12 fuerzas - n33inv01

cet ISSN 1668-9178 Investigación y Desarrollo 33: (2011)
cet - Junio 2011 - 1
Análisis Térmico de un Sistema de Cogeneración de
Fuerza Motriz y Vapor para Procesos de Calefacción
en la Industria Azucarera
Carlos José Agüero, Jorge R. Pisa y Roberto L. Andina
Departamento de Mecánica, Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología, Universidad Nacional de Tucumán, Argentina.
Resumen
Se trata de determinar las características de una turbina de vapor (TV) y generador de vapor (GV) para
una fábrica de azúcar, que necesita fuerza motriz (FM), energía eléctrica (EE) y vapor para sus procesos
de calefacción, evaporación, cocimiento, refinado, destilación de alcohol, etc.; o sea que se trata de un
sistema de cogeneración que usa como combustible el bagazo de la caña de azúcar.
La fuerza motriz debe ser la necesaria para el accionamiento de generadores eléctricos, molinos,
bombas y ventiladores, y el vapor de escape de las turbinas de vapor debe ser suficiente para los
procesos de calefacción mencionados.
También se consideran las posibilidades de aumentar la generación de EE para entregar a la red pública
el excedente.
Se hacen balances energéticos y exergéticos para analizar la importancia de las pérdidas de cada
sector, en el balance global.
Palabras clave: cogeneración, turbina de vapor industrial.
Thermal Analysis of a Cogeneration System of Driving Force and Vapor for Heating Processes in
Sugarcane Industry
Abstract
It is intended to determine the characteristics of a turbine steam and a steam generator for a sugar
factory which needs a driving force (or electrical power) and vapor for the processes of heating,
evaporation, cooking, refinement, alcohol distillation, etc, i.e., a system of cogeneration using sugar cane
bagasse as fuel. The driving force must be the appropriate one for the operation of electrical generators,
windmills, pumps and fans and the steam exhaust of the TV should be enough for the heating processes
mentioned above. The possibilities to increase the generation of EE to deliver to the public network the
surplus energy are also considered. Energetic and exergetic balances are carried out to analyze the
importance of the losses of each sector in the overall balance.
Key words: cogeneration, industrial steam turbine.
Introducción
Se llama Cogeneración, a la generación simultánea de Fuerza Motriz (FM) y/o Energía Eléctrica (EE) y
de vapor para procesos de calefacción. Para la generación de FM se emplean Turbinas de Vapor (TV)
de contrapresión que accionan molinos, bombas centrífugas, ventiladores, compresores, etc. Y en caso
de generar EE se emplean turbinas de contrapresión o de extracción de vapor y eventualmente un
cuerpo de condensación. El vapor de escape o de extracción se usa como medio de calefacción en
intercambiadores de calor: calentadores, evaporadores, columnas destiladoras, digestores, cocimiento,
etc.

Selección de una turbina de vapor para cogeneración
La figura 1, muestra una instalación simple de un sistema de cogeneración: generador de vapor, turbina
de vapor de contrapresión para el accionamiento de un generador eléctrico y vapor de escape para los
intercambiadores de calor, bomba de condensado, depósito de agua, bomba de alimentación y válvulas
de vapor de auxilio y de alivio. Se supone que la energía eléctrica generada, es la necesaria para todos
los accionamientos electro-mecánicos e iluminación de la fábrica.
En caso de emplear otras TV para accionamientos mecánicos, se instalan en paralelo con la del
esquema.
La selección de las TV debe ser hecha de manera que se cumplan los balances energéticos y de masas;
o sea que el consumo de vapor (kg/h) de las TV debe ser el necesario para la generación de la potencia
(kW) y que el vapor de escape satisfaga las necesidades de los procesos de calefacción. La potencia
interna de la TV y el caudal de vapor están relacionados por la siguiente expresión:
)(kWiGsNi ∆×= (1)
Potencia interna:
)/( melNefectivaNi ηη ×= (2)
elη : Rend. eléctrico :mη Rend. mecánico
Caudal de vapor Gs en kg/s y Salto interno de entalpías i∆ en kJ/kg.
O sea que con Gs y Ni definidos, resulta el salto de entalpía necesario en la TV y con las condiciones del
vapor (saturado seco) en el escape, se determinan presión y temperatura del vapor vivo (Ver esquema
en diagrama entalpía – entropía, i – s ó h – s).
Combustible
Fig. 1 Esquema de la instalación
Generador
de Vapor
Turbina
de
Vapor
Válvula de
auxilio
Válvula de
alivio
Generador
eléctrico
Intercambiadores
de calor
Depósito de
agua
Vapor vivo: Po , to
Contrapresión: Pc
Reposición de
agua fría
Bomba de
alimentación
Bomba de
condensado
Control de
presión

