Análisis de pérdidas Energéticas en rede=
s de
distribución de vapor de un sistema hospitalario
Análisis de pérdidas de Energéticas en redes de
distribución de vapor de un sistema hospitalario
=
Lenin
Santiago Orozco Cantos.[1], =
Edwin
Ángel Jácome Dominguez.[2], =
Sayuri
Monserrath Bonilla Novillo.[3], Jaime
Iván Acosta Velarde. [4=
] & Gloria Elizabeth Mińo Cascante.<=
/span> [5]
Recibido: 10-02-2019 / Revisado: 15-0=
2-2019
/Aceptado: 28-03-2019/ Publicado: 05-04-2019
The present wo=
rk
shows the analysis of the situation of the energy that is dissipating due to
the fact that the steam distribution system, the case study: IESS of Ambato,
through measurements of the operating conditions different forms such as la=
ck
of insulation and steam leaks. This energy amount is valued economically to
consider the potential benefit of the hospital in a global energy assessmen=
t.
It is evident that the largest amount of energy is lost in the sections of
pipes that do not have a thermal switch bordering the
Keywords: Steam Distribution, Pipeline, Heat loss, Efficiency, Thermal insulat=
ion.
Resumen.
El
presente trabajo muestra el análisis de las pérdidas de calor en el sistema=
de
distribución de vapor, caso de estudio IESS de Ambato, a través de medicion=
es
de las condiciones de operación se evalúa la cantidad de energía que está
siendo disipada sin uso específico por diferentes formas como falta de
asilamiento y fugas de vapor. Esta cantidad energética se valora económicam=
ente
para considerar el potencial beneficio del hospital en emprender una evalua=
ción
energética global. Se evidencia que la mayor cantidad de pérdidas de energí=
a se
da en los tramos de tuberías que no cuentan con un aislante térmico bordean=
do
los
Palabras claves: Distribució=
n de
Vapor, Tuberías, Pérdidas de calor, Eficiencia, Aislante Térmico.
Intro=
ducción.
El consumo excesivo de combustibles fósiles, los b=
ajos
rendimientos energéticos, y los altos niveles de contaminación, son los
problemas más recurrentes en las industrias grandes y pequeńas
Las políticas energéticas en Suramérica se ven muy
limitadas e influenciadas por las grandes potencias, las barreras tecnológi=
cas,
los problemas de
financiamiento y puesta en marcha de los grandes proyectos energéticos así =
como
una falencia en políticas de seguridad energética, limitan su progreso y
productividad
Uno de los sistemas energéticos más comunes en las
industrias de servicios son los sistemas de distribución de vapor
Con actividades de mantenimiento habituales,
sistemáticas y de poca inversión, el consumo energético de los sistemas
industriales, comerciales y de servicios podría ser reducido por lo menos e=
n un
25%
Metodologia.
=
El estudio de eficiencia energética se realizó en =
el
hospital IESS Ambato ubicado en el sector de Atocha. Las instalaciones cuen=
tan
con varias secciones, de las cuales se tomaron en cuenta las tres áreas de
mayor consumo de vapor: Lavandería, Dietética y Esterilización, así como la
Casa de máquinas. Para identificar=
cada
parte del sistema de tuberías se dividió en 5 tramos detallados a continuac=
ión:
=
A:
Tubería caldera - distribuidor de vapor;
B: Tubería
distribuidor de vapor-Esterilización:
C:
Tubería distribuidor de vapor-Dietética;
D:
Tubería distribuidor de vapor - Lavandería;
E:
Tubería retorno de condensado.
=
=
Para cada uno de los tramos de tuberías se determi=
nó
el diámetro exterior, la longitud de tubería con y sin aislamiento, el espe=
sor
del material aislante, y se midió la temperatura de la superficie exterior =
de
los tramos de dicha tubería, además se tomó la temperatura ambiente de cada
lugar. Todos los datos están tabulados en la Tabla 1. Las mediciones de
temperatura se obtuvieron mediante un pirómetro marca FLUKE modelo 572; con=
una
geometría de calibración con temperatura ambiente de 23 °C ą 2 °C y 1 % de
precisión de lectura.
