TERMOGRAFÍA APLICADA A LA INDUSTRIJ\. ESTUDIO DE UN CASO

(SEGUNDA PARTE)

JORGE RENÉ SILVA LARROTTA Ingeniero Mecánico, M.Sc. Ingeniería Mecánica, Docente Investigador Universidad Libre

ÁLVARO JAVIER MUÑOZ SARMIENTO • MARCO ALBERTO CÁRDENAS MORA Estudiantes lngenieria Mecánica, Universidad Libre

RESUMEN

En la primera etapa de investigación realizada por el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Libre se determinaron las pérdidas de energía utilizando una metodología aplicable en auditorias específicas a problemas térmicos, con la técnica de termografía aplicada a la caldera pirotubular que se encuentra en los laboratorios de la Universidad Libre. Los resultados sirvieron de partida para se leccionar un aislamiento térmico con el que fue recubierta para aplicar de nuevo la metodología y determinar la reducción en el consumo de combustible, la relación costo beneficio óptima y el comportamiento térmico de las secciones de la caldera.

PAL.A~RAS CLAVE i•

Terrn~grafía, auditoria, energía térmica, costo, beneficio, ai's1Jhiiento térmico.

ABSTRACT

In the first stage of the investigation carried out by the Department of Mechanical Engineering of the Libre University the losses of energy were determined using an applicable methodology in specific audits of thermal

Fecha de recepción del artículo: 23 de septiembre de 2005. Fecha de aceptación del artículo: 29 de septiembre de 2005.

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problems with the thermography technique applied to the boiler pirotubular that is in the laboratories of the Libre University. The results served as departure to select a thermal isolation with which the boiler was recovered to apply the methodology again and to determine the reduction in the consumption of fue!, the good relationship cost benefit and the thermal behavior of the sections of the boiler.

KEY WORDS Thermography, audit, thermal energy, cost, benefit, insulation thermal.

INTRODUCCIÓN Continuando con el trabajo de investigación "Termografía aplicada a la industria" formulado por el grupo DETECAL de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Libre en el programa de ingeniería mecánica, se ha desarrollado la segunda parte de la auditoría energética realizada a la caldera que se encuentra en los laboratorios de la Universidad, a partir de la metodología definida en el trabajo anterior [1] pero con la diferenci~ de implementar un aislamiento térm ico en todas las superfic ies de l equipo para minimizar las pérdidas de energía y cuantificar los beneficios del recubrimiento.

Los cálculos entregaron resultados positivos y muy cercanos a los proyectados en la primera fase de investigación [1 ], por la reducción significativa de la alta emisividad en las superficies libres de la caldera y de la diferencia de temperaturas entre las superficies y los alrededores.

OBJETIVOS

GENERAL

Implementar la metodología desarrollada para la inspección de calderas fundamentada en la academia para determinar pérdidas de energía térmica a partir de inspecciones termográficas.

ESPECÍFICOS

Caracterizar el comportamiento de las superficies de la caldera con aislamiento térm ico.

Determinar la relación costo-beneficio óptima para un aislamiento efectivo en la caldera de prueba.

EQUIPOS EMPLEADOS

Los equipos y parámetros de operación utilizados fueron los mismo_s de la primera fase de investigación, una caldera pirotubular horizontal de retorno de 5BHP de ACPM a una presión de operación de 50 psi y la cámara termográfica Flir PM 675 con.el software ThermaCAM Reporter 2000.

La diferencia se presenta en el recubrimiento de la caldera que fue donado por la Empresa Fiber Glass Colombia S.A de referencia Flex Wrap de 3 pulgadas de espesor, previo cálculo manual y con el software Eco-Win [2], a partir de los promedios de las temperaturas mas críticas, garantizando una temperatura de superficie inferior a los 30ºC y una eficiencia de aislamiento superior al 95%.

PROCEDIMIENTO

Durante el monitoreo del encendido y operación simulada de la caldera se siguió el procedimiento de las primeras pruebas; con termografía cada 1 O minutos en las cinco secciones en las que fue dividida como se aprecia en la figura 1, y durante cinco ocasiones.

