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May 21, 2023

Steam: minimiza las pérdidas, ahorra energía

Ya sea que use vapor como ingrediente alimentario (grado culinario) o para cocinar,

Ya sea que use vapor como ingrediente alimentario (grado culinario) o para cocinar, con la tendencia actual al alza de los precios del petróleo y el gas natural, la conservación no solo es importante desde el punto de vista de la sustentabilidad corporativa, sino especialmente desde el punto de vista de resultados. Hoy, piense en las tres R: reducir, reutilizar y reciclar, siempre que sea posible. Por ejemplo, ¿reutilizar y reciclar el condensado? Ya es agua, está tratada y está caliente. Considere el costo de producción en términos de BTU por libra de alimento producido o por barril de cerveza. ¿Dónde y cuáles son las pérdidas comunes de energía de vapor?

"Los sistemas de ventilación de vapor son el punto más grande de pérdida de energía, pero se pueden administrar de manera efectiva con soluciones estratégicas", dice Sam Simkowski, ingeniero de procesos III en Stellar. Un sistema de vapor correctamente equilibrado puede ayudar a reducir las pérdidas de energía y las emisiones generales de la caldera. Para lograr esto, las plantas deben tratar de minimizar o eliminar la cantidad de vapor liberado a la atmósfera. En lugar de ventilar el vapor, las plantas pueden recuperar y reciclar el vapor instantáneo para satisfacer las necesidades de la planta, como calentar agua en las áreas de procesamiento. La incorporación de intercambiadores de calor o condensadores permite que las instalaciones utilicen la energía del vapor instantáneo, lo que puede tener un impacto positivo significativo en los costos generales. Otra forma de evitar pérdidas debidas a la ventilación es incorporar un tanque flash o un sistema en cascada en un sistema de vapor de alta presión. Este método proporciona una fuente de vapor a baja presión que se puede usar en cualquier otro lugar dentro de la planta, agrega Simkowski.

La principal fuente de vapor flash se produce cuando el condensado saturado cae a una presión más baja, dice Jonathan Clark, PE, ingeniero mecánico de CRB. Cuando el condensado de vapor pasa a través de la trampa de vapor del equipo al que está conectado, la caída de presión resultante a través de la trampa de vapor dará como resultado cierta generación de vapor instantáneo. Este es un vapor perfectamente útil y, en muchos casos, se pasa por alto como fuente de vapor para los equipos. Si las condiciones de funcionamiento del equipo lo permiten, se puede recuperar y utilizar en otro lugar si hay usuarios que puedan aceptar el vapor flash.

El punto clave, dice Clark, "el vapor flash que no se recupera es tanto una pérdida de energía como una pérdida de agua. Por cada libra de vapor flash no recuperado, se requiere una libra asociada de agua de reposición. El ingeniero que evalúa el sistema de vapor puede determinar la coste de estas pérdidas".

"El diseñador del sistema de vapor debe evaluar las corrientes de condensado disponibles para la recuperación de vapor instantáneo", agrega Clark. Se puede usar un separador de vapor flash entre las corrientes de condensado de presión más alta y más baja para recuperar el vapor útil que se usará en aplicaciones de calefacción de baja presión. Las características operativas de la recuperación de vapor instantáneo y el usuario de baja presión también deben tenerse en cuenta para garantizar que haya un suministro suficiente y constante disponible.

Otro método para la recuperación de vapor flash es permitir que el condensado de alta presión se evapore a una presión más baja y se reutilice, dice Gabriel Legorburu, PE, PhD, ingeniero de procesos sénior de Dennis Group. Este enfoque se puede utilizar cuando hay múltiples presiones de vapor en una instalación. Por ejemplo, considere una aplicación en la que se usa vapor a alta presión para calentar el aceite de freír a 415 °F. El condensado que sale del intercambiador de calor de vapor a aceite aún podría ser superior a 200 PSIG. Idealmente, este condensado de alta presión se evaporaría en un recipiente con un regulador de contrapresión ajustado a 200 PSIG o menos. Luego, el vapor de menor presión podría usarse para equipos que requieren menos presión que las freidoras.