Fig. 2 Diagrama de Mollier; i∆ : Salto de entalpía interno; si∆ : Salto de entalpía isoentrópico.
Ejemplo 1: Análisis de una fábrica de azúcar de la región
Capacidad de molienda de caña horaria: 500 t/h
Consumo de vapor de 2,45 bar abs, saturado (126,8 ºC): 300.000 kg/h (Fábrica de azúcar con refinería y
destilería de alcohol, 600 kg de vapor/t de caña)
Entalpía del vapor en el escape de la TV, a 2,55 bar abs y 140 ºC: 2744 kJ/kg (Se considera un estado
de vapor en el escape de la TV, que tenga en cuenta caídas de presión y temperatura en la tubería que
conduce el vapor desde la misma hasta los consumidores; pues de no ser así, el equipo intercambiador
de calor no rendiría su capacidad nominal).
Energía eléctrica necesaria, estimando 28 kWh/t de caña: 14.000 kW
Consumo específico de vapor en la TV: 21,4 kg/kWh
Considerando los rendimientos eléctrico y mecánico, la potencia interna de la TV resulta: Ni =15.000 kW
Cálculo del salto interno de entalpía en la TV:
)/(180000.300/600.3000.15 kgkJi =×=∆ (3)
Entalpía del vapor en la admisión de la TV:
)/(924.218027440 kgkJi =+= (4)
Rendimiento interno de la TV: 0,72
Salto isoentrópico:
)/(25072,0/180 kgkJis ==∆ (5)
Con estos valores y considerando la laminación en la válvula de regulación, en el diagrama de Mollier se
determinan las condiciones necesarias del vapor po y to en la admisión de la TV: 10 bar y 250 ºC.
A este valor se debe agregar la pérdida de carga en la tubería que conduce el vapor desde la caldera y
además un plus para tener en cuenta las variaciones de los procesos y de esta manera determinar las
condiciones de trabajo de la caldera.
Consumo de combustible en la caldera
En un GV que emplea el bagazo de la caña como combustible, con 50 a 51 % de humedad y poder
calorífico inferior de aproximadamente 7325 kJ/kg, 70 % de rendimiento y agua de alimentación de 100
ºC, para generar 300.000 kg de vapor/h a 13 bar y 250ºC resulta que necesita:
=×−× )70,0325.7/()4172924(000.300
146.000 (kg de bagazo/h) (6)
Considerando que de la molienda de una tonelada de caña se obtienen aproximadamente 290 kg de
bagazo y se tendrán:
500.000 x 0,29 = 145.000 (kg de bagazo/h) (7)
O sea que el balance energético se cierra con gran aproximación.
Po
to
Pc
i
s
io
i∆
X=1
si∆

Debido a inconvenientes operativos, mala eficiencia de los equipos, elevada humedad y contenido de
cenizas del bagazo, mayor consumo de vapor en procesos, etc., se presentan desbalances transitorios
en la relación de consumo de calor y generación de energía, que se controlan con las válvulas de auxilio
o de alivio. Estos son procesos exergéticamente ineficientes y conducen a un consumo de combustible
adicional o un excedente de bagazo y eventualmente ambas cosas.
Selección de la tubería y el GV
Al diseñar la tubería que conduce el vapor desde el GV a la TV, se deben tener en cuenta aspectos tales
como las pérdidas de carga, un diseño elástico para compensar los esfuerzos debidos a las dilataciones
térmicas, la aislación, costo económico, etc.
Las pérdidas de carga dependen de la longitud y del diámetro de la tubería. Como ya se mencionó
anteriormente, a la presión del vapor en la admisión de la TV, se suma el valor calculado de las pérdidas
para obtener la presión en la caldera y se debe considerar un cierto margen, por seguridad, para tener
en cuenta las variaciones en los procesos.
Para analizar las pérdidas en cada sector de la instalación, generalmente se hacen balances energéticos
y exergéticos. En los diagramas siguientes se indican estas pérdidas:
Diagrama de Exergías
• Los valores de las exergías están referidas a 1 kg de bagazo con 50% de humedad, considerando
su exergía igual a su poder calorífico superior: PCS = 9.000 (kJ/kg de bagazo) = 100 %
• En la caldera se generan 2 kg de vapor con 1 kg de bagazo
• Exergía de 2 kg de agua de alimentación de 100 ºC: 89,6 (kJ) = 1 %
• Exergía de 2 kg de vapor de 13 ata, 250 ºC generado en la caldera: 1.894 (kJ) = 21 %
• Pérdida de exergía en la tubería que conduce vapor de la caldera hasta la TV: 47,5 (kJ) = 0,53 %
• Exergía del vapor en la admisión de la TV: 1.846,5 (kJ) = 20,5 %
• Exergía del vapor de escape de la TV, para procesos de calefacción: 1.324,4 (kJ) = 14,7%
• Pérdidas de exergía en la TV: 174 (kJ) = 1,94 %
• Energía eléctrica obtenida:
Nel = 28 (kWh/t de caña) x 3.600 (kJ/kWh) / 290 (kg de bag/t de caña) = 347,6 (kJ/kg de bag) = 3,86 %
(8)
Fig. 3 Diagrama de exergías
Exergía agua alimentación 1%
Exergía combustible 100%
Pérdida de Exergía en el
generador de vapor 79%
Exergía perdida en
la tubería de vapor 0.53%
Exergía del vapor vivo
Exergía perdida en la TV 1.94%
Exergía del vapor para
calefacción 14.7%
Energía eléctrica 3.86%