El aislamiento térm ico se dispuso sobre toda la superficie dejando libres únicamente los elementos de servicio como la válvula de seguridad, la válvula reguladora de caudal, el quemador, etc, (figura 2).

Fig. 1. Secciones a inspeccionar en la caldera.

--~--OITI 1 ~~

(\,~ fX - · - \-- ;

1

--7 --- 3 -- -·- 2 -·- -·T~-1 \ .. -·+ )·- . ~ /\ ___ \/ '~J·

. <" l,35 .I \~ Quema~o~j ,

Fig. 2. Instalación de aislamiento térm ico,. __

FUNDAMENTACIÓN

El resu ltado concreto de segu ir la metodología desarrollada en la primera etapa de investigación durante la auditoria específica fue la implementación del aislamiento térmico a la caldera.

Una vez instalado, se determinaron las pérdidas de energía a través de las nuevas superficies por los mecanismos de convección y radiación, empleando las correlaciones recomendadas por Churchill y Chu [3] [4] para paredes verticales y cilindros; y el intercambio de calor entre las superficies y paredes del laboratorio respectivamente [5].

Además de la teoría relacionada con los mecanismos de transferencia de calor [1 ], es importante tener presente el concepto de aislamiento térmico, sus características físicas y sus tipos según su composición , para entender los resultados.

El aislamiento térmico es un material o un compuesto de materiales, que tiene como finalidad, impedir en alguna medida la tasa de transferencia de calor por conducción interna debido a su baja conductividad térmica que trae como consecuencia una reducción

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significativa de la temperatura externa y por tanto del gradiente de temperatura, provocando la reducción del calor transferido por convección y radiación.

Independientemente de sus propiedades específicas, a los aislamientos se les exigen cualidades complementarias, las cuales se mencionan a continuación:

• Ausencia de propiedades corrosivas para los materiales con los que el aislamiento está en contacto.

• Estabilidad física y química: ausencia de dilatación excesiva al calor, resistencia a diversos agentes de destrucción: humedad u oxidación.

• Buena resistencia mecánica.

• Incombustibil idad o por lo menos ausencia de inflamabilidad.

El aislamiento térmico utilizado en esta investigación fue fibra de vidrio de baja densidad. Una de sus principales ventajas es que es imputrescible y químicamente neutral.

De todos los aislamientos, las fibras minerales son las únicas que pueden ser utilizadas con éxito en todos los campos relativos a la edificación, aislamiento térmico, aislamiento acústico para los ruidos aéreos y de impacto o vibraciones, y finalmente en corrección acústica. Por todo esto, están situadas en la cabeza de la producción de aislamientos.

· RESULTADOS

El estudio de la caldera se dividió en secciones como se muestra en la figura 1, durante el encendido y la simulación de operación normal. Se determinó la cantidad de energía perdida y se comparó con los resultados de la primera parte de la investigación.

En las figura 3. y 4 se presentan los resultados globales de los dos estudios utilizando la misma metodología y consid~raciones. Se observa la reducción significativa en I ~' escala de transferencia de energía y la disminución en el tiempo de encendido (desplazamiento a la izquierda).

- Etapa de encendido

En esta etapa, se realizaron tomas termográficas en las secciones predeterminadas cada 1 O minutos hasta alcanzar la presión de trabajo de 50 psi (figuras 5 y 6). Con los resultados se determinó la transferencia de calor por radiación y convección y se calculó la energía total disipada por medio de la integración de las curvas de calentamiento.

2 2 AVANCES Investigación en Ingeniería - 2005 No. 3

Fig. 3. Transferencia de calor durante las etapas de inspección termográfica en la primera prueba.

Caldera sin aislamiento térmico.

900 - - Sección 1 · · ............ · ... · "· ·

..\ .. ~· .. - Sección 2

800 . - Sección 3 .

- Sección 4

.. ......... ~- . ... ..

Funciona_mi~.nto··· .\~pa,gado

~ Sección 5

Encendido

o o 700 1.400 2. 100 2.800 3.500 4 .200 4.900 5.600 6 .300 7.000

Ttempo(s)

Flg. 4. Transferencia de calor durante las etapas de inspección termográfica en la primera prueba.