El balance de masa y energía del sistema de vapor debe incluir todos los cálculos del sistema de vapor. Estos cálculos se utilizan para determinar los costos operativos del sistema de vapor a partir de un análisis de entrada de energía para generar vapor. Los cálculos para la recuperación de vapor instantáneo como parte del balance de masa y energía se detallan en la publicación de Spirax Sarco, "Diseño de sistemas de fluidos, conexiones", dice Clark.

Las trampas de vapor que fallan causan problemas sin importar el modo de falla. Cuando fallan al abrirse, pierden fuerza y, dependiendo de la operación, pueden costar hasta seis cifras en energía desperdiciada, sin mencionar que las trampas que fallan al abrirse afectan la presión y la eficiencia. Las fallas cerradas pueden detener la producción de calor y permitir que la presión alcance niveles peligrosos. Considere una inspección de trampas de vapor realizada por un ingeniero calificado para averiguar cuánta energía puede estar desperdiciando. (Consulte la barra lateral, "La inspección del sistema de vapor puede revelar problemas y desperdicio del sistema"). Piense también en instalar monitores/sensores en las trampas de vapor, que detectan fallas y pueden alertar a los operadores a través de la red o comunicaciones inalámbricas cuando una falla está a punto de ocurrir, o se ha producido. ocurrió.

Las trampas de vapor en las plantas de alimentos a menudo se encuentran en lugares apartados, por ejemplo, encima de las cabezas y en espacios intersticiales o escondidas en lugares discretos. A través de una empresa externa de auditoría e instalación, Pulse Industrial, un proveedor de una solución de monitoreo de trampas de vapor de software como servicio (SaaS), instaló su software y monitores de trampas de vapor para una gran planta de procesamiento de alimentos con 193 trampas de vapor, algunos de los cuales eran difíciles de inspeccionar con fines de auditoría. En el proceso de instalación, la empresa auditora localizó y reemplazó una trampa de vapor defectuosa, ahorrando decenas de miles de dólares en energía desperdiciada por año. Este fabricante de alimentos tenía en uso aplicaciones de vapor culinario, HVAC e intercambiador de calor.

Después de instalar los monitores y el software SaaS, la empresa de alimentos está en camino de cumplir su objetivo de reducir el desperdicio de energía y las emisiones de CO2. El uso de la compañía de auditoría para instalar el equipo de monitoreo también permitió que el procesador registrara el tamaño, el tipo y la posición de las trampas para que sean fáciles de ubicar cuando fallan. El fabricante de alimentos ya no necesita enviar personal a lugares peligrosos para inspeccionar las trampas; en cambio, los monitores inalámbricos mantienen actualizadas las operaciones y el mantenimiento de todas las trampas de vapor de la instalación, lo que evita las inspecciones manuales y mantiene a los trabajadores más seguros.

Un estudio de vapor completo de una instalación debe incluir una evaluación de lo siguiente:

Una inspección física de los sistemas de vapor y vapor condensado debe ser una tarea de rutina para el personal de mantenimiento de las instalaciones. Una inspección visual exterior del sistema y el funcionamiento puede mostrar los siguientes problemas: juntas con fugas, sellos de empaque de vástago de válvula con fugas, trampas abiertas atascadas, integridad de las tuberías, operación anormal de la caldera, puntos de drenaje abiertos, deficiencias en el tratamiento químico y modificaciones incorrectas del sistema.

La revisión del diseño de ingeniería del sistema y la inspección visual también deben considerar el diseño de la aplicación, el uso apropiado del equipo de vapor y el diseño del sistema de tuberías.