Diagrama Energético (Entalpías)
• Se consideran 2 kg de vapor/kg de bagazo y se refieren todas las energías al poder calorífico
inferior = 7.325 (kJ/kg de bagazo) = 100 %. El rendimiento del generador de vapor está referido
al PCI.
• Energía del agua de alimentación de 100 ºC: 837 (kJ/kg) = 11,4 %
• Energía de vapor de 13 ata 250 ºC: 5.863 (kJ) = 80 %
• Pérdidas en el generador de vapor: 2299 (kJ) = 31,4 %
• Energía del vapor en la admisión de la TV, de 11,5 ata y 240 ºC: 5.828 (kJ) = 79,5 %
• Pérdidas en la tubería de vapor: 35 (kJ) = 0,48 %
• Energía del vapor de escape de la TV para calefacción: 5.489 (kJ) = 74,9 %
• Energía del condensado: 1.063 (kJ) = 14,5 %
• Energía Eléctrica obtenida: 347,6 (kJ) = 4,75 %
Fig. 4 Diagrama energético (entalpías)
Este ejemplo pone en evidencia que es importante tener presente que cuando se gesta un proyecto de
cogeneración, es acertado comenzar el estudio por las necesidades de calor del proceso tanto en
cantidad como en nivel de temperatura y a partir de allí, determinar el tipo de máquina que nos
suministre la FM necesaria y el adecuado vapor, en calidad y cantidad en el escape, para cumplir con las
transferencias de calor.
Es evidente que si el punto de comienzo del estudio es la cantidad y calidad de vapor disponible para el
proceso, siempre es válido investigar si hay posibilidades de optimización en el aprovechamiento del
calor en la calefacción, que permitirían la instalación de una planta de cogeneración más eficiente y
rentable.
Ejemplo 2: Análisis de una instalación en operación
Es interesante observar que en instalaciones ya realizadas y que están operando, si se procede a
efectuar un análisis parcial, se podría llegar a una conclusión equivocada: aumentar el diámetro de la
tubería (mayor costo) para reducir las pérdidas de carga. En ese caso la presión del vapor en la admisión
Entalpía agua de
alimentación 11,4%
Poder Calorífico Inferior
del combustible 100%
Pérdida en el generador
de vapor 31,4%
Pérdida en tubería
de vapor 0,48%
Energía del
vapor vivo 80%
Energía del condensado 14,5%
Energía para
calefacción 74,9%
Energía eléctrica 4,75%

de la TV sería mayor y la misma podría generar una potencia mayor. Pero si la energía eléctrica
necesaria fuera igual al requerimiento inicial, la válvula de regulación haría una laminación mayor (con
mayor pérdida de exergía) o bien se podría reducir el número de toberas de admisión para disponer de
un salto mayor de entalpía y por consiguiente un consumo de vapor inferior, generando la misma
potencia. En el diagrama T-S, observamos que la entalpía de vapor de escape, punto A, es menor que la
del punto B. Este déficit energético del vapor para procesos debería ser compensado mediante una
laminación de vapor a través de una válvula reductora de presión desde la caldera hasta la
contrapresión.
El vapor que se lamina resulta con un elevado sobrecalentamiento, por lo que sería necesario
implementar un sistema de enfriamiento con pulverización de agua de alimentación en el vapor. Esta
instalación complicaría el sistema y también sería ineficiente térmicamente debido a la pérdida de
exergía en el proceso de mezcla.
Fig. 5 Diagrama T - S
Ejemplo 3: Posibilidad de aumentar la generación de energía eléctrica para vender el excedente
Una posibilidad interesante de analizar es la que consiste en elevar la presión y temperatura del vapor
generado, con el mismo caudal y un mayor salto de entalpía, para aumentar la generación de energía
eléctrica y entregar el excedente a una red de distribución pública.
En una caldera moderna, con rendimiento de 2 kg de vapor/kg de bagazo, con el bagazo disponible se
pueden generar los 290.000 kg/h de vapor a 64 bar y 480 ºC y en la TV se podría generar una potencia
de aproximadamente 40.000 kW. Restando los 14.000 kW para la fábrica, queda un excedente de
26.000 kW para entregar a la red pública, que referidos a la caña molida resultan 52 kWh/t de caña. Esto
sería si el consumo de vapor en fábrica se mantiene en 600 kg/t de caña.
Si se realizan las mejoras tecnológicas correspondientes en el proceso de fabricación y el consumo de
vapor se reduce a 500 kg/t de caña y se agrega a la TV un cuerpo de condensación, se puede obtener
un excedente de aproximadamente 70 kWh/t de caña.
Con una producción de caña en Tucumán, de 13.500.000 t/zafra en 5 meses, se podrían generar
945.000 MWh.
Conclusión
De los ejemplos presentados se deduce que en todo proceso de cogeneración se deben tomar como
base las necesidades energéticas (FM, EE y calor) de los procesos de fabricación y a partir de las
mismas establecer las condiciones que deben cumplir los equipos de servicio (TV, GV, Tuberías, etc).
Las mismas consideraciones valen en el caso de generar un plus de EE para la venta.
1
2
Ta
A
B
T
Laminación: i = conste.
Contrapresión
S2S1
s