25,00

~20,00 .. -~

~ 15,00

.. "g 10,00

~ ; 5,00 .=

Caldera con aislamiento térmico.

~ seccion 1 • Seccion 2 - Seccion 3

- Seccion 4 ~seccion 5

1 Encendido 1

............... 1~--.. ---·---,./.-:-~._/· _____ __ __________ . ___ __________________________ _

I Funcionamiento I

..:.·:::: .. _::~::;:~:~:;;z~~~:·=::::.:::::::::~~::~~~ .. -~::::L::. "' - ,,

-~· p--=_-.. _..,,. - - . ---- .. _ 0,00 +--"-+-~~-+--+--+--+--+---+--<i----+----<

o 700 1400 2100 2800 3500 4200 4900 5600 6300 7000 Tiempo (s)

Fig. 5. Imagen termográfica antes de instalar el aislante térmico en la caldera (sección 1 ).

Fig. 6. Imagen termográfica después de instalar el aislante térmico en la caldera (sección 1 ).

La sección 1 continuó siendo la de mayor pérdida de energía (figuras 7 y 8), sin embargo existe una notoria diferencia con los resultados obtenidos sin aislamiento térmico por dos razones:

1. Se redujo la temperatura promedio de superficie de 125 2C a 32 2C ocasionando un descenso en el gradie11te de temperatura que determina la transferencia de calor por convección.

2. Se modificó la emisividad de la superficie con el recubrimiento en aluminio del aislamiento, pasando de 0.98 a 0.15.

El hecho de presentar la mayor pérdida obedece a que corresponde a la superficie donde se aloja el quemador y por tanto a la de mayores temperaturas.

El consol idado de la energía total transmitida discriminado por los mecanismos de transferencia de calor se representa en las figuras 9 y 1 O para cada caso.

Como se explicó, el cambio en la emisividad de las superficies 1 y 4 disminuyó la participación de la radiación en las pérdidas de energía, acercándose a un valor despreciable, que puede ser cubierto en los cálculos de transferencia de calor por convección utilizando un factor de corrección cercano al 20%.

Etapa de operación

Durante la simulación de la operación de la caldera, dado que no se cuenta con una instalación de vapor, se realizó el promedio de las últimas cuatro tomas para hacer un estimativo de la energía transferida en cualquier proceso sin llegar a consolidar el total de energía ya

Fig. 7. Energía promedio transferida en el encendido de la caldera. Caldera sin aislamiento

térmico.

Sección 1 1.607.011J

Sección 5 280.523J

10%

9%

ol Sección 3 231.64'1~r ..

Sección 4 8% 434.932J

16%

Fig. 8. Energía promedio transferida en el encendido de la caldera. Caldera con aislamiento

térmico.

Sección 5 192.SOOJ

Sección 417.500J

3% Sección 3 150.000J

22%

Sección 1 212.500J

17%

Fig. 9. Promedio de la energía total transferida durante el encendido de la caldera. Caldera sin

aislamiento térmico.

Energía total por convección

1.287.846 J

Energía total por radiación 1.504.327 J

54%

AVANCES 1 nvestigación en Ingeniería - 2005 No. 3 2 3

Fig. 10. Promedio de la energía total transferida durante el encendido de la caldera. Caldera con

aislamiento térmico.

Energía Total por convección

572.81 2J

Energía Total por radiación

115.129J

Fig. 11. Transferencia de calor durante el funcionamiento de la caldera . Caldera sin

aislamiento térmico.

Transferencia de calor Transferencia de calor por radiación

714W 53%

Fig. 12. Transferencia de calor durante el funcionamiento de la caldera. Caldera con

aislamiento térmico.

Transferencia de Transferencia de calor por radiación

,

A

' ..

61W

¡ \'

que este resultado dependería del proceso particular y del tiempo (figuras 11 y 12).

Los resultados obtenidos son valores medios aceptables porque una vez se regulariza el equipo, al llegar a la

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Fig. 13. Curva costo perdida de combustible en 1 O horas de trabajo vs. Costo del aislante utilizado en

cada una de las secciones de la caldera.