Los puntos de pérdida típicos en vapor y condensado de vapor incluyen los siguientes:

Las instalaciones de alimentos más antiguas que han pasado por una multitud de expansiones, modernizaciones de instalaciones y expansiones de líneas pueden presentar desafíos únicos en las encuestas de sistemas. A veces, el diseño de ingeniería no está disponible para todo el sistema o no está actualizado. Es un esfuerzo que vale la pena mantener el balance de masa y energía del sistema y los planos del sistema para reflejar el estado actual de la instalación.

—Jonathan Clark, PE, ingeniero mecánico, CRB

Las líneas de retorno de condensado le permiten reutilizar el agua que ya ha tratado. Pero estas líneas pueden ser problemáticas y pueden desperdiciar energía dependiendo de su ubicación y distancia al tanque de alimentación de la caldera. En la mayoría de las plantas actuales, estas líneas generalmente terminan en el espacio intersticial, lo que significa que el condensado deberá bombearse hacia arriba y recorrer una larga distancia de regreso al tanque de alimentación.

"Ejecutar servicios públicos en el espacio intersticial es una tendencia creciente en el diseño de nuevas instalaciones, pero presenta desafíos únicos en el diseño general porque el condensado se genera a una altura más baja que la línea de retorno de condensado principal", dice Simkowski de Stellar. "El equipo de proceso en el piso de proceso que genera una cantidad sustancial de condensado crea oportunidades para generar ahorros de costos a largo plazo y aumentar la eficiencia general de la caldera. Se requiere una bomba para superar la carga asociada con llevar el condensado al espacio intersticial y conectarlo a la línea principal de retorno de condensado".

"Las tuberías de vapor y condensado instaladas sobre los usuarios de vapor pueden presentar desafíos para devolver el condensado de los usuarios al cabezal", dice Clark de CRB. "Un concepto erróneo común que se puede observar en muchas plantas es que una trampa de vapor es todo lo que se necesita en una aplicación de retorno vertical. Esto no es correcto. Para elevar el condensado de vapor, se debe usar una bomba trampa dedicada al equipo, o si hay varios usuarios en un área donde el condensado puede drenarse por gravedad a un receptor común, entonces se puede instalar un sistema de retorno de condensado compartido en esa área".

"Dado que las líneas principales de retorno de condensado generalmente están inclinadas hacia la caldera, la gravedad tomará el control", agrega Simkowski de Stellar. Cuando corresponde, el condensado del mismo equipo o uno similar a menudo puede compartir una bomba de condensado común para optimizar el diseño. Operar el sistema requiere menos energía con esta solución. Además, este enfoque ayuda a minimizar la cantidad de tuberías y equipos necesarios y reduce los costos de instalación, lo que genera más ahorros.

"Las aplicaciones del sistema de retorno de condensado compartido a menudo requieren un receptor abierto cuando el condensado a varias temperaturas ingresa al receptor", dice Clark. El condensado en este escenario a menudo se devuelve mediante el uso de bombas eléctricas de retorno o bombas accionadas por presión motriz. Las bombas accionadas por presión motriz pueden usar vapor o aire comprimido como presión motriz para devolver el condensado. Las bombas de retorno de condensado centrífugas eléctricas tienen varias limitaciones en su uso en todo menos en sistemas de vapor de baja presión. Los fabricantes de estas bombas detallan estas limitaciones en sus boletines de aplicación, pero las limitaciones principales son la capacidad de temperatura máxima y el potencial de cavitación. El tipo de bomba de retorno de condensado utilizada debe evaluarse minuciosamente para las corrientes de condensado que ingresarán al receptor.

La ubicación de las calderas a los usuarios de vapor debe mantenerse lo más cerca posible para reducir las tuberías del sistema en general, agrega Clark. Los tramos de tubería largos requieren más trampas de goteo en las tuberías principales, lo que da como resultado pequeñas pérdidas de vapor instantáneo. Las bombas de retorno de condensado motriz que utilizan vapor como fuerza motriz deben operar a la presión recomendada por los fabricantes por encima de la presión del cabezal de retorno presurizado para minimizar el desperdicio de vapor. Evite devolver las líneas de condensado atrapadas a los cabezales de retorno bombeados, lo que puede generar problemas funcionales con la trampa.