Tabla
1 Medidas geométricas y datos de temperatura de los 5
tramos de tubería estudiados del hospital IEES Ambato.
|
Tramos de tubería |
A |
B |
C |
D |
E |
|
Diáme=
tro
exterior de la tubería [mm] |
114 |
57 |
51 |
76 |
76 |
|
Longi=
tud
de tubería con aislante [m] |
11,10 |
79,73 |
66,45 |
63,35 |
97,30 |
|
Longi=
tud
de tubería sin aislante [m] |
1,00 |
19,72 |
11,98 |
12,04 |
58,94 |
|
Espes=
or
del material aislante [mm] |
30 |
33 |
30 |
33 |
25,4 |
|
Tempe=
ratura
superficie aislada [K] |
303,0 |
312,1 |
307,1 |
309,4 |
304,0 |
|
Tempe=
ratura
superficie sin aislarse [K] |
398,0 |
370,5 |
378,9 |
382,5 |
355,8 |
|
Tempe=
ratura
ambiente [K] |
297,2 |
299,7 |
299,7 |
299,7 |
299,7 |
=
=
Fuente: Autor
=
=
El
análisis de pérdidas de calor en el sistema de vapor fue realizado en una h=
oja
de cálculo de Excel tomando en cuenta la normativa ASME Eficiencia energética en aislamientos térmicos industriales=
=
Pérdida
de calor en las tuberías
=
=
El fenómeno de transferencia de calor en las tuber=
ías
es por convección y radiación. La ecuación 1 se utilizó para determinar el =
coeficiente
de transferencia de calor por convección desde la superficie de la tubería
aislada hacia el ambiente.
=
=
=
Donde:
=
=
=
=
=
=
=
El diámetro aislado es:
=
=
=
Donde:
=
=
Es: Espesor del
aislante.
=
=
El coeficiente de transferencia de calor por radia=
ción
desde la superficie de la tubería aislada hacia el ambiente fue determinado=
con
la ecuación 3, tomando en cuenta la Emisividad de la
superficie aislada [Ems] de 0.95.
=
=
Entonces el coeficiente global de transferencia de
calor hg es la suma de los coeficientes de convección y radiación.
=
=
=
Conocido hg procedimos a calcular el flujo de calor
perdido Qt, el cual además depende de la Temperatura
de operación con top=3D 437 K<=
/span> y la conductividad térmica del aislant=
e
=
=
Pérdidas
de calor en la caldera en la superficie de la caldera.
=
=
La pérdida de calor en la superficie de la caldera
también es por radiación y convección. El coeficiente de transferencia de c=
alor
por radiación hr
es influenciado por la emisividad
del material Emss, la constante de Stelfan Boltzmann<=
/span>
=
=
=
El coeficiente de transferencia de calor por
convección natural
=
=
= Donde Nusselt está expresado acorde a la ecuación 8,<= o:p>
=
=
Y el coeficiente global de transferencia de calor =
en
la superficie de la caldera es:
=
<=
span
style=3D'font-size:11.0pt;line-height:115%;font-family:"Calibri",sans-serif;
mso-ascii-theme-font:minor-latin;mso-fareast-font-family:"Times New Roman";
mso-fareast-theme-font:minor-fareast;mso-hansi-theme-font:minor-latin;
mso-bidi-font-family:"Times New Roman";mso-bidi-theme-font:minor-bidi;
position:relative;top:5.5pt;mso-text-raise:-5.5pt;mso-ansi-language:ES;
mso-fareast-language:ES;mso-bidi-language:AR-SA'>
=
Por lo tanto, tenemos el calor perdido Qc es el producto entre el
coeficiente global de transferencia de calor, el área de transferencia A, y la diferencia de temperatura=
∆T entre
la temperatura de la superficie de la caldera y el ambiente.
=
=
Costo económico del consumo de la caldera
=
=
Para obtener el precio por unidad de masa de vapor
producido calculamos el consumo específico (CE) tomando como combustible diésel tipo 2 con un poder caloríf=
ico
inferior PCI de 45500 kJ/kg [A=
STM
D-240] y un costo de 1,72 [USD/gal].
=
=
=
Dónde:
=
=
=
<=
![if !msEquation]>
=
=
=
=
Con los valores anteriores calculamos el precio de=
la
masa de vapor de la caldera.
=
=
=
Para determinar el costo de kilo Joule dividimos p=
ara
la entalpia de vapor a la presión de generación.
=
=
Análisis
económico y financiero
=
=
Para el análisis de los costos del consumo, se tom=
a en
el mes de marzo del 2016 los valores del Diésel, en KWh. En el cálculo de l=
as
pérdidas de calor de tuberías de vapor de la caldera, se utilizó un material
aislante para minimizar la fuga de calor, para lo cual se consideró un espe=
sor
de 30 mm, dando como resultado una temperatura en la superficie aislada
=
Con las formulas sigui=
entes
calculamos los costos de pérdidas de calor en tuberías y en la caldera.
=
=
Pérdidas económicas en las tuberías de distribució=
n:
=
=
Pérdidas económicas por disipación de calor en la
caldera:
=
=
=
Con esto vemos en que tiempo se va obtener la
recuperación de la inversión.
=
=
=
Aplicando la fórmula:
=
=
=
Donde:
=
VPN: Valor presente neto
=
Valores
futuros: Ahorro mensu=
al
=
Tasa
de int: 1 [%] mensual [12%anual]
=
n: Tiempo de recuperación del capital
=
=
Con esto se puede determinar el tiempo en meses se
puede recuperar la inversión hecha en cańuelas de lana de vidrio.
