.240 4.064.256 18,2 105.103
�� − ?
102.400 3.010.560 13,6 77.854
�� − #
307.200 9.031.680 48,6 233.563
�� − #�
358400 10.536.960 73,7 272.490
Fuente: Elaboración propia.
Se tiene que el rendimiento de la combustión es el factor más importante
para el proceso de calefacción de los estanques, en relación a los costos y
tiempos.
La siguiente figura muestra la disminución de los costos de calefacción del
pitch asfáltico al aumentar el rendimiento de la combustión.
Figura Nº 8.2 Rendimiento de la combustión v/s Costos calefacción pitch asfáltico.
66
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
Tabla Nº 8.5 Rendimiento de la combustión y Costo energía v/s Costos calefacción cada estanque.
8.4) ANALISIS DE GRAFICAS REPRESENTATIVAS
La figura Nº 8.1 describe los tiempos de calefacción de cada estanque en
estudio, al aumentar el rendimiento de la combustión, los tiempos de cada
estanque disminuyen, es decir el rendimiento es directamente proporcional a los
tiempos de calefacción de los estanques. Debido a que la masa de aceite térmico
absorbe más energía calorífica y demanda al sistema un aumento de masa de
aceite térmico.
También en la figura Nº 8.2 se observa que al aumentar el rendimiento de la
combustión, los costos de calefacción disminuyen considerablemente para cada
estanque, debido a que los costos de producir energía disminuyen.
67
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
8.5) CONCLUSIONES DEL CAPITULO
El flujo másico de un sistema cerrado permanece siempre constante, es
decir la masa que entra es igual a la que debe salir.
Los balances se desarrollan comúnmente para el flujo másico total que cruza
los límites de un sistema, en este caso de estudio los flujos que circulan por los
estanques para calefaccionar el pitch asfáltico.
Los análisis del flujo másico total del sistema se calcularon por ecuaciones
de transferencia de calor, debido a que actualmente no hay equipos (flujometros)
para medir. Se efectuaron para saber las temperaturas de llegada del aceite
térmico a los estanques, para ver las caídas de temperatura , que no superaron 1
ºC por la buena aislación de las líneas de distribución y la energía que le entrega
el aceite térmico al pitch asfaltico con sus respectivas pérdidas de calor de los
estanques hacia el exterior.
Una vez realizado los cálculos se procedió a determinar la energía que
necesita el pitch asfáltico para lograr la temperatura de (135 ºC a 150ºC), dando
valores de energía muy altos, debido a las propiedades de este producto su alta
viscosidad y temperatura de trabajo.
La importancia del flujo másico que circula por los estanques es para
determinar los tiempos que se demora el pitch en lograr la temperatura de trabajo
antes señalada, en las condiciones actuales los tiempos de calefacción están muy
cercanos a los calculados dada la información por la empresa. Pero estos valores
se pueden minimizar por varios factores que son:
1. La masa total de aceite térmico del sistema se puede aumentar debido
a que actualmente se han incluido mas líneas de calefacción hacia
otros estanques, minimizando el flujo másico. Aumentando la masa de
aceite térmico los tiempos de calefacción disminuyen.
68
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
2. Aumentando el rendimiento de la combustión a valores establecidos
según informaciones técnicas (80 %), los tiempos disminuyen debido a
que el aceite térmico absorbe más energía calorífica de la combustión
entregándosela al pitch asfáltico(ver tabla Nº 8.1)
Otro factor son los costos de calefacción del pitch asfáltico almacenado en
cada estanque. Al aumentar el rendimiento disminuyeron notablemente los costos
de producir energía calorífica, minimizando los costos de calefacción (ver tabla
Nº8.5).
69
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
CAPITULO 9: RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES
En este último capítulo de este trabajo se abordan recomendaciones
generales que se han alcanzado luego de finalizar el estudio. Éstas serán
planteadas conforme a los resultados obtenidos para las condiciones de trabajo
que se han establecido en el presente informe.
9.1) RECOMENDACIONES
A continuación se proponen una serie de recomendaciones con las que se
pretende aportar mejoras al actual funcionamiento de los equipos contemplados
en el estudio, y de paso contribuir un mejor aprovechamiento de los recursos que
intervienen en la obtención de los productos finales que son fabricados por la
empresa.