"Clayton recomienda comenzar los estudios de eficiencia centrándose en la caldera en sí", dice James Adgey, ventas térmicas, Clayton Industries. "Una caldera envejecida o mal diseñada que sufre pérdidas de eficiencia es el principal sospechoso de cualquier sistema de vapor de bajo rendimiento, y las pérdidas de calor de la carcasa de la caldera también pueden estar contribuyendo. Si bien diferentes compañías pueden usar diferentes nombres, Clayton se refiere a esta encuesta como 'vapor Perfil de carga", que tomará los datos operativos de su instalación y los convertirá en un resumen simple de qué tan bien está funcionando su caldera y obtendrá una idea de las áreas de pérdida y mejora potencial. Se debe prestar más atención a los intercambiadores de calor, las líneas de vapor y trampas de vapor para cualquier posible pérdida de calor, ya que también pueden ser responsables", dice Adgey. También se recomendaría una revisión de los registros químicos y el tratamiento para ver si hay posibles problemas de incrustaciones.

"La purga de la caldera es una característica operativa necesaria de cualquier caldera encendida", dice Clark de CRB. La optimización del tratamiento químico y el mantenimiento de la caldera tienen un impacto directo en la frecuencia de purga de la caldera. Las empresas de tratamiento de agua que se especializan en el tratamiento de calderas pueden evaluar el sistema de agua para obtener el plan de tratamiento químico óptimo para reducir la purga al mínimo posible y al mismo tiempo reducir el ensuciamiento de la caldera.

En general, colocar los generadores de vapor más cerca del punto de aplicación es una gran idea en cualquier instalación, ya que un tramo de tubería más corto contribuye a reducir las pérdidas y a una instalación más económica, así como al beneficio adicional de una espera reducida para comenzar la producción por parte del fabricante. simple hecho de que el vapor tiene una distancia más corta para viajar, dice Adgey de Clayton. "Su instalación puede incluso ser adecuada para colocar pequeños generadores en los puntos de uso de su planta, en lugar de mantenerlos todos en una ubicación centralizada, pero esto sería circunstancial".

"En cualquier instalación, el sistema de vapor debe cumplir con los requisitos de 21CFR173.310 y 40CFR partes 141, 142 y 143 para inyección directa en alimentos para consumo humano", dice Clark. Si las calderas existentes o las calderas planificadas no cumplen con estos requisitos, se debe realizar una evaluación de capital de modernización de un sistema existente para uso alimentario o la instalación de una caldera dedicada a la inocuidad de los alimentos para la aplicación.

El vapor higiénico o limpio generalmente se produce con un generador de vapor higiénico eléctrico o un intercambiador de calor de vapor a vapor si las características operativas del sistema lo permiten, agrega Clark. En cualquiera de los escenarios, se debe realizar una evaluación de los costos operativos y de capital de ambos sistemas para ayudar en la decisión de qué tipo usar.

"Con respecto a una instalación culinaria, usar vapor utilitario en cualquier situación en la que el vapor no entre en contacto directo con el producto siempre es una buena opción, dado que el vapor utilitario no requiere el mismo nivel de tratamiento químico y filtración, y por lo tanto, es más rentable de producir", dice Adgey. "Sin embargo, según el tamaño y el nivel de producción de su instalación, se deberá determinar si vale la pena el esfuerzo de producir dos calidades de vapor separadas o incluir un generador de vapor a vapor".

¿Combustible eléctrico o fósil para calderas de vapor?