Resultados.
De acuerdo a la norma ASTM C592, que habla sobre l=
as
condiciones para construcción de calderas e inspecciones, esta remite a la
Norma ASTM C411 que trata sobre las propiedades y características físicas de
las tuberías así como de ciertos tipos de recubrimientos, se puede afirmar =
que
los valores obtenidos en el campo están bajo los estándares, si se utiliza
recubrimiento de fibra de carbono, de vidrio y espumas, colcha y lana de vi=
drio
Los valores según la norma ASTM C411 van de -18 a
454 oC para límites de uso, al c=
omprar
los valores con los arrojados por el pirómetro, están dentro del rango
establecido, al ser de 125 oC sin aislamiento y 30 oC.
Al estar las tuberías recubiertas de lana de vidrio, en el primer tramo
analizado, siendo estos los valores de temperatura más elevados. Consideran=
do
espesores que oscilan entre los 30 =
y 33 mm en los distintos tramos, se =
puede
decir que el sistema cumple las condiciones.
Los
indicadores energéticos adicionales considerados en el sector de servicios =
para
la realización del análisis del consumo energético por áreas, facilita el
estudio para mejorar la eficiencia del sistema, al cuantificar el valor de =
las
pérdidas de calor debido al estado de las líneas de distribución de vapor, =
como
se describe en la Tabla 1, don=
de se
evidencia un aumento considerable en el valor de las pérdidas de calor en l=
os
tramos sin aislar.
Tabla 2. Cálculo de Pérdidas de calor en las tuberías en sistemas de
distribución de vapor.
|
CALCULO DE PERDIDAS DE CALOR EN LAS TUBERÍAS DE VAPOR |
|||||||
|
&n=
bsp; |
do |
das |
L |
=
Qp |
Q |
Tramos |
|
|
[plg-m] |
[m] |
[m] |
[W/m] |
[W] |
|||
|
Caldera |
4,5 |
0,1143 |
0,1743 |
11,1 |
63,830794 |
708,521821 |
C.A. |
|
4,5 |
0,1143 |
0,1143 |
1 |
421,15815 |
421,158152 |
S.A. |
|
|
=
Esterilización |
2,25 |
0,05715 |
0,12315 |
79,73 |
37,091835 |
2957,33203 |
C.A. |
|
2,25 |
0,05715 |
0,05715 |
19,72 |
215,56024 |
4250,84794 |
S.A. |
|
|
=
Dietética |
2 |
0,0508 |
0,1108 |
66,45 |
35,5940477 |
2365,22447 |
C.A. |
|
2 |
0,0508 |
0,0508 |
11,98 |
199,384241 |
2388,62321 |
S.A. |
|
|
=
Lavandería |
3 |
0,0762 |
0,1422 |
63,35 |
44,7797434 |
2836,79674 |
C.A. |
|
3 |
0,0762 |
0,0762 |
12,04 |
282,833039 |
3405,30979 |
S.A. |
|
|
=
Retorno |
3 |
0,0762 |
0,127 |
97,3 |
50,3329155 |
4897,39268 |
C.A. |
|
=
condensado |
3 |
0,0762 |
0,0762 |
58,94 |
259,502318 |
15295,0667 |
S.A. |
Nota:
C.A, Con aisla=
nte,
S.A. Sin aislante
Fuente: Autor
Figura 1. Cálculo de pérdidas de calor en las tuberías de va=
por
con aislante y sin aislante.
Fuente: Autor
Actualmente el valor =
de
las pérdidas de calor en el sistema por falta de aislamiento en las tubería=
s es
de 23073.23 W, que representa el 89.61% del total de las pérdidas del siste=
ma.
En cuanto a las pérdi=
das
de calor por radiación y convección que presenta la superficie de la calder=
a,
se considera una temperatura en la superficie de Tcal<=
/span>=3D313
K, y la temperatura ambiente Ta=3D 297,2 K, y bajo condiciones normales de
trabajo anuales, con la estimación de 10 horas diarias de uso de la caldera=
, se
tiene un valor de 41,81x106 KJ/ańo como pérdida de calor esto se=
gún
las Tablas 2 y 3 Considerando los indicadores energéticos recomendado por la
ONUDI [14] en el hospital
IESS.
