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Ministerio de Educación Superior
Universidad de Pinar del Río “Hermanos Saíz Montes de Oca” Facultad de Ciencias Técnicas
“Centro de Estudios de Energía y
Tecnologías Sostenibles-CEETES”
Título: Propuesta de diseño de un horno para el
secado del arroz, en La UEBI Victoria de Girón,
empleando como combustible la cascarilla del grano.
Tesis en opción del grado de Máster en Eficiencia Energética
Autor: Ing. Pedro Luis Díaz Navarro
Pinar del Río, 2016
Ministerio de Educación Superior
Universidad de Pinar del Río “Hermanos Saíz Montes de Oca” Facultad de Ciencias Técnicas
“Centro de Estudios de Energía y
Tecnologías Sostenibles-CEETES”
Título: Propuesta de diseño de un horno para el
secado del arroz, en La UEBI Victoria de Girón,
empleando como combustible la cascarilla del grano.
Tesis en opción del grado de Máster en Eficiencia Energética
Autor: Ing. Pedro Luis Díaz Navarro
Tutores: MSc. Asist. Julio Rivero González
MSc. Aux. Luis Manuel García Rojas
Pinar del Río, 2016
PENSAMIENTO
Todo debe hacerse tan simple como sea posible, pero no más simple.
Albert Einstein
(1879-1955) Físico alemán
AGRADECIMIENTOS
Le agradezco grandemente a mi mamá Marlén. Porque tú, Mami, siempre has sido el
apoyo vital para que alcance metas como estas y como las que vendrán en un futuro.
Sin ti nada de esto hubiese sido posible.
A mi princesa Paola, gracias por ser la energía que mueve el mundo de Papá.
Arlenys, gracias por ser mi compañera, por tu apoyo incondicional y por soportarme.
Abuelo, gracias por estar siempre conmigo y por ser mi ejemplo como hombre ante la
vida.
Mis amigos Julio y Daniel, gracias por ser eso, mis amigos.
Mi familia, gracias por estar ahí.
En fin, esta es una redacción en la que siempre se incurre en el error de omitir u olvidar
a alguien importante. Por eso termino la misma dando las gracias a esa persona que
olvidé.
GRACIAS
DEDICATORIA
Esta es la primera de muchas dedicatorias, pero todas serán para ti
...Paola
RESUMEN
La presente investigación toma como base la aplicación de la tecnología de gestión
total de eficiencia energética en la Unidad Económica Básica Industrial Victoria de
Girón perteneciente a la provincia de Pinar del Río. Uno de los resultados de la
aplicación de dicha tecnología en la misma arrojó que el portador energético diésel es
el más consumido en la entidad y el puesto clave donde se experimenta un mayor
índice de consumo del mismo es la torre de secado del grano. En dicha torre existe un
quemador de diésel que calienta el aire para el proceso de secado y la investigación
propone la sustitución de este equipo por un horno que queme cascarilla de arroz con
la misma finalidad. Para este fin se diseña y se aplica una metodología sustentada
fundamentalmente en el cálculo de los indicadores energéticos de explotación del
horno y su correlación con los principales parámetros del diseño físico del mismo. Se
obtiene como resultado final la propuesta de diseño de un horno incinerador con
tecnología de parrilla en su cámara de combustión y volumen de la misma de 9,024
m3 que garantiza obtener el calor requerido en la torre de secado mediante el empleo
de un intercambiador de calor de tubos y coraza con un arreglo en tresbolillo
compuesto por tubos de 88,9 mm de diámetro exterior. Se estimó además el ahorro
energético por concepto de la sustitución del combustible diésel por la cascarilla del
arroz en un valor de 239,68 litros por día.
PALABRAS CLAVES:
Eficiencia, energía, hornos.
ABSTRACT
This research builds on the application of technology management total energy
efficiency in the Victoria de Giron Basic Industrial Economic Unit belonging to the
province of Pinar del Río. One of the results of the application of such technology in
the same energy carrier found that diesel is the most consumed in the entity and the
key position where a higher rate of consumption of the same is experienced is the grain
drying tower. In the tower there is a diesel burner which heats the air for the drying
process and research proposes to replace this equipment through a furnace that burns
rice husks for the same purpose. For this purpose it is designed and methodology
mainly based on calculating the energy indicators operating the furnace and their
correlation with the main design parameters of the physical same applies. the proposed
design of an incinerator is obtained as the final result with grate technology in its
combustion chamber and the same volume of 9,024 m3 that guarantees to obtain the
heat required in the drying tower by using a heat exchanger a shell and tube
arrangement comprises tubes staggered 88.9 mm outer diameter. Energy saving is
further considered in respect of the replacement of diesel by rice husks to a value of
239.68 liters per day.
KEY WORDS:
Efficiency, energy, furnaces.