� En la sala del calefactor térmico actualmente se encuentra en malas
condiciones físicas y ambientales (humedad del recinto alta, ambiente
corrosivo, suciedad en los aparatos eléctricos y electrónicos).
� Se recomienda aislar la sala del calefactor térmico por el ambiente
corrosivo y la humedad que afectan los equipos eléctricos y electrónicos
generando deficiencias en el proceso de partida de combustión en el piloto
de encendido, limpieza de los circuitos eléctricos y electrónicos.
� El calefactor térmico genera 600.000 kcal/h nominal , lo cual esta energía
es distribuida para todos los procesos que necesitan calefacción térmica ,
actualmente el calefactor térmico trabaja a un 58 % de su rendimiento que
es muy bajo .Debería ser por especificaciones técnicas entre un 70 a 80 %
� Se recomienda cambiar el quemador actual del calefactor térmico porque
es el factor determinante en la eficiencia de la combustión. Es el quemador
inadecuado debido a que este quemador utilizaba inicial mente petróleo y
posteriormente se adecuo para gas natural, pero se aprecia que este no
fue el adecuado para gas natural.
70
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
� La temperatura de los gases de la combustión son muy altas, llegando a
316 ºC, arrastrando gran energía que es disipada hacia el ambiente por el
bajo rendimiento de la combustión y que no se aprovecha.
� Se recomienda instalar o diseñar un serpentín para aprovechar la energía
de los gases de la combustión, en el proceso de calentar agua del
estanque TK21 que se utiliza para oxidar el pitch asfaltico y aumentar la
viscosidad (ver capitulo 5.13). Esto se recomienda si no se cambia el
quemador del calefactor térmico.
� Las líneas de distribución de aceite térmico están mal distribuidas hacia
los demás procesos de almacenamiento contando los estanques en
estudio. Muchas bifurcaciones en las líneas de aceite, esto genera un
menor flujo másico para calefaccionar los estanques de pitch asfáltico.
� Se recomienda alimentar con más aceite el circuito de distribución para
aumentar el flujo másico y poder cumplir con las necesidades de la
empresa en los demás procesos de calefacción y no generar mayores
tiempos de los actuales.
� Actualmente nunca se a cambiado el aceite térmico del calefactor
trabajando hace mas de 12 años con el mismo. Las especificaciones
técnicas consideran una vida útil de 6 años. Esto genera que las
propiedades disminuyan (baja estabilidad térmica , menor resistencia a la
oxidación , viscosidad , punto de inflamación y contenidos insolubles)
� Se recomienda cambiar el aceite térmico por uno nuevo, para trabajar en
las condiciones establecidas por el fabricante y poder ocupar por completo
las propiedades del aceite.
� A demás se recomienda instalar un estanque de expansión en el punto
más alto del sistema para absorber cualquier exceso de aceite térmico
generado por la expansión de este con la temperatura. Para evitar la
oxidación, se debe mantener la temperatura del aceite en el estanque de
expansión por debajo de 50 ºC.
71
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
En general el factor que más afecta, los tiempos de calefacción y los costos
de producir energía calorífica es el rendimiento de la combustión.
Aproximadamente el cambio del quemador equivale a los $ 2.000.000 por uno
nuevo, esto significara el aumento del rendimiento y mejoras en los procesos de
calefacción.
72
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
9.2) CONCLUSIONES GENERALES
� Luego del estudio realizado de los componentes químicos y físicos del pitch
asfáltico, se logro entender el proceso completo de la planta de pitch
asfáltico y su calefacción.
� Consecutivamente se realizo un análisis detallado del rendimiento de la
combustión , los resultados dieron datos muy malos , la eficiencia de la
combustión dio resultados bajos, debido al gran exceso de aire que
necesita el sistema, el valor más alto que se pudo llegar fue de un
rendimiento del 60,7 %(medición D.R 3), malo para un combustible de buen
rendimiento, el valor del CO se disparo a los valores de 4000 ppm cuando
se obtuvo el máximo rendimiento, saturando el quipo de medición utilizado ,
por lo cual se abrió mas el dámper para que entrara aire a la combustión y
bajara los niveles de CO permitidos para emisiones de CO que deben ser
bajo los 400 ppm según decreto de MINSAL. La temperatura de los gases
es muy elevada aún cuando se alcanza el máximo y el mínimo rendimiento
de la combustión, es decir la energía arrastrada por los gases es cerca del
25,4 % disipada al ambiente y no utilizada en ningún otro proceso. Él mejor
rendimiento que se puede dejar en el sistema es el actual, debido a que
trabaja bajo los 400 ppm, otro aspecto a tomar son las condiciones al
interior del calefactor, se encontraron sectores carbonizados y en muy mal
estado, debido al ventilador se encuentra muy oxidado, arrastrando
partículas hacia la combustión.