Tabla
3. Valores de
consumos por ańo.
|
DESCRIPCIÓN |
SÍMBOLO |
VALOR |
|
Consumo Específico [kg/kgc] |
CE |
15,719 |
|
Precio por unidad de masa [USD/Kgc] |
Prc |
0,499 |
|
Precio de masa de vapor [USD/Kgv] |
Pmv |
0,031767 |
|
Costo de KJ [USD/KJ] |
P |
1,15x10-5 |
|
Calor perdido con aislante [KJ/ańo] |
Qc |
1,81x108 |
|
Calor perdido sin aislante [KJ/ańo] |
Qs |
3,39 x108 |
|
Calor perdido en la caldera [KJ/ańo] |
Qp |
4,18 x107 |
|
Pérdidas económicas en las tuberías de distribución [USD/ańo] |
|
3 900 |
|
Pérdidas económicas por disipación de calor en la caldera [USD/ańo=
] |
|
480 |
Fuente: Autor
El valor de inversión
para el recubrimiento de las cańuelas de lana de vidrio es de 3339,3 USD, para la longitud total=
de 103,68 m, con distintos espesores,=
este
valor solo representa el costo del aislante incluido IVA, costo nacional ac=
tualizado
al ańo 2017.
Basado en el costo
mensual que generan las perdidas en el sistema, de 3900.80 USD/ańo, tras la implementación de los aislantes en las
tuberías se tendrá un ahorro mensual de 325.066
USD, por lo tanto el tiempo de recuperación =
es de
11 meses (3370.20 USD), como se
muestra en la Tabla 4.
Tabla
4. Análisis
económico y financiero del aislante térmico
|
ANÁLISIS ECONÓMICO Y FINANCIERO |
|
|
Especificaciones |
USD
necesario en materiales |
|
Precio=
de
cańuelas de lana de vidrio [USD] |
3339,33 |
|
Ahorro
mensual [USD/mes] |
325,07 |
|
Valor
presente Neto VPN [USD] |
3339,33 |
|
Valor =
de
recuperación en 11 meses [USD] |
3370,2 |
Fuente: Autor
Conclusiones.
ˇ&nb=
sp;
El presente
estudio contribuye en beneficios para la economía del hospital IESS Ambato,=
y
servirá de línea base para futuros estudios que podrían ampliarse al anális=
is
individual de cada uno de los equipos del hospital y mantener un plan de me=
jora
continua. Se calculó el valor de las pérdidas de calor en los tramos de tub=
ería
de forma teórica fundamentados en los valores obtenido de la toma de datos =
en
las instalaciones del Hospital IESS Ambato donde se observa que el uso de
material aislante reduce el valor de las pérdidas de manera notoria en las
tuberías de distribución de vapor, lo que representa una opción económica y
técnicamente viable para la reducción de los costos de consumo de energía e=
n el
Hospital IESS Ambato, a la fecha del estudio el valor de las pérdidas de ca=
lor
en el sistema por falta de aislamiento en las tuberías es de 23073.23 W, qu=
e representa
el 89.61% del total de las pérdidas del sistema. Tomando en consideración la
longitud de cada tramo. La norma ISO 50001 ofrece diversos métodos y
estrategias de gestión energética para aumentar la eficiencia energética, u=
so y
consumo en esta entidad pública, con el afán de reducir costos y emisiones =
de
CO2, mediante el planteamiento de auditorías, puesto que en
referencia al costo mensual que generan las perdidas en el sistema, de 3900.80 USD ańo, tras la implement=
ación
de los aislantes en las tuberías se tendrá un ahorro mensual de 325.066 USD, por lo tanto el tiemp=
o de
recuperación es de 11 meses (3370.2=
0 USD).
Finalmente, de manera general es necesario implementar un programa de
evaluación o auditoria del aislamiento basado en la mejora continua en todos
los sistemas de distribución del hospital, para determinar las razones por =
las
que el aislamiento se estropea o fallan dichas áreas.
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comunitaria. DIALNET, 55-77. doi:10.5007/2177-7055.2011v32n62p55
PARA
CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
Orozco L., Jácome E., Bonilla S., Acosta
J. &
Mińo G. (2019). Análi=
sis
de pérdidas de Energéticas en redes de distribución de vapor de un sistema
hospitalario,
Revista electrónica Ciencia Digital 3(2), 689-701.
Recuperado desde: http://cienciadigital.org/revistacienciadigital2/index.php/CienciaDigi=
tal/article/view/263/567
El artículo que se publica es de
exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente reflejan el
pensamiento de la Revista Ciencia
Digital.
El artículo qu=
eda
en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parcial y/o total en
otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1] Escue=
la
Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecánica. Riobamba, Ecuador=
. lsorozco@espoch.edu.ec
[2] Escuela Politécnica Nacional, Departamento de
Ingeniería Mecánica. Quito, Ecuador. edwin.jacome@epn.edu.ec
[3] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Administración de Empresas. Riobamba, Ecuador. smbonilla@espoch.edu.ec
[4] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecánica. Riobamba, Ecuador. ji_acosta@espoch.edu.ec
[5] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecánica. Riobamba, Ecuador. gmino@espoch.edu.ec
www.cienciadigital.org
=
Vol.
3, N°2, p. 689-701, abril - junio, 201