160000

140000

120000

100000 ~

~ 60000 ;;; e .; 60000 8

40000

20000

1 200.00

• 1 000.00

- ~ - .. -.. 8:)0,00~ B -t--Secciones vs COSta

" aislarte 6CX>,(i0~ --+ Sec::iOoitsvscasto

p!.rnida ccmbusbhte "' ~ .. 400.00§

200,00

......__-==-------~-~~-----+ 0.00 Ctt:lefa 2!aida'll• S.c:cicflt <111si." UcticirH23V4 Se«.,,,H2J,, Y5 T11:Hi.• ~fX:()U

presión de operación, los procesos de transferencia de calor se consideran cuasiestables debido a la estabilidad relativa de las propiedades que intervienen en los mecanismos (emisividad, temperatura ambiente, temperatura de superficie, coeficiente de transferencia de calor por convección, etc) .

La disminución en las pérdidas de energía se vuelve a apreciar claramente como resultado de la disminución de las emisividades de las superficies 1 y 4 y de la reducción en el gradiente de temperatura de todo el cuerpo cilíndrico.

Pérdidas de combustible

Las pérdidas de combustible se determinaron bajo las mismas condiciones de la primera fase de investigación:

1. Poder calorífico superior del combustible (ACPM) de Colombia, 139.660 Btu/gal [6].

2. En el cálculo no se involucró ningún parámetro de funcionamiento de la caldera.

3. Las pérdidas en el encendido fueron totalizadas con los promedios del tiempo de duración de cada prueba.

4. Durante la operación se estimaron por hora de funcionamiento.

Se calcularon las pérdidas de combustible en función del número de secciones con aislamiento. En la figura 13 se presentan los resultados obtenidos para una jornada de trabajo de 1 O horas diarias.

Bajo dichas circunstancias se evaluaron tres alternativas de recubrimiento e inversión así:

Tabla l. Alternativas de inversión.

Secciones Inversión Retorno aisladas (miles de pesos) inversión (días)

2,3,4,5

1,2,3,4,5

20 50

120

140

440

246

Los resultados económicos corroboran los cálculos de transferencia de calor, destacando la importancia ;de aislar la sección 1, que a pesar de su baja dimensión representa el punto crítico de disipación de energía.

Con el recubrim iento completo se presenta una disminución de las pérdidas de energía en un 75% durante el encendido y en un 70% durante el funcionamiento.

CONCLUSIONES

La disminución de las perdidas de acuerdo con la sección que se aisla térmicamente, es bastante significativa para una caldera con una operación regular mensual , teniendo en cuenta además, que el equipo utilizado para realizar la investigación es de pequeña capacidad (5 BHP).

La metodología utilizada para la auditoria de la caldera continúa ·siendo válida para un equipo ais lado térmicamente. Los resultados obtenidos son fácilmente verificables con los proveedores de aislamiento térmico y con la teoría de transferencia de calor.

La valoración económica de la inversión y su retorno son fundamentales para tomar una decisión en el mejoramiento del desempeño del equipo. Sin embargo para el caso particular de ahorro de energía, se deberían realizar consideraciones adicionales cuando los retornos de la inversión no son tan favorables, por cuanto el desperdicio de energía en cualquier nivel, trae consecuencias ambientales , sociales y económicas difíciles de cuantif icar pero con efectos importantes sobre todo el planeta.

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BIBLIOGRAFÍA ,, J . ~ / '

[1) SILVA LARROTA, Jorge René y CÁRDENAS MORA, Marco Alberto. Termografía Aplicada a la lndu_stria. Estudio de un caso. Revista Avances Investigación en Ingeniería. No. 2 Bogotá, Colombia 2005.

[2) SOFTWARE Eco-Win . Calculo de espesores en aislantes térmicos. Colombia. FiberGlass.

[3) INCROPERA y DeWITT. Fundamentos de Transferencia de Calor. México. Prentice Hall, 1999, cap 6.

[4 ) INCROPERA y DeWITT. Fundamentos de Transferencia de Calor. México. Prentice Hall, 1999, cap 9, pp. 493 - 502.

[5] CENGEL YUNUSA. Transferencia de calor. México: Me Graw Hill , 2004, cap 12, pp.609 - 61 O.

[6) ECOPETROL. Departamento de Ingeniería de Proceso.

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