� Luego se analizaron las líneas que llegan desde el manifold de distribución
de aceite térmico hacia cada estanque. Se midieron las distancias
correspondientes de llegada y salida del aceite, una vez verificadas las
distancias se tomaron los datos correspondientes en el display del
calefactor para las temperaturas de operación del aceite, dando los
resultados de salida (217 ºC) y entrada (200 ºC). Para determinar la
cantidad de calor perdido por líneas con aislación se procedió a utilizar la
tabla Nº 6.2 que entrega la cantidad de calor (energía) perdido por metro
lineal de cañería de acuerdo a las variables de temperatura de operación
73
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
del fluido ,el diámetro de las cañerías y espesor de aislación. Entre mayor
espesor de aislación, las pérdidas de calor se reducen, pero estas pérdidas
de calor son inevitables. De acuerdo a la tabla Nº 6.4 el rango de aislación
es el recomendado para la temperatura de operación y diámetro de la
cañería, otro factor a considerar es la distancia desde los manifold hacia
cada estanque, el de mayor distancia es el tramo Manifold – Estanque
TK19, la pérdida de calor (energía) hacia el exterior es mayor debido a la
gran distancia que los separa, pero el factor mayor a considerar es el costo
de producir energía.
� Una vez analizadas las líneas de procedió a estudiar los estanques. Los
análisis efectuados hacen menciona un factor importante que es el
coeficiente convectivo exterior (he) de transferencia de calor entre el pitch y
el medio ambiente, este valor se ve afectado por 3 propiedades importantes
que son la temperatura de las paredes de los estanques, la temperatura del
ambiente y la velocidad del viento Entre mayor sea el he, mayor será la
perdida de calor hacia el exterior y la temperatura promedio entre el
ambiente y las paredes. La energía disipada hacia el ambiente se puede
evaluar en costos económicos que genera las pérdidas. En el capítulo 6 se
da a conocer el valor de producir energía en kcal, actualmente las pérdidas
económicas ascienden en un 20,3 % equivalente a $2.204.363 por
transferencia de calor hacia el ambiente. Por lo tanto las pérdidas por
transferencia de calor hacia el ambiente son inevitables debido a que está
entre los rangos de aislación recomendado según planos de construcción.
� Después se analizo el flujo másico total, se calcularon por ecuaciones de
transferencia de calor, debido a que actualmente no hay equipos
(flujometros) para medir. Se efectuaron para saber las temperaturas de
llegada del aceite térmico a los estanques, para ver las caídas que no
superaron 1ºC por la buena aislación de las líneas de distribución y la
energía que le entrega el aceite térmico al pitch asfaltico con sus
respectivas pérdidas de calor de los estanques hacia el exterior. La
importancia del flujo másico que circula por los estanques es para
74
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
determinar los tiempos que se demora el pitch en lograr la temperatura de
trabajo antes señalada, en las condiciones actuales los tiempos de
calefacción están muy cercanos a los calculados dada la información por la
empresa.
75
Estudio de Calefacción y Costos del Pitch Asfáltico
BIBLIOGRAFIA
[1] CERDA Miskulini Luis A. Apuntes de termodinámica. Concepción, Chile.
Universidad del Bío – Bío. Depto. De Ingeniería Mecánica, 1994
[2] CERDA Miskulini Luis A. Apuntes de Combustión. Concepción, Chile.
Universidad del Bío – Bío. Depto. De Ingeniería Mecánica.
[3] THERMAL ENGINEERING Ltda. <http://www.thermal.cl/>
[4] <http://www.oocities.org/mecanicoweb/17a.htm>
[5] SALGADO Bocaz Cristian. Proyecto de titulo “Diseño base tratada de escoria
de vanadio con asfalto espumado para caminos básicos” (Noviembre 2008,
Concepción).