Si bien el gas natural sigue siendo la opción predominante para las calderas y generadores de vapor, los generadores de vapor eléctricos parecen tener varias ventajas sobre el gas natural. Por ejemplo, no emiten CO2 u otros gases (huella de carbono cero), logran una eficiencia de conversión de casi el 100 %, requieren un mantenimiento mínimo porque tienen muchas menos piezas y equipos asociados (por ejemplo, sopladores de aire) para reparar y aparentemente tendrían menos falta del tiempo.

En un informe técnico de Chromalox titulado "Experimente un menor costo total de propiedad con un generador de vapor eléctrico", el autor compara el costo relativo de propiedad de una caldera de 10 MBtu/h (2931 kW) alimentada por electricidad, gas natural y petróleo . Si bien no indicó la tarifa eléctrica utilizada para la comparación, sugirió que el costo de la electricidad sería el doble que el del gas natural comparable, pero el costo total de propiedad (TCO) sería menos de la mitad del costo de un vapor de gas natural. caldera, y dada una vida útil de 20 años, la caldera eléctrica aún tendría un TCO inferior a la mitad del gas natural.

Por supuesto, sin comparar las tarifas energéticas reales, estos TCO podrían ser un objetivo móvil en los mercados energéticos actuales. Con el aumento vertiginoso de las tarifas del gas natural y del petróleo, las empresas eléctricas están obligadas a transferir estos costos. Aunque la comparación del TCO del autor durante 20 años es aún menor para la electricidad, ¿cuál es el costo real de operar el servicio de alto voltaje en la ubicación de la caldera, especialmente si el servicio de alto voltaje no está disponible? Además, cuando se va la luz, la caldera de vapor eléctrica está fuera de servicio.

"Los procesadores deben evaluar su equipo existente para determinar si se está operando de manera eficiente", dice Clark. "Verifique que los puntos de ajuste del sistema no se hayan modificado para tener en cuenta las prácticas de mantenimiento deficientes o las ineficiencias operativas. Evalúe los costos operativos a largo plazo de reducir el vapor flash a los requisitos de capital iniciales del equipo agregado. Si no se ha proporcionado un análisis comparativo , solicite uno para ayudar en el caso de negocios para mejoras de capital".

Las plantas deben incorporar un programa de mantenimiento preventivo o predictivo para sus sistemas de vapor, dice Simkowski de Stellar. Cuando los componentes del sistema (trampas, válvulas, condensadores, intercambiadores de calor y serpentines, por nombrar algunos) no funcionan correctamente, se reduce la confiabilidad y la eficiencia del sistema.

En el caso de una nueva instalación, invierta en equipos de alta eficiencia con un historial comprobado de calidad, dice Adgey. Si bien esto representará un costo inicial más alto, un sistema con incluso una clasificación de eficiencia ligeramente más alta no solo minimiza sus pérdidas, sino que también puede proporcionar un retorno de la inversión mucho mayor que el costo de instalación, a veces solo en el primer año. Para estar seguro de la calidad de un producto, pida a sus proveedores que proporcionen un desglose real de su eficiencia y ROI potencial, adaptado a las necesidades de su planta. No te conformes con una descripción vaga e idealizada, ya que tu planta será todo lo contrario.

"Un punto final a considerar es el aislamiento", dice Adgey. Las tuberías de vapor y los intercambiadores de calor pueden ser problemáticos con respecto a la pérdida de calor radiante, por lo que siempre se recomienda mantener las líneas aisladas, así como verificar periódicamente las áreas que deben reemplazarse.

"¿Qué es la especificación LoRaWAN?" LoRa Alliance, https://lora-alliance.org/about-lorawan

"Experimente un costo total de propiedad más bajo con un generador de vapor eléctrico", Mark Wheeler, director de sistemas y servicios, Chromalox Inc. (2 de marzo de 2020).

"Haciendo avanzar la esterilización de alimentos secos a todo vapor", FE, "I+D en ingeniería", 13 de mayo de 2013

"Considere las redes inalámbricas celulares para los sistemas IIoT de hoy", FE, 28 de septiembre de 2022