Referencias
Agüero, A. C., Pisa, J. R., Agüero, C. J. y Torres, A. (2004) “Poder Calorífico del bagazo de caña de
azúcar”, cet Revista de Ciencias Exactas e Ingeniería, Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología,
Universidad Nacional de Tucumán, Argentina, Nº 24, pp. 32-37.
Agüero, C. J., Pisa, J y Andina, R (2006) “Consideraciones sobre el aprovechamiento racional del
bagazo de caña como combustible”, cet Revista de Ciencias Exactas e Ingeniería, Facultad de Ciencias
Exactas y Tecnología, Universidad Nacional de Tucumán, Argentina, Nº 27, pp. 15-21.
Agüero, C. J., Pisa, J. R. y Andina, R. L. (2010) “Límites en el uso de balances de exergía en los
sistemas de cogeneración”, cet Revista de Ciencias Exactas e Ingeniería, Facultad de Ciencias Exactas
y Tecnología, Universidad Nacional de Tucumán, Argentina, Nº 32, pp. 32-36.
Haug, C. J. (1966) “Análisis de las transformaciones energéticas y de las pérdidas de energía por medio
de la exergía con referencia a la Industria Azucarera”, Publicación del Departamento de Mecánica de la
Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología, Universidad Nacional de Tucumán, Argentina.
Este artículo fue escrito durante el 2º semestre del año 2010, en el Departamento de Mecánica de la
Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Nacional de Tucumán.
Jorge R. Pisa
Ingeniero Mecánico, egresado de la Universidad Nacional de Tucumán. Docente de la Facultad de
Ciencias Exactas y Tecnología de esa Universidad desde el año 1976. Actualmente es Profesor
Asociado de la Cátedra “Generadores e Instalaciones de Vapor” del Departamento de Mecánica.
Desarrolló 15 años de actividad profesional en el Ingenio La Fronterita, en el área energética. Realiza
trabajos a terceros en el sector industrial azucarero, citrícola y del tabaco.
e-mail: jpisa@herrera.unt.edu.ar
Carlos J. Agüero
Ingeniero Mecánico, egresado de la Universidad Nacional de Tucumán. Docente de la Facultad de
Ciencias Exactas y Tecnología de esa Universidad desde el año 1965. Actual Profesor Asociado, de la
Cátedras “Turbinas de Vapor (Turbomáquinas)”, “Termodinámica” y ”Sistemas de Control” del
Departamento de Mecánica. Desarrolló actividad profesional en la Industria Azucarera de Tucumán en el
área de mediciones, ensayos y balances térmicos y control automático de procesos. Jefe del
Departamento de Instrumentación y Control Automático de la Cía. Azucarera Concepción S.A. hasta
Mayo de 2005.
e-mail: caguero@herrera.unt.edu.ar
Roberto L. Andina
Ingeniero Mecánico, egresado de la Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología de la Universidad
Nacional de Tucumán en el año 1975. Ejercicio de la docencia universitaria desde 1977 hasta la fecha en
los siguientes cargos y asignaturas: Profesor Adjunto de “Generadores e Instalaciones de Vapor”,
“Turbinas de Vapor” y “Laboratorio de Máquinas II y III” del Departamento de Mecánica de esta Facultad
y Jefe de Trabajos Prácticos en “Diseño de Instalaciones Térmicas” del Departamento de Mecánica de la
Facultad Regional Tucumán de la UTN. En la actividad profesional, se desempeña en asesoramientos
técnicos en la Industria del Noroeste Argentino, con participación en diferentes proyectos de
instalaciones térmicas.
e-mail: randina@herrera.unt.edu.ar

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