TABLA DE CONTENIDO Pág.
INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 1
CAPÍTULO I. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA .................................................................. 9
1.1. El Arroz (Oryza sativa L.) ................................................................................. 9
1.2. Proceso de secado del arroz ......................................................................... 13
1.3. La cascarilla de arroz. .................................................................................... 17
1.3.1. Propiedades físicas de la cascarilla de arroz. ...................................... 17
1.3.2. Propiedades químicas de la cascarilla de arroz. .................................. 19
1.4. Los hornos incineradores............................................................................... 22
1.4.1. Tipos de hornos incineradores. ............................................................ 23
1.5. Conclusiones del Capítulo. ............................................................................ 31
CAPÍTULO II. MATERIALES Y MÉTODOS ............................................................... 34
2.1. Generalidades de la Unidad Económica Básica Industrial Victoria de Girón. 34
2.1.1. Estado del residuo cascarilla de arroz en la UEBI. .............................. 35
2.1.2. Metodología para caracterizar químicamente la cascarilla de arroz de la
variedad INCA LP-5. ...................................................................................... 36
2.2. Metodología para el cálculo termodinámico de los parámetros del horno
incinerador de cascarilla de arroz. ........................................................................ 37
2.2.1. Selección del tipo de horno más adecuado para incinerar la cascarilla de
arroz. .............................................................................................................. 38
2.2.2. Cálculo del volumen de producto a secar. ........................................... 38
2.2.3. Cálculo de la masa de agua a remover del volumen de granos en una
pasada. .......................................................................................................... 39
2.2.4. Cálculo del calor requerido en la torre de secado. ............................... 39
2.2.5. Proceso de calentamiento del aire para el secado del arroz cáscara. . 48
2.2.6. Pérdidas de calor en el horno. ............................................................. 52
2.3. Cálculo de los parámetros de la combustión de la cascarilla del arroz. ......... 53
2.3.1. Cálculo del flujo de combustible. .......................................................... 53
2.3.2. Cálculo de la cantidad de aire necesaria para el proceso de combustión.
....................................................................................................................... 54
2.3.3. Cálculo del índice de exceso de aire (relación aire-combustible). ....... 54
2.4. Cálculo de las dimensiones físicas del horno. ............................................... 55
2.4.1. Dimensiones del intercambiador de calor. ........................................... 55
2.4.2. Volumen de la cámara de combustión. ................................................ 55
CAPÍTULO 3: ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS............................. 58
3.1. Cálculo de los parámetros termodinámicos para la propuesta del horno
incinerador de cascarilla de arroz. ........................................................................ 58
3.1.1. Cálculo del volumen de producto a secar. ........................................... 59
3.1.2. Cálculo de la masa de agua a remover del arroz en una pasada. ....... 60
3.1.3. Cálculo del calor requerido en la torre de secado. ............................... 60
3.1.4. Cálculo del calor a entregar a un tubo del intercambiador. .................. 64
3.1.5. Cálculo de las pérdidas de calor en el horno. ...................................... 65
3.1.6. Cálculo de los parámetros de la combustión de la cascarilla de arroz. 67
3.1.7. Selección del ventilador para garantizar el caudal de aire de
alimentación. .................................................................................................. 68
3.2. Cálculo de las dimensiones físicas del horno. ............................................... 69
3.2.1. Diseño del intercambiador de calor. ..................................................... 69
3.2.2. Comprobación del volumen de la cámara de combustión. ................... 70
3.3. Simulación termodinámica del horno. ............................................................ 70
3.4. Valoración del impacto energético de la propuesta. ...................................... 71
3.5. Valoración económica.................................................................................... 72
3.5.1. Costos directos de producción. ............................................................ 72
3.5.2. Gastos actuales en la UEBI por el consumo de combustible fósil........ 73
3.6. Valoración medioambiental. ........................................................................... 74
CONCLUSIONES ...................................................................................................... 76
RECOMENDACIONES .............................................................................................. 77
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 78
BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 82
1
INTRODUCCIÓN
El hombre desde sus inicios ha empleado las fuentes de energía con la finalidad de
mejorar sus condiciones de vida. En un principio las energías renovables como la
proveniente de la luz solar (energía solar), la fuerza de las corrientes de agua (energía
hidráulica), la energía proveniente del viento (eólica) y la proveniente del calor interno
del planeta (geotérmica) entre otras fueron empleadas para calentar y cocer alimentos,
proveer calor a los refugios, trasladar cargas pesadas, accionar mecanismos, entre
otros fines. Los primeros equipos industriales empleados fueron los molinos de agua,
accionados por energía hidráulica y los de viento después, que trabajaban empleando
la energía eólica; su finalidad era la de moler los granos cultivados en los campos.
Hacia finales del siglo XVIII se produce un hecho trascendental: la invención de la
máquina de vapor, un dispositivo que permitía convertir el calor en fuerza mecánica
(se quema el carbón produciéndose calor, este es utilizado para evaporar agua; el
vapor a su vez se utiliza para accionar dispositivos mecánicos). Con la máquina de
vapor llegó la primera revolución industrial, marcando el inicio de una era de consumo
indiscriminado de los combustibles fósiles.
Los combustibles fósiles son fuentes de energía no renovables y son el producto de
millones de años de transformaciones físico-químicas a nivel de las diferentes capas
que conforman la superficie del planeta. El riesgo de que estos se agoten es una
posibilidad tangible en un futuro no muy lejano. Se puede decir, sin temor a equívocos,
que los últimos 200 años constituyen un período caracterizado por un consumo creciente e
intensivo de energía que prácticamente ha acabado con dichos recursos. La
dependencia energética de la civilización actual con estas fuentes de energía es casi
2
completa, por lo que se hace imprescindible la búsqueda de soluciones y alternativas
que hagan frente a esta situación. El empleo eficiente y a gran escala de las energías
renovables, la búsqueda de nuevos combustibles y una gestión energética cada vez
más eficiente en los diferentes procesos industriales constituyen algunas de las
medidas a tomar en este sentido.
Cuba, al igual que la mayoría de los países insulares, posee recursos energéticos
limitados y satisface la mayor parte de sus necesidades mediante la importación de
combustibles fósiles (Santos Guerra, Arrastía Acosta, Castillo Toro, & Hernández
López, 2013). Esta dependencia unida a la inestabilidad de los precios del petróleo en
el mercado internacional, la reducción drástica de los recursos combustibles y la
incesante preocupación por los aspectos medioambientales, hace que también el país
se una a la búsqueda de procesos productivos cada vez más eficientes desde el punto
de vista de aprovechamiento energético, como se planteaba con anterioridad.
Constituye una necesidad de primer orden para el país persuadir acerca de la
importancia de abrir espacios a una mentalidad que encamine los procesos
productivos que se desarrollan hacia el perfeccionamiento energético. Cada producto
que se elabore debe costar lo que necesariamente se tenga que invertir en él, esto
significa ahorro, reduciendo así los costos de producción al mínimo.
A pesar de los esfuerzos realizados en este sentido varios sectores industriales del
país continúan presentando problemas con el cálculo de los índices de consumos que
intervienen y permiten caracterizar los diferentes procesos productivos, tal es el caso
de la Industria Arrocera, en la que estos indicadores se determinan a partir de criterios
prácticos. También se plantea que en este sector existe desconocimiento en cuanto a
3
las vías para economizar energía y cómo se puede influir sobre ellas, se manifiestan
problemas con los equipos e instrumentos de medición y otras muchas limitaciones
relativas (Santos Guerra, Arrastía Acosta, Castillo Toro, & Hernández López, 2013).
El proceso productivo del arroz se puede desglosar en varias etapas, siendo el secado
de la masa de granos, la de mayor influencia en la calidad final del producto, así como
en los costos debido al consumo de combustibles y electricidad (Arrastía Acosta,
Santos Guerra, Castillo Toro, & Hernández López, 2013). En este sector industrial los
principales portadores energéticos empleados son el diésel y la energía eléctrica,
constituyendo en algunos secaderos del país el 69,98 % y 29,60 % del total de
consumo energético respectivamente; dejando tan solo un 0,42 % para portadores
como el aceite lubricante y las grasas (Díaz Navarro, 2014). Por tales motivos se hace
necesaria la implementación de alternativas viables para sustituir estos portadores por
otras fuentes de energía que puedan garantizar las condiciones indispensables para
llevar a cabo el secado del grano con iguales o mejores índices de calidad, elevando
de esta manera la eficiencia energética de dicha actividad.
Ideas encaminadas a aprovechar los residuos arroceros toman cada vez más fuerza
en el mundo y en Cuba en específico. Un residuo que representa un recurso
reutilizable, del cual se obtienen grandes volúmenes, es la cascarilla o cáscara del
arroz; se estima que en el mundo se generan anualmente ciento trece millones de
toneladas métricas del mismo, con un potencial energético de entre 13,2 MJ/kg y 14,2
MJ/kg; lo que hace muy objetivo considerarlo como una fuente renovable de energía
(Contreras Velásquez, Pereda Reyes, & Romero Romero, 2012)
4
La Unidad Económica Básica Industrial (UEBI) Victoria de Girón está enclavada en el
municipio Consolación del Sur perteneciente a la provincia de Pinar del Río. La misma
ha presentado indicadores desfavorables en lo que a aprovechamiento eficiente de los
portadores energéticos respecta en el proceso de secado del arroz (Díaz Navarro,
2014). El deterioro progresivo de sus cuatro unidades de secado, modