Se denominan "tecnologías intersectoriales" a aquellas técnicas periféricas o de servicio que son utilizadas en la mayoría de las plantas industriales, independientemente de la rama o sector industrial. Las tecnologías intersectoriales tienen una gran importancia con respecto a la energía: en prácticamente todas las plantas industriales una parte muy significante de la energía es transformada en otra forma de energía en los calderos, en los sistemas de aire comprimido, en los sistemas de aire acondicionado, etc. (véase la Figura 1 que muestra el ejemplo de una planta química).

Figura 1: Distribución Típica de la Electricidad en una Empresa de la

Industria Química (fuente: /3/)

2.1.1 Generación y Distribución de Vapor y Agua Caliente

Víctor Arroyo Chalco

Los dos equipos de combustión de mayor uso en las instalaciones y plantas industriales, comerciales y de servicios son los calderos de vapor y agua caliente. Estos son usados para transferir energía de un combustible a un fluido que transporta calor a diferentes temperaturas ya sea para ser usados en el proceso o para un calentamiento en diferentes formas.

El transporte del fluido se hace normalmente por tuberías desde la caldera hasta el punto de consumo, que es una clase de equipo térmico, y luego desde éste a la caldera pero con un menor contenido energético.

La experiencia ha demostrado que la gran mayoría de calderas trabajan con eficiencias térmicas menores a la máxima alcanzable, las cuales según el estado de la tecnología en países de Latinoamérica y del tipo de combustible usado, tienen los siguientes valores aproximados para calderas de vapor:

Calderas pirotubulares estándar de 3 pasos (1000 BHP): 80 - 83 % (base PCS).

Calderas acuotubulares sin recuperador de calor (1000 BHP): 78 -

Figura 2: Ahorro de Petróleo al Reducir el Exceso de Aire al 20%

Figura 3: Ahorro de Gas Natural al Reducir el Exceso de Aire al 10%

80% (base PCS).

Por otro lado, en los sistemas de distribución de vapor o agua caliente, también se presentan deficiencias que se traducen en pérdidas de energía que a su vez implican mayor consumo de combustible en la caldera para compensar dichas pérdidas. Las pérdidas en este caso son variables, dependiendo de las deficiencias encontradas.

En un sistema de generación-distribución en conjunto, el uso ineficiente de la energía puede significar un aprovechamiento tan bajo como del 30% de la energía aportada al sistema por el combustible en la caldera (sistemas de vapor), en lugar de un 70% como podría ser en el caso de un sistema optimizado.

Por otro lado, la ineficiencia de las calderas y sistemas de distribución, además de implicar mayor consumo de combustible, implican también un incremento proporcional de las emisiones de gases de combustión tales como:

Dióxido de Carbono (CO2) : probable causante de "Efecto invernadero".

Dióxido de Azufre (SO2) : causante de "Lluvia ácida".

Oxidos de nitrógeno (NOx) : causante de "Lluvia Acida".

Monoxido de Carbono (CO) : contaminante.

Partículas en la forma de hollín : contaminante.

En conclusión, es necesario adoptar medidas que permitan incrementar la eficiencia de las calderas y sistemas de distribución de vapor, usando las mejores tecnologías disponibles y aplicando técnicas para incrementar la eficiencia de las calderas y el uso de vapor o agua caliente y reducir las pérdidas en los sistemas de distribución.

2.1.1.1 Procedimientos de Evaluación Energética de Calderas

La evaluación energética de calderas de vapor y agua caliente es una de las acciones más importantes en cualquier programa de ahorro de energía térmica en una instalación.

Tiene como objetivos determinar lo siguiente:

Efectuar un balance de materia y energía en la caldera, para determinar las pérdidas.

Figura 4: Sistemas de Quemadores de Calderas

Figura 5: Efecto de la presión de vapor en el rendimiento

Figura 6: Incremento del Consumo de Petróleo por Suciedad de Tubos

Determinar la eficiencia en el consumo de combustible

Ver oportunidades de ahorro de energía e incremento de la eficiencia

Determinar las inversiones para mejorar la eficiencia

Conocer las emisiones de contaminantes (CO, SO2, NOx, partículas)

Procedimiento

1) Conocer las características técnicas de la caldera y su influencia en la eficiencia

Diseño

Variables de diseño

Controles

Combustibles usados

2) Determinar las condiciones operativas actuales que estén alterando la eficiencia

Modo de funcionamiento

Régimen de operación

Variables de operación

Controles

Mantenimiento

3) Realizar mediciones para obtener una base del diagnóstico

Análisis de gases: O2, CO2, CO. (opcional: SO2, NOx)

Opacidad de gases (opcional: concentración partículas)

Medición de temperatura de gases

Medición de flujos: combustible, vapor, purga

Figura 7: Ahorro de Combustible por Recuperación de Condensado

Figura 8: Torre para Recuperación de Calor por Condensación de Vapores

Figura 9: Porcentaje de Vapor Flash Formado de Condensado Descargado a Presión Atmosférica (Nivel del Mar)

Temperaturas superficiales: pérdidas por radiación y convección

4) Efectuar diagnóstico

Diagnóstico energético de la caldera

Planteamiento de mejoras justificadas técnica y económicamente

5) Los recursos necesarios para hacer una evaluación energética son:

Personal especializado y soporte

Instrumentos: analizador de gases, termómetros, medidores de flujo, pirómetros.

Conociendo las características técnicas de la caldera, su modo de operación, consumo energético, y teniendo un diagnóstico de su eficiencia y limitaciones, es posible plantear las medidas para el ahorro de energía mediante una serie de técnicas que se explican más adelante, las cuales tienen que ser evaluadas técnica y económicamente antes de su implementación.

2.1.1.2 Principales Técnicas de Ahorro de Energía en Sistemas de Vapor

Existe un gran número de técnicas para incrementar la eficienc Farbe ia en sistemas de vapor y agua caliente, desde la generación en calderas hasta el consumo en los usuarios, lo que implica reducir el consumo de combustible para generar la misma cantidad de vapor o calentar la misma masa de agua. De esta manera se obtiene un costo mínimo de producción de calor en la planta y menores emisiones de gases contaminantes a la atmósfera (SO2, NOx, CO).

Existen más de 50 técnicas efectivas de ahorro de energía en sistemas de vapor y agua caliente para todo tipo de instalaciones. En el caso de las pequeñas y mediana empresas, a las cuales va orientado este documento, el número de técnicas aplicables se reduce por el tamaño de los equipos involucrados y los menores consumos de energía, lo cual no justifica en muchos casos las inversiones requeridas para implementar las mejoras, tal como podría ser el caso en las grandes industrias.

En tal sentido, a continuación se describen las técnicas de ahorro que serían más aplicables a los sistemas de vapor de la pequeña y mediana industria, algunos de los cuales son también aplicables los sistemas de agua caliente.

Figura 10: Tanque de Separación de Vapor Flash

Regular el exceso de aire

El control del exceso de aire es una de las técnicas más efectivas para mejorar la eficiencia de una caldera con inversiones que pueden ser desde bajas hasta moderadas, dependiendo del sistema de control que se adopte.

Consiste en regular los flujos de aire (mediante la apertura del damper del ventilador) y combustible (mediante la válvula de ingreso al quemador ) de tal manera que se mantenga una relación aire-combustible que produzca un mínimo de exceso de aire (reflejado por la concentración de Oxígeno, O2, en chimenea) para la potencia del quemador que se trabaje, y con una mínima producción de sustancias resultantes de una combustión incompleta (básicamente hollín y Monóxido de Carbono, CO).

Existen diferentes sistemas para controlar el exceso de aire en las calderas, los cuales se aplican básicamente dependiendo de la potencia de la caldera y tipo de combustible. Estos sistemas se pueden agrupar de la siguiente manera:

Control manual.

Control automático.

En bucle abierto.

Con retroalimentación.

Con anticipo.

Dichos tipos de control pueden dar origen a diferentes sistemas como son:

En serie

En paralelo

En serie - paralelo o con límites cruzados.

Un refinamiento de dichos sistemas puede considerar sensores de Oxígeno y/o Monóxido de Carbono.

En la pequeñas y medianas empresas, con calderas hasta de unos 1000 BHP o más, el sistema de control más común lo constituye un sistema mecánico de eje que es una forma simple de control posicionante en paralelo. En este sistema la presión del vapor es detectada por un presóstato, cuya señal posiciona eléctricamente un motor que a su vez acciona mecánicamente, mediante un mismo eje, la válvula de combustible (a través de una leva) y el damper del

ventilador de aire de combustión, tratando de mantener una relación aire-combustible más o menos constante.

En los sistemas mecánicos posicionantes en paralelo sucede con frecuencia que estos no están ajustados para mantener el exceso de aire al mínimo posible, sino que la regulación aire-combustible es un tanto errática y por lo general con altos excesos de aire, resultado de un ajuste simple en base a inspección visual de los humos de chimenea.

En tal caso es necesario ajustar el sistema para lograr un mínimo de exceso de aire, mediante la apertura o cierre del damper de aire (ajuste grueso) y la apertura o cierre de la válvula de combustible posicionando adecuadamente los pines de la leva (ajuste fino). Lo anterior se realiza en base a análisis de gases (O2 y/o CO2) y determinación de opacidad de humos mediante el Indice de Bacharach.

El sistema es usualmente ajustado para una condición particular de operación en el momento en que la caldera es instalada o después de un mantenimiento de la unidad. En virtud de que el sistema debe acomodarse a las fluctuaciones de la calidad del combustible y al estado mecánico y operativo del sistema de combustión en su conjunto, requiere de ajustes periódicos para mantener el exceso de aire deseado previniendo la posibilidad de formación de hollín y CO.

El nivel mínimo de exceso de aire a emplear depende del combustible usado y del tipo de quemador disponible. Para quemadores de tiro forzado y aire sin precalentar, los niveles de exceso de aire a conseguir mediante los ajustes del sistema de control serán los que se indican en el Cuadro 1. En dicho cuadro también se indican los valores máximos de O2 , CO y opacidad de gases que corresponderían para dichos excesos de aire. Estos dos últimos valores corresponden a las sustancias de combustión incompleta y son inevitables en el proceso de combustión, pero no deben sobrepasar dichos valores máximos.

Para realizar un buen ajuste del exceso de aire, logrando una combustión adecuada, es necesario obtener una buena mezcla aire-combustible. Esto se consigue poniendo previamente el sistema de combustión a punto, es decir haciendo un mantenimiento exhaustivo a bombas, filtros, calentadores, válvulas de control, sistema de atomización, boquilla del quemador, cono refractario, difusor, entre otros. Sin ello no se logrará un buen ajuste del exceso de aire. Asimismo, es importante una limpieza de la caldera en el lado del agua y gases.

Cuadro 1: Nivel Recomendado de Exceso de Aire y Otros Parámetros(1)

Combustible Parámetro

Exceso aire

(%)

O2 en chimenea

(%)

CO en chimenea

(ppm)

Gas natural 10 máx 2.0 máx 50 máx

20 máx 3.5 máx 200 máx

25 máx 4.0 máx 400 máx(1) Estos valores pueden variar ligeramente

Los beneficios que se consiguen al reducir el exceso de aire son los siguientes .

Menores pérdidas de calor con el gas de chimenea que abandona la caldera, en virtud de que se deja de calentar innecesariamente aire en exceso que es evacuado junto con los gases. A menor volumen de gases de chimenea, menores son las pérdidas de calor.

Mayor transferencia de calor radiante.

Reducción de las emisiones de gases contaminantes (NOx, SO2, CO) en virtud de que se quema menos combustible para satisfacer la misma demanda de vapor.

En resumen una mayor eficiencia de la caldera, menor costo de producción de vapor por el menor consumo de combustible y el consiguiente ahorro económico para la planta.

Los ahorros que pueden obtenerse al reducir el exceso de aire pueden ser cuantiosos dependiendo del nivel de exceso encontrado. En las figuras 2 y 3 se ilustra el ahorro de combustible obtenible al reducir el exceso de aire para dos tipos de combustibles, desde un valor dado de exceso de aire (reflejado por el porcentaje de O2 inicial) hasta el 20o 10% de exceso de aire, según corresponda.

Las inversiones requeridas para ajustar los sistemas mecánicos son bajas, pues es necesario contratar un especialista que posea un analizador de gases y probador de humos. Si se cuenta con los equipos en planta, solamente hay que ajustar la posición de varillas y levas hasta conseguir el exceso de aire deseado. Los gastos de puesta a punto de la caldera, son normalmente gastos propios del mantenimiento.

Reemplazar Quemadores On-Off por Quemadores Modulantes

El reemplazo de los sistemas de regulación on-off de la potencia del quemador por sistemas que modulan la potencia de acuerdo a la carga de la caldera (ver Figura 4), permiten no sólo reducir las altas

temperaturas del gas, sino también las pérdidas de calor que se dan en el lapso de stand-by, así como las pérdidas de calor asociadas con la purga de gases calientes de la caldera antes y después de cada ciclo de fuego, las cuales podrían eliminarse al darse una menor frecuencia de apagado del quemador.

El cambio de sistema de regulación puede permitir incrementar la eficiencia de una caldera con sistemas on-off desde un 75% a un 77% trabajando con sistema modulante.

La inversión requerida puede ser cuantiosa, lo cual debe ser analizado tomando en cuenta las horas de operación de la caldera y el consumo de combustible.

Reducir la Presión del Vapor

En términos generales a medida que la presión del vapor en una caldera aumenta, también aumentan las pérdidas de energía debido a las altas temperaturas del gas de chimenea, mayores fugas de vapor, pérdidas de calor a través de las paredes en la caldera y tuberías de distribución y mayores pérdidas de vapor a través de trampas.

Considerando ello, a veces es posible reducir la presión de vapor a un nivel compatible con las necesidades de temperatura del usuario y con el diseño de las instalaciones de distribución de vapor, lo cual debe ser cuidadosamente estudiado. Si bien se pueden conseguir ahorros al reducir la presión del vapor, o mejorar el rendimiento de la caldera (ver Figura 5), pueden surgir otros problemas si la reducción es excesiva, tales como los que se enumeran a continuación:

Incremento del arrastre de humedad en la caldera.

Aumento del volumen específico del vapor (m3/kg) al reducir la presión. Por ello pueden darse excesivas velocidades en las tuberías existentes.

Funcionamiento inadecuado de trampas y algunos instrumentos sensibles a la temperatura

Menor transferencia de calor en los equipos usuarios de vapor.

Pérdida de rendimiento en equipos accionados por vapor.

Reducción de la Formación de Depósitos

En una caldera pueden formarse depósitos tanto en el lado del agua como en el lado de los gases. En el primer caso, los depósitos se forman por causa de un mal tratamiento del agua de

alimentación a caldera, principalmente por un mal ablandamiento, es decir que el agua de aporte contiene todavía sales de Calcio y Magnesio que no fueron previamente removidas en su totalidad en los equipos de ablandamiento, depositándose en los tubos por efecto del calor.

Una calidad pobre del agua afecta la eficiencia de la caldera de dos maneras:

Se requiere una mayor purga dando como resultado mayores pérdidas de calor.

Los depósitos de sales (caliche) en los tubos, constituye una barrera a la transferencia de calor gases-agua, que provoca no solo la elevación de la temperatura de los gases de chimenea, con la consiguiente pérdida de calor; sino también recalentamiento de tubos y posible falla de los mismos.

En el lado de los gases, los depósitos de hollín se originan por una mala combustión del combustible, debido a una pobre mezcla aire-combustible o por defecto de aire. Cuando el hollín se deposita en los tubos, también actúa como una capa de aislamiento que reduce la transferencia de calor gases-agua.

El resultado global es que los gases salen de la caldera con alta temperatura y la eficiencia de la unidad se reduce por no haberse aprovechado todo el calor de los gases. En la Figura 6 se ilustran las pérdidas de energía por efecto de dichos depósitos.

En planta es fácil darse cuenta cuándo una caldera manifiesta suciedad en las paredes de los tubos, simplemente por elevación de la temperatura de gases de chimenea. Para calderas pirotubulares de 3 pasos (con exceso de aire normal), una temperatura por encima de 220°C en llama alta, ya es un indicio de que se están produciendo depósitos en los tubos.

Temperaturas de 350°C o más representa una grave suciedad y riesgos de daños para los tubos y placas de la caldera, por recalentamiento y excesiva dilatación.

Recuperar condensados

La recuperación de condensados implica un ahorro de combustible en la caldera y menores costos de generación de vapor por las siguientes razones:

El condensado normalmente retorna a una temperatura de 70 a 90 ºC, lo cual significa que contiene una cantidad de calor que sino es aprovechada, tiene que ser aportada por el combustible para calentar el agua de alimentación hasta la misma temperatura.

Si el condensado (que es esencialmente agua pura) se pierde; el agua de alimentación tiene que ser tratada, lo cual implica mayores gastos operativos por el tratamiento y el costo mismo del agua.

El agua de alimentación que reemplaza a un condensado no aprovechado contiene impurezas que incrementan el régimen de purga y las pérdidas de calor asociados a dicha purga.

Un factor adicional que favorece la recuperación de condensados es la protección del ambiente, ya que la descarga de fluidos calientes tiene un impacto negativo en los cuerpos receptores (ríos, lagos, etc.)

En la Figura 7 se muestran los ahorros de combustible en relación a la recuperación de condensado.

Uso del Condensador de Vapor por Contacto

El condensador de vapor es un equipo que se utiliza para obtener agua caliente aprovechando los vapores residuales de baja, enfriándolos usualmente con agua fría.

En esencia está formado por un depósito cilíndrico vertical con varias entradas y salidas:

Entrada de agua refrigerante.

Entrada de vapor de baja presión.

Salida de agua condensada.

Salida de incondensables.

Dicho sistema de recuperación de calor se muestra en la Figura 8.

En los condensadores de contacto, el vapor de baja presión se pone en contacto con agua más fría de tal forma que el vapor se condensa y transfiere su calor latente al líquido, el cual eleva su temperatura.

En el diseño de un condensador debe seguirse una serie de criterios conducentes a:

Evitar demasiadas caídas de presión.

Evitar arrastres de gotas de agua.

Eliminar bolsas de aire.

Utilizar agua tratada para evitar incrustaciones.

Los condensadores de mezcla se emplean especialmente como medios de recuperar calor si no es importante la mezcla del condensado con el agua de enfriamiento, o bien en situaciones en las que los vapores están contaminados, como medida previa a su evacuación. Si interesa recuperar un condensado limpio, el agua de refrigeración debe ser de igual calidad a la del agua de alimentación de caldera.

Los condensadores de mezcla, según la forma de mezcla o de contacto entre el vapor y el agua pueden ser de varios tipos:

De pulverización.

De cascada.

De eyector.

Mixtos.

Según el sentido de las corrientes de agua y vapor los condensadores de mezcla pueden ser:

A contracorriente.

A equicorriente.

Una aplicación típica para este tipo de dispositivos son la condensación de vapores de los tanques de condensado, los vapores de ciertos tipos de máquinas como marmitas, secadores de rodillos, bateas de teñido en caliente, etc. En realidad cada caso debe ser estudiado cuidadosamente por separado.

Usar Vapor Flash

Son muchas las plantas que utilizan grandes cantidades de vapor a distintos niveles de presión y no tienen en cuenta el vapor de flash de los condensados.

El vapor flash o revaporizado es un vapor con las mismas características que un vapor vivo y se forma cuando un condensado pasa de una presión mayor a otra inferior. Parte de este condensado se convertirá en vapor a la misma temperatura que corresponda a la presión inferior. La cantidad de vapor flash obtenida será igual al exceso de calor latente del vapor a la presión inferior. El exceso de calor será la diferencia entre el calor sensible del condensado a la presión superior y el calor sensible a la inferior. Con esto conseguimos convertir en calor latente parte del calor

sensible del condensado.

En la Figura 9 se muestra una forma gráfica para calcular el porcentaje de vapor flash formado cuando un condensado a cierta presión (antes de la trampa de vapor u otro dispositivo) se expande a presión atmosférica.

El vapor flash se produce siempre que se reduce la presión del condensado; por ejemplo en trampas de vapor, purgas de calderas, etc.

La separación del vapor flash del condensado se realiza en un tanque de expansión (ver Figura 10), que en realidad no es más que un depósito vertical, donde se produce una disminución de velocidad del flujo de vapor y condensado. Este depósito vertical permite la caída del condensado al fondo, de donde es evacuado por una trampa de vapor, mientras el vapor flash, que se encuentra a menor presión, sale por la parte superior del tanque hacia el punto de consumo.

El ahorro obtenido es muy importante y la inversión se amortiza en muy poco tiempo, ya que la instalación suele ser bastante simple.

Un ejemplo muy significativo de obtención de vapor flash es la recuperación de calor de las purgas de calderas. Por ejemplo en una caldera que trabaja a 100 psig, la temperatura del agua es de unos 170 ºC, y cuando una parte de ésta se purga, produce vapor flash en una cantidad equivalente al 13% del agua purgada.

Dicho vapor flash puede ser aprovechado típicamente como vapor de baja presión en desgasificadores y calentadores de agua de caldera. El agua caliente no flasheada se aprovecha para precalentar agua de aportación a la caldera y otros fluidos, haciendo uso de un intercambiador de calor.

Reducción de Fugas de Vapor

Cualquier fuga de vapor en tuberías, equipos o accesorios, representa una pérdida de energía. En el Cuadro 2 se muestran las pérdidas de vapor en función a la longitud del penachoo pluma de vapor visible, así como en función del tamaño del orificio a través del cual se produce la fuga. Este cuadro hace ver la importancia de un buen programa de mantenimiento preventivo.

Cuadro 2: Pérdidas de Vapor por Fugas

Según longitud del penacho de vapor Según el tamaño de orificio

(vapor a 100 psig)

Longitud (m) Kg/h Orificio (pulg) Kg/h

0.5 6 1/8 21

0.75 11 3/16 48

1.00 16 – 77

1.25 26 3/8 186

1.50 38 – 318

1.75 66

2.00 104

2.25 161

Este es un tema que debe ser objeto de campañas de sensibilización y concientización del personal, ya que a veces no se le da la atención ni importancia debida.

En toda planta es necesario establecer un programa de reducción de fugas, para evitarlas y no esperar a que la planta pare.

En una planta con una red de vapor muy extensa, la aplicación de esta medida, puede significar un importante ahorro de dinero.

Mantenimiento de Trampas de Vapor

En una red de distribución de vapor, el mal funcionamiento y deterioro de las trampas de vapor o purgadores puede producir pérdidas superiores al 10% del total producido por las calderas.

Es muy importante prestar la debida atención a dichos dispositivos, para lo cual se debe considerar lo siguiente:

Selección del tipo adecuado de trampa para el servicio requerido.

Diseño adecuado de las tuberías de drenaje de condensado.

Uso de filtros de protección para las trampas.

Revisiones periódicas del funcionamiento de trampas y limpieza de filtros.

Mantenimiento necesario para conservar el sistema trabajando en las condiciones óptimas.

Por otro lado, también en las válvulas de bloqueo y by-pass de las trampas pueden haber fugas si éstas están en mal estado; esto es, si no cierran herméticamente o fallan en el cierre.

Una sola trampa mediana trabajando defectuosamente puede tener una pérdida de vapor de unos 20 kg/h, lo cual puede significar un consumo adicional de combustible en la caldera de 0.4 gal/h o 2800 gal/año (considerándose un rendimiento de 50 kg/gal en la caldera

y una operación de 7000 h/año).

En una red de vapor donde existen decenas de trampas, es fácil encontrar que un 20 a 30% de ellas presentan fugas de vapor, siendo lo admisible en la práctica un margen de fallas de un 5% como máximo. Ello puede significar pérdidas cuantiosas de dinero para la empresa por el mayor consumo de combustible. Dichas pérdidas pueden suprimirse con una pequeña inversión en mantenimiento y control, amortizable en la mayoría de los casos en menos de un mes.

Las causas de las pérdidas de energía a través de trampas se pueden calificar en pérdidas directas y pérdidas indirectas.

a) Pérdidas Directas

Son aquellas que se producen por la descarga del vapor vivo a través de la válvula de escape de la trampa.

Estas pérdidas pueden producirse por el principio en que se basa la trampa para realizar el trabajo, por el sistema de evacuación de aire que lleva, o bien porque la trampa tenga un mal mantenimiento y no funcione correctamente.

b) Pérdidas Indirectas

Son todas aquellas que no suponen paso de vapor a través de la válvula de la misma trampa.

La causa de las pérdidas indirectas es el comportamiento de la trampa como pequeño cambiador de calor con el exterior, es decir, se producen pérdidas de calor por radiación y convección al ambiente.

Estas pérdidas son siempre continuas y su magnitud depende de dos factores: a) tamaño de la trampa; b) temperatura de descarga de la misma y fase en su interior.

Existen varios métodos para comprobar el funcionamiento de las trampas de vapor, tales como:

Método visual: observación de la descarga de la trampa por un by-pass (no siempre es posible y hay que saber distinguir entre vapor vivo y vapor flash).

Control por mirillas en línea: Tienen que estar bien ubicadas y mantenerse limpias.

Control por medición de temperaturas antes y después de la trampa: puede resultar engañoso en algunos casos. Es necesario

complementarlo con otros métodos.

Método acústico: chequeo por el sonido que produce el vaporo condensado a su paso por la trampa. Es un buen método en muchos casos y si no hay interferencias puede complementarse con otros métodos.

Cada método tiene sus ventajas y desventajas, y algunos de ellos son más eficientes para determinado tipo de trampas que otros. En todo caso conviene muchas veces usar dos métodos para comprobara una misma trampa.

De todas formas hay que tener en cuenta que aún la mejor trampa con un mantenimiento pobre y descuidado, dará origen a pérdidas importantes que se pueden evitar.

El monitoreo de trampas permitirá conocer periódicamente el estado de las trampas y de acuerdo a ello tomar acciones preventivas o correctivas. La periodicidad del monitoreo dependerá de las horas de funcionamiento del sistema de vapor, de la presión de trabajo, del modo de operación del sistema, del diseño del mismo, etc. De acuerdo a ello la frecuencia puede variar de 2 a 4 veces al año.

Mejorar el Aislamiento

Típicamente las calderas y sistemas de vapor trabajan a una presión de 100 a 150 psig, lo cual significa que las instalaciones desnudas (equipos, tuberías, accesorios, etc). tiene temperaturas superficiales de 155 a 170ºC aproximadamente. Por ello se crean gradientes de temperatura con el aire exterior que producen intercambios de calor. Esto se traduce en pérdidas de energía al ambiente, los cuales son mayores cuando las instalaciones están a la intemperie.

Sucede también con frecuencia que el aislamiento es retirado de las tuberías, válvulas y partes de las calderas, para fines de reparación y no es repuesto, dejando así superficies desnudas que constituyen no sólo un riesgo para la seguridad de los trabajadores, sino también una pérdida de calor que produce condensación de vapor y merma de éste, lo cual tiene que ser compensado con mayor aporte de combustible en la caldera.

Para reducir las pérdidas de calor al ambiente es necesario que las superficies de tuberías, accesorios, equipos, etc., estén convenientemente aisladas, lo cual permitirá evitar que aproximadamente un 90% de la energía se pierda innecesariamente. El otro 10% se perderá inevitablemente, pues los aislamientos no son 100% eficaces.

Un sistema de aislamiento térmico está formado por la combinación de materiales de elevada resistencia al paso de calor, acabados y

accesorios que ensamblados cumplen uno o más de los anteriores objetivos.

La eficiencia y servicio de un aislamiento depende directamente de su protección a la entrada de humedad y del daño mecánico o químico, por lo tanto la selección de materiales para acabado de protección debe estar basada en las condiciones de la instalación.

Cualquiera sea el caso, al seleccionar un aislante para una determinada aplicación, deberán tomarse en cuenta las siguientes consideraciones:

1. Tipo de aislante

2. Conductividad térmica

3. Emisividad del aislante

4. Temperatura de trabajo

5. Densidad

6. Característica higroscópica

7. Capacidad de secado rápido si absorbe humedad

8. Estabilidad (alteración de sus características termicas)

9. Resistencia a la combustión

10. Emisión de gases tóxicos en caso de combustión

11. Facilidad de colocación

12. Resistencia al daño y al deterioro

13. Resistencia a la deformación y contracción

14. Facilidad para recibir un acabado exterior superficial

15. No ser peligroso para la salud durante su instalación

Para los sistemas de vapor a las presiones usuales, muchas veces es suficiente y adecuado usar aislamiento de fibra de vidrio, el cual viene muchas veces en presentaciones preformadas listas para instalar, lo que aunado a su bajo peso y buenas características térmicas significa bajos costos de instalación de aislamiento.

Se han desarrollado relaciones empíricas para el cálculo de transmisión de calor por convección y radiación muy útiles para

aplicaciones industriales, que pueden usarse para calcular las pérdidas de calor por superficies.

Por ejemplo, para tuberías y depósitos cilíndricos puede usarse la siguiente ecuación:

A. Pérdidas de calor por convección

Qconv = C . (1 / d)0,2 . (1 / Tav)0,181 . (dT)1,266 . (1 + 0.794 V)1/2 (kcal/h.m2)

Siendo:

C = 2.72 para cilindros horizontales

C = 3.04 para cilindros verticales

d: Diámetro

Tav = (Ts + Ta) / 2 (°C)

Ts = Temperatura de la superficie (°C) (puede estimarse en 95% de la temperatura del fluído caliente en la tubería)

Ta = Temperatura ambiente (°C)

dT = Ts - Ta (°C)

v = Velocidad del aire (km/h)

B. Pérdidas de calor por radiación

Qrad = 4.88 x 10 -8 . E . [(Ts + 273)4 - (Ta + 273)4] (kcal/h.m2)

Siendo:

E: Emisividad de la superficie (ver Tablas en textos de transmisión de calor).

Ts: Temperatura de la superficie (°C).

Ta: Temperatura ambiente que rodea a la superficie radiante (°C).

La pérdida total de calor a través de la superficie será la suma de Qconv y Qrad.

2.1.2 Generación y Distribución de Aire a

Presión

Hans Hermes, Martin Kruska

El aire a presión es una forma de energía utilizada frecuentemente en la industria por sus características favorables (es inofensiva, no es nociva y es de usos múltiples). Sin embargo, al analizar los costos de una instalación de aire comprimido sobre su lapso de vida, se observa que la parte de los gastos en electricidad, o sea los costos de operación, es execesivamente alta (véase en la Figura 11 la distribución típica de gastos en una instalación de aire comprimido):

Los gastos en electricidad ascienden a más del 80% del total de los gastos de una instalación de aire comprimido, mientras que las aportaciones de capital representan solamente un 13% y los de mantenimiento apenas un 4%. Por esta razón, es necesario llevar a cabo en cada empresa un estudio de la eficiencia en el uso racional de energía en las instalaciones de aire comprimido y así poder reducir los gastos en electricidad. Una mínima alza en los gastos de mantenimiento permite reducciones considerables en los gastos de energía. La especificidad del análisis depende de la implicancia económica del aire comprimido dentro de la actividad productiva, es decir, los costos (usualmente subestimados) que resultan del uso de la energía.

El análisis de la eficiencia en uso racional de energía debe considerar la demanda de aire comprimido, así como las partes individuales de una instalación, es decir, el generador del aire comprimido (compresor), la distribución y acumulación del aire comprimido (conexiones y recipiente = Tanque) y las herramientas empleadas.

2.1.2.1 Consumo de Aire Comprimido

Antes de llevar a cabo el análisis de la eficiencia de las instalaciones, debe comprobarse la demanda de aire comprimido, ya que una instalación no siempre está concebida para satisfacer la demanda vigente o la planificada. Es necesario llevar a cabo una medición del caudal y de la presión en cada una de las herramientas utilizadas. A menudo, una medición de esta naturaleza requiere mucho trabajo y se tiene que recurrir a evaluaciones estimadas. En el Cuadro 3 se señala un ejemplo para la calculación del caudal volumétrico necesario para determinadas herramientas de taller.

Cuadro 3: Criterios para la evaluación de la demanda de aire comprimido /1/

Consumidores

Cantidad Consumo de aire por

unidad

Consumo total de

aire

Factor de simultanei

dad

Duración de

conexión

Demanda de aire

comprimido

Figura 11: Distribución Típica de Gastos de una Instalación de Aire

Comprimido /1/

Figura 12: Descenso de presión en las partes de la instalación /4/

Figura 13: Prueba para Determinar las Pérdidas de Aire Comprimido

Figura 14: Caudal de Aire Comprimido

l/s l/s % l/s

Taladro

Afilador

Destornilla

Pistola aerográfica

10

20

5

10

8

20

10

5

80

400

50

50

0.8

0.7

0.9

0.9

30

20

20

10

19

56

SUMA

%-adicional por futuras ampliaciones

%-adicional por fugas de aire

89

22

18

Demanda total 129En diez taladros con un consumo individual de aire comprimido de 8 l/s y puestos en funcionamiento al mismo tiempo se obtuvo un consumo total de aire de 80 l/s El factor de simultaneidad permite establecer la cantidad máxima de taladros que operan al mismo tiempo. En el ejemplo se observa que el valor máximo alcanzado de taladros en operación simultánea fue de 80%.

Además se comprueba que los taladros sólo tienen un tiempo de conexión del 30%. Eso significa que el 70% de los taladros no son empleados y que la capacidad de la instalación del aire comprimido está disponible en esos momentos para otro tipo de usos. Los taladros obtienen, de esta manera, un consumo permanente de aire comprimido de aprox. 19 l/s Este análisis se aplica a todas las demás herramientas. Finalmente se realiza un cálculo de gastos adicionales por ampliaciones futuras y por fugas de aire. Generalmente se realizan cálculos muy conservadores, ya que se quiere asegurar el buen funcionamiento de la planta en cualquier momento.

2.1.2.2 Generación Eficiente de Aire a Presión

Se debe comprobar si se está empleando el compresor de aire comprimido apropiado o si otro tipo de compresor ofrecería mayores ventajas económicas. Un factor decisivo es la cantidad de aire necesaria y la presión requerida. En el Cuadro 4 se presentan las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de compresores

Cuadro 4: Ventajas y Desventajas de Diferentes Tipos de Compresores /1/

Tipo de construcció

n

Precio de adquisición

Consumo de

electricidad

Capacidad de

regulación

Caudal de aire

Gastos de mantenimie

nto

en una Planta Industrial Durante una Semana

Figura 15: Cantidades Posibles de Energía Útil a Través de Recuperación

del Calor /1/

Compresor de émbolo

Un poco más

elevado

Un poco menor Mejor Pulsador

Un poco más

elevado

Compresor de

distribuidor giratorio

Un poco más

elevadoMenor Un poco

menorLibre de

pulsasción

Un poco más

elevado

Compresor de tornillo Menor Un poco

mayorUn poco menor

Libre de pulsación

Un poco menor

El consumo de energía de un compresor de aire comprimido depende del caudal de aire generado a la presión requerida y de la potencia eléctrica demandada, independientemente del tipo de construcción. El indicador del consumo específico de energía es el factor de comparación de la eficiencia en el uso de energía de los diferentes tipo de compresores. Este indicador se define de la manera siguiente:

Los compresores de mayores dimensiones, por lo general, presentan un menor consumo de energía específico, mientras que varios compresores pequeños permiten una puesta en marcha más flexible, lográndose extender los intervalos de operación.

2.1.2.3 Distribución y Servicio Eficiente de Aire a Presión

La red de distribución de tuberías transporta la presión de aire a las diferentes herramientas de uso sin que perjudique:

la calidad del aire comprimido (humedad, piezas de metal)

la cantidad del aire comprimido (fugas!)

la presión (por ejemplo, pérdida de presión debido a tuberías demasiado pequeñas )

En la Figura 12 se muestra el recorrido ideal de la presión a través de la red del aire comprimido. La reducción de la presión desde el compresor hasta la herramienta no debería exceder 1 bar.

La causa más frecuente para un rendimiento deficiente de la instalación son las fugas de aire en la red de tuberías. En el caso presentado en la Figura 12, con una presión en la red de 7 bar, un consumo específico de electricidad de 0,1 kWh/m3 y 6000 horas al año de funcionamiento, se presentan las pérdidas siguientes:

Una fuga de 1 mm de diámetro genera una pérdida de aire de 5

m3/h (3.000 kWh/a)

Una fuga de 2 mm genera una pérdida de aire de 15 m3/h (9.000 kWh/a)

Siguiendo el método presentado en la Figura 13, las fugas en una instalación pueden registrarse por medio de mediciones en las horas inactivas del sistema: Todos los consumidores de la instalación se desconectan y el compresor opera hasta alcanzar su presión nominal y se apaga automáticamente. Luego se empieza a medir el tiempo T de todo el experimento. Al encender nuevamente el compresor, se mide adicionalmente el tiempo ti que transcurre hasta que la presión se ha reestablecido y apaga nuevamente el compresor. Si se conoce el caudal de aire del compresor, se puede definir la pérdida del flujo de lecajes por medio de la ecuación de flujos presentados en la Figura 13.

La Figura 14 muestra el caudal de aire de una instalación de aire comprimido en una empresa mediana. Un análisis energético de la planta había revelado que la planta presentaba costos muy elevados para el sistema de aire comprimido.

Al analizarse el diagrama de la Figura 14 resultó sorprendente, que aún en las horas fuera de operación de la planta existía una significante demanda de aire comprimido, que indudablemente podía atribuirse a fugas en el sistema. Al realizarse las mediciones descritas arriba, se comprobó que casi 40% de los costos anuales de electricidad del sistema de aire comprimido se originaban a causa de fugas en el sistema de tuberías y conexiones.

2.1.2.4 Recuperación de Calor

Además de las posibilidades de incrementar la eficiencia en la generación y distribución del aire comprimido y de la adaptación de la demanda, existe la posibilidad de utilizar el calor generado en la compresión de aire, si este calor puede aprovecharse para otras funciones en la planta. El calor generalmente es acarreado por medio de radiadores. La cantidad de calor aprovechable corresponde a la demanda eléctrica del compresor deduciendo las diferentes pérdidas, como lo muestra la Figura 15.

Al aprovechar el calor residual del compresor se debe considerar que el perfil es intermitente. Es muy útil emplear un acumulador de calor intermedio (por ejemplo un tanque de agua caliente) para almacenar el calor. El análisis económico de esta inversión debe comparar el cálculo del calor aprovechable durante el tiempo de vida de la instalación (y el ahorro de costos aprovechando este calor) con los costos que originan los componentes adicionales necesarios, como lo son el intercambiador de calor y el tanque acumulador.

/1/ Landesgewerbeamt Baden-Württemberg (Hrsg.):

Energiesparende Druckluftanlagen, Stuttgart 1988 (Ahorrando Energía con las Instalaciones de Aire Comprimido)

/2/ Energieagentur Nordrhein-Westfalen (Hrsg.): Druckluft rationell nutzen, Wuppertal 1998 (Uso Racional del Aire Comprimido)

/3/ RAVEL Energieverbrauch von Industrielüftungen (Consumo de Energía en la Ventilación Industrial)

/4/ Hermes, H. D.: Tecnologías intersectorales en la industria: aire comprimido, ventilación y aire acondicionado, iluminación. Separatas del Curso PAE-CDG de Uso Racional de Energía, Lima, Setiembre de 1998.

2.1.3 Aire Acondicionado y Ventilación

Hans Hermes

Los temas de ventilación y aire acondicionado se presentan conjuntamente ya que las instalaciones de aire acondicionado también tienen partes componentes de la ventilación. Las instalaciones de ventilación constan básicamente de los ventiladores, los canales de ventilación y el sistema de control. En los sistemas de aire acondicionado se debe considerar adicionalmente el sistema de enfriamiento. Las instalaciones de ventilación, así como las de aire acondicionado, pueden contar con intercambiadores térmicos (ver capítulo 2.1.3.7). Las funciones de una instalación de ventilación y aire acondicionado son:

Intercambio del aire gastado en las salas e ingreso de aire fresco (expulsión del CO2 y del aire viciado o cargado con sustancias nocivas)

Enfriamiento por medio del ingreso de aire fresco (cuando la temperatura exterior es inferior a la temperatura interior o bien cuando las máquinas producen calor adicional)

Deshumidificación (aire acondicionado)

Enfriamiento, independiente de la temperatura exterior (aire acondicionado)

El consumo de energía del aire acondicionado frecuentemente se sobreestima y el consumo de energía de la ventilación se subestima. Para poder utilizar eficientemente todas las posibilidades de eficiencia en el uso de la energía se deben verificar uno por uno los parámetros influyentes en la optimización del uso de energía durante el análisis de las instalaciones de ventilación y aire acondicionado existentes.

2.1.3.1 Parámetros que Influyen en la Optimización

Figura 16: Adaptación del Horario de las Instalaciones de Aire

Acondicionado a la Demanda en una Empresa Mediana (Fuente: IER)

del Uso de Energía

El consumo de energía de las instalaciones de ventilación depende de la demanda eléctrica de la instalación y del tiempo de operación de la instalación en un determinado espacio de tiempo, y se define de la manera siguiente:

donde:

Pel demanda eléctrica de la instalación de ventilación [W]

tmarcha tiempo de operación de la instalación [s]

En el capítulo 2.1.3.2 se exponen las posibilidades de reducción del tiempo de operación. La demanda eléctrica de la instalación está compuesta por tres grandes factores influyentes bajo la siguiente relación:

siendo:

V caudal de aire [m3/s]

_p descenso de la presión global [1 bar = 105 N/m3]

__ eficiencia global de la instalación

El consumo de energía de la instalación de ventilación puede influenciarse por los parámetros: tiempo de operación, caudal de aire, descenso de presión y efectividad de la instalación o de partes de la misma. En la climatización se deben estudiar, adicionalmente, la carga de enfriamiento, es decir, la temperatura prevista del ambiente a ser enfriado, así como la carga de humedad prevista y el máximo de húmedad admitido.

2.1.3.2 Tiempos de Operación de la Instalación y Demanda del Caudal de Aire

Por lo general, las instalaciones de ventilación y aire acondiconado operan permanentemente a pesar de que sólo son necesarios en determinados momentos. Cuando no se encuentra ninguna persona presente (a menos que se disponga de algún aparato sensible a las temperaturas) la ventilación resulta innecesaria. Además, muchas instalaciones son sobredimensionadas, lo que hace innecesario una operación permanente aún con la presencia de personas: la

Figura 17: Esquema y Fotografía de un Intercambiador de Calor Típico

(Fuentes: Stiebel Eltron, Junkers)

ventilación y la refrigeración frecuentemente son mayores a lo necesario.

La limitación del tiempo de duración del funcionamiento de las instalaciones de ventilación se puede realizar por medio de relojes interruptores del tiempo o de avisadores de ingreso de personas. Si la reducción se realiza a causa de un sobredimensionamiento de la instalación, esto se puede llevar a cabo usando un medidor del CO2

en la sala.

En la Figura 16 se presenta la reducción del consumo de energía de una instalación sobredimensionada al cambiar su funcionamiento que era de manera permanente a intervalos de tiempo. El ejemplo indica los ahorros en el consumo de energía del aire acondicionado obtenidos por una empresa mediana de producción de semiconductores.

Otra alternativa muy interesante en la ventilación industrial que se encuentra frecuentemente es la adaptación del caudal de aire de ventilación a la demanda, mediante el control de revoluciones con transformadores de frecuencia. Esto tiene sentido siempre y cuando el caudal necesario sea variable, por ejemplo cuando el aire es utilizado para acarrear fibras y filamentos de una cantidad variable de máquinas en una hilandería. Generalmente, al apagarse una máquina, el caudal de aire es mantenido constante, pudiéndose reducir hasta adaptarse a las máquinas en operación.

2.1.3.3 Descenso de la Presión

El descenso de presión es un fenómeno constante que se presenta en cualquier sistema de ventilación a causa de los componentes por los que pasa el caudal de aire, como los canales de ventilación, filtros, recuperadores térmicos etc. Para mantener un descenso mínimo de presión, debe asegurarse una limpieza regular de los filtros y debe verificarse si los canales de ventilación (especialmente después de realizar cambios en todo el sistema) tienen las dimensiones correctas y no presentan cantos y esquinas demasiado pronunciados.

2.1.3.4 Optimización de la Carga de Enfriamiento

La carga de enfriamiento se determina a partir de la temperatura nominal establecida y las fluctuaciones de temperatura admitidas en el ambiente a ventilar. Para reducir la carga de enfriamiento a la medida necesaria, se debe verificar si podría asimilarse la temperatura nominal establecida a la temperatura ambiente, y si la fluctuación de la temperatura admitida podría aumentarse sin que se produzca incomodidad para el personal. Además se debe verificar si el dispositivo refrigerador de la instalación de aire acondicionado podría desconectarse en horas de temperaturas inferiores (por ejemplo por las noches) de tal manera que sólo la

ventilación refresque el ambiente (refrigeración natural).

2.1.3.5 Optimización de la Carga de Humedad

Generalmente, la humedad tiene una mayor importancia que la temperatura cuando se trata de la comodidad de las personas en un ambiente climatizado. Para determinar si la carga de humedad del aire acondicionado es mayor que la necesaria, se debe comprobar si los procesos de producción por los cuales ingresa vapor al ambiente pueden ser ubicados en otros ambientes. También se debe comprobar si se puede asumir una tolerancia mayor de húmedad que la establecida. Según las investigaciones, la fluctuación de la humedad relativa entre 30 y 65% es considerada todavía como admisible, así como las fluctuaciones breves entre 20 y 75%. El establecimiento de una tolerancia mayor de humedad significa menores intervalos de encendido del aire acondicionado y, por lo tanto, una reducción en el consumo de energía.

2.1.3.6 Optimización de la Energía en las Partes Componentes de la Instalación

Para lograr una optimización en el uso racional de la energía de las partes componentes de la instalación y reducir las pérdidas, es necesario realizar un mantenimiento periódico. Es de asegurarse que exista un plan de mantenimiento preventivo y que las instalaciones con sus respectivos componentes sean revisados con regularidad. Este mantenimiento comprende la limpieza de los filtros y la revisión del funcionamiento de los ventiladores, la correa trapezoidal y el regulador, incluyendo la limpieza de los sensores. Los filtros sucios ocasionan un descenso de presión _p en el sistema y un aumento de la demanda de la potencia, y con ello un aumento en el consumo total de energía. (ver 2.1.3.1). La eficiencia se puede incrementar con la reinserción de correas trapezoidales sueltas o cambiando las gastadas.

Después de realizar cambios en toda la instalación, se debe comprobar si los ventiladores todavía trabajan óptimamente (número de revoluciones, caudal de aire). La eficiencia de los ventiladores se incrementa especialmente por medio de motores de accionamiento con número de revoluciones regularizado para el control del caudal de aire. Generalmente, el caudal de aire se regula por medio de estranguladores que están conectados adicionalmente a los ventiladores no regularizados. Dichos ventiladores funcionan contra una diferencia de presión alta. Por medio de los motores de acicionamiento se puede regular con facilidad el caudal de aire y los estranguladores ya no serían necesarios.

La optimización de la energía en la parte frigorífica de las instalaciones de aire acondicionado también depende de la circulación del refrigerante, de la cantidad de fluido frigorífico

contenido y de que la instalación no pierda dicho fluido.

2.1.3.7 Recuperación del Calor

La eficiencia total en el rendimiento de la instalación de aire acondicionado se puede incrementar al enfriar previamente el aire fresco caliente aspirado con el aire de escape. De esta manera se reduce la carga de refrigeración de la instalación. Frecuentemente se combina en una pieza un intercambiador de calor con una calefacción complementaria. En la Figura 17 se presenta un intercambiador de calor. En caso que el aire acondicionado esté provisto de un intercambiador de calor, se debe verificar si no está sucio y que posea las dimensiones correctas para el caudal de aire requerido.

2.1.4 Iluminación

Hans Hermes

En los sectores económicos de la industria y de servicios, la iluminación corresponde a más del 5% del consumo de energía. En las oficinas y en el comercio, la relación es aún mayor. En grandes empresas industriales, los gastos de energía destinados a la iluminación pueden ser mayores o menores dependiendo del tipo de producción y de su intensidad de energía En todos los sectores es necesario una verificación de la eficiencia de la energía en las instalaciones de iluminación, ya que en casi todos los casos existe un potencial de optimización.

El método para el análisis de las posibilidades de un aumento en la eficiencia del alumbrado se basa en las maneras de procesamiento válidas para todas las tecnologías transversales, es decir:

1. Evitar el uso innecesario de alumbrado (iluminación demasiado fuerte)

2. Reducir el uso de la energía útil necesaria (por ejemplo una mejor reflexión de la luz)

3. Mejorar el nivel de eficiencia del sistema (mediante una buena regulación)

4. Utilizar caudales de energía existentes (por ejemplo, aprovechar la luz ambiental).

Las posibilidades de una reducción del consumo de energía pueden atribuirse a las fases de energía importada, energía útil y uso final. La Figura 18 presenta un ejemplo de uso final ,,ambiente iluminado". Para comprobar si se puede reducir el consumo de electricidad establecido, es necesario comprobar primero la demanda de energía real que existe. En el ejemplo se tendría que verificar previamente si el ambiente tiene que estar iluminado

Figura 18: Consumo de Electricidad y Demanda de Iluminación para el Uso

Final "Ambiente Iluminado"

Figura 19: Efectos de Sistemas de Reflexión en el Uso de la Luz

Ambiental /4/

diariamente las 24 horas. Seguidamente, se debe controlar si la potencia de la iluminación instalada a 300 Lux corresponde a la iluminación necesaria, o si ha sido sobredimensionada, consultando la tabla respectiva /3/. En el siguiente paso se debe comprobar si se puede disminuir la reducción luminaria causada por reflectores sucios. Esto conduce a una disminución de la demanda de energía eléctrica, ya que se podrían emplear menos luminarias. Finalmente, el consumo de energía se puede reducir por medio de una tecnología eficiente de baja demanda de electricidad para producir el mismo caudal iluminario. En el ejemplo se puede limitar la pérdida de 13% a 5% y reducir la energía admitida de la lámpara en un 11%, es decir de 71 W a 63 W utilizando un balasto electrónico.

Para lograr una utilización óptima de todos los potenciales existentes para un uso eficiente de la energía luminaria, son necesarios los pasos descritos en la Figura 18. El presente capítulo ofrece un resumen para el análisis de la eficiencia en la energía de sistemas de iluminación existentes. La planificación de las instalaciones de alumbrado se explican ampliamente en la literatura correspondiente.

2.1.4.1 Demanda de iluminación

Las mediciones permiten comprobar si la demanda de iluminación en las empresas analizadas realmente corresponde a sus necesidades. Se debe considerar también el uso posible de la luz ambiental y que coincida el tiempo de medición con el tiempo de uso.

Los aparatos de medición de la intensidad de la iluminación (luxómetros) están disponibles como instrumentos análogos o digitales de alta precisión. Para definir correctamente la intensidad de la iluminación del lugar de trabajo a medir (este puede ser la mesa de trabajo de una máquina de producción o en la oficina) es de importancia subordinada la exactitud del luxómetro, más importante es la exactitud de la ubicación del aparato. Si la "tarea" es observar un tablero vertical, el luxómetro deberá situarse adecuadamente. Los valores nominales obtenidos se pueden comparar con los valores en lux presentados en las tablas /3/. Si se obtienen valores muy superiores a aquellos indicados, se debe analizar la posibilidad de satisfacer la demanda con menos iluminación, por ejemplo, con menos lámparas.

2.1.4.2 Uso de la Luz Ambiental

En edificios con áreas de trabajo cercanas a las ventanas se puede integrar la luz ambiental en el concepto de iluminación. La regulación debe adaptarse, ya que el factor lux de la luz ambiental varía constantemente. En estos casos, son apropiados los sensores de luz ambiental o los dimmers manuales (ver capítulo 2.1.4.3).

Además de adaptar la regulación, es necesario lograr una

Figura 20: Descenso de la iluminación a través del tiempo

distribución equitativa de la luz ambiental en el espacio respectivo. Se deben utilizar aparatos de reflexión apropiados, como lo son los reflectores comunes que permiten una rápida amortización de sus costos, o los dispositivos óptico-olográficos con una mejor distribución de la luz ambiental pero con costos más altos. Tales dispositivos óptico-olográficos son muy apropiados para aprovechar la luz solar en salas amplias y fueron desarrollados para estas aplicaciones /4/. La Figura 19 muestra la distribución de la intensidad de la iluminación en un ambiente con día despejado y nublado, con y sin sistemas de reflexión.

Claramente se observa que los sistemas de reflexión de la luz ambiental son muy efectivos especialmente en días despejados con fuerte radiación solar, ya que pueden dirigir la luz a gran distancia dentro del edificio. En el ejemplo se observa que a una distancia de 6 m desde la ventana todavía se presenta una intensidad de iluminación de 400 Lux. En los días nublados y con luz difusa e indirecta, el efecto es menor debiendo emplearse iluminación artificial.

2.1.4.3 Optimización de la Energía en Lámparas y Sistemas de Iluminación

La eficiencia energética de los sistemas de iluminación depende del estado del sistema luminario (edad del sistema, grado de suciedad), del sistema de regulación y control y, finalmente, de lo apropiado del tipo de lámpara empleada. Estos aspectos se describen a continuación:

Mantenimiento y Limpieza

A diferencia de otros dispositivos con partes móviles, en los sistemas de iluminación muchas veces se considera que una vez instaladas las lámparas no necesitan ningún mantenimiento. Lamentablemente, recién se procede a cambiar los focos cuando están defectuosos.

La capacidad luminaria de las lámparas y reflectores disminuye debido a la suciedad o al tiempo de uso, y puede reducirse hasta a un 60%. Por tales motivos frecuentemente se emplean sistemas de alumbrado con una mayor capacidad luminaria a la necesaria. En la Figura 20 se observa esquemáticamente el caso ideal de un sistema de iluminación con mantenimiento regular.

Para conseguir una iluminación relativamente igual, es importante planificar un mantenimiento y cambio periódico de las lámparas. El Cuadro 5 señala la disminución de la intensidad de la luz por suciedad y por uso. Se agrega el factor de planificación de la intensidad aumentada de la iluminación cuando se quiera garantizar una iluminación suficiente a pesar de que los sistemas de alumbrado estén sucios o tengan mucho tiempo de uso.

Cuadro 5: Influencia del Estado del Sistema de Iluminación a la Potencia de la Iluminación

nivel de suciedad y desgaste

factor de reducción de la

capacidad luminaria

factor adicional de planificación

normal

intensivo

fuerte

0,8

0,7

0,6

1,25

1,43

1,67Por lo general las instalaciones de iluminación se planifican sobredimensionadas, por ejemplo se calcula un factor de 1,67 para la capacidad luminaria. La planificación de un mantenimiento periódico permitiría el uso de menor cantidad de lámparas con un respectivo menor consumo de electricidad. En el ejemplo de una empresa industrial se dio el caso que después de cambiar completamente el sistema de lámparas sólo se utilizaron dos tercios de las lámparas usadas anteriormente, ya que la iluminación era suficiente.

Sistemas de Control y Regulación

Una regulación y un control adecuados de las lámparas permite que la demanda de iluminación pueda adecuarse temporal y espacialmente a las necesidades. De esta manera se evita que ciertas áreas se iluminen innecesariamente, en exceso, o cuando nadie esté presente. En el Cuadro 6 se presentan las posibilidades de una iluminación racional por medio de control y regulación. En la parte derecha de la Tabla se presentan, para algunas de las posibilidades técnicas de eficiencia en iluminación, los resultados obtenidos experimentalmente en una oficina de 28,5 m3, registrándose los efectos en el consumo de energía /1, Cap. 5.10.3.2, pág. 4/.

Tipo de Lámparas

Las lámparas transforman la electricidad en calor (pérdida) y en radiación visible (luz). El rendimiento luminario es la medida para la evaluación de la eficiencia de una lámpara y se mide en lumen/Watt (lm/W). La mayor parte de energía admitida por una lámpara se transforma en calor. Los focos comunes sólo transforman cerca del 5% de la electricidad en luz visible, la eficiencia de los fluorescentes es cerca de 25%.

Cuadro 6: Posibilidades de Control y Regulación de los Sistemas de Iluminación

Tipo de Control o Regulación

Reducción del Consumo de

Electricidad a Través de...

Consumo de

Electricidad [kWh/m3a]

Ahorro [%]

Iluminación permanente

(caso de referencia)25 0 %

Relojes interruptores de

tiempo

Encendido y apagado de las lámparas en horarios

definidos

Encendido manual por zonas

(Conexión de un número de

lámparas en grupos individuales de

lámparas)

Reducción del número de lámparas en servicio 19 25 %

Regulación manual del dimmer*

Adaptación (reducción) de la intensidad luminaria de las lámparas según demanda

Regulación manual del dimmer por

zonas

Adaptación por zonas de la intensidad iluminaria de las lámparas según demanda

Sensor de luz ambiental y

dimmer*

Reducción automática de la intensidad luminaria de todas las lámparas. La intensidad total de la

iluminación se mantiene constante.

14 45 %

Sensor de detección de

movimientos y de apagado**

Apagado del sistema de iluminación en ausencia de

personas

Sensor de luz ambiental y

dimmer* con sensor de movimientos y

con apagado automático**

Control constante y automático de la intensidad

de la iluminación con apagado del sistema de

iluminación en ausencia de personas

11 55 %

Sensor de luz ambiental y dimmer con sensor detector de movimientos y

de desconexión con conexión manual del dimmer por

Control constante y automático de la intensidad total de la iluminación con apagado del sistema de

iluminación en ausencia de personas y con adaptación

individual a la demanda

8 60 %

zonas luminaria

* Los conectores de dimmer sólo funcionan en lámparas de neón cuando se emplean balastos

electrónicos.

** con retraso en el tiempo para evitar constantes conexiones y desconexiones

Los focos comunes son utilizados en viviendas o en locales de reuniones sociales. No son apropiados para instalaciones comerciales ni industriales por su pobre rendimiento de cerca de 12 lm/W y un tiempo de vida de aproximadamente 1000 horas. Las lámparas halógenas de alto y bajo voltaje se emplean en locales de ventas, instalaciones para reuniones sociales y en aquellos locales cuya arquitectura o diseño interior coincide con este tipo de lámparas. Las lámparas de sodio de presión baja no tienen ninguna aplicación en edificios debido al color de luz monocromático amarillo. Estas últimas se emplean para el alumbrado público. Las lámparas de presión alta como lámparas de mercurio o de sodio son utilizadas, por ejemplo, en la iluminación exterior o en pabellones industriales de gran altura. Los fluorescentes compactos tienen diferentes niveles de capacidad (5 a 55 W). Aquellos fluorescentes de capacidad inferior son una alternativa para los focos comunes. Las lámparas están provistas de balastos integrados o exteriores. Debido al tiempo de vida ocho veces mayor que de los focos comunes y con un rendimiento cinco a seis veces superior, se considera a estas lámparas como focos ahorradores.

Los fluorescentes comunes satisfacen la mayor parte de la demanda iluminaria industrial. Por su alto rendimiento y su vida útil elevada, generalmente se emplean los fluorescentes tubulares y los fluorescentes compactos de mayor capacidad luminaria para la iluminación de interiores. Los fluorescentes tubulares modernos de 26 mm de diámetro tienen un rendimiento 12% mayor que los fluorescentes de 38 mm de diámetro, empleados anteriormente. Una forma especial del fluorescente es la de tres bandas. Esta lámpara contiene una materia fluorescente que transforma en luz visible a la radiación ultravioleta resultante de la descarga eléctrica del mercurio. Por ello, los fluorescentes de tres bandas tienen un rendimiento 30% mayor que los fluorescentes normales y con una mejor reproducción del color.

Al tomar la decisión acerca del tipo de lámpara más eficiente para una empresa, debe considerarse, además de las exigencias en el tipo de uso, la reproducción del color, el precio de adquisición y los aspectos arriba mencionados acerca de los diferentes tipos de lámparas y su efecto en los gastos de electricidad. Algunas apreciaciones sobre los costos pueden obtenerse en los folletos proporcionados por los fabricantes (Osram, Philips, etc.).

/1/ Luginbühl, R.: Handbuch Der Energieberater (El Consultor

Energético) Capítulo 5.10, Zürich, Suiza, 1997 (en alemán)

/2/ Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie und Bundesangelegenheiten: Energiesparende Beleuchtungsanlagen (Instalaciones de Ahorro de Energía e Iluminación). Wiesbaden 1994, ISBN 3-89274-094-1 (en alemán)

/3/ Philips Guía de Aplicaciones: Iluminación de Oficinas. Informaciones de productos, 1999 (en español)

/4/ Fachinformationszentrum Karlsruhe: Sistemas del Uso de la Luz Ambiental con Elementos Opticos-Olográficos. 1996 (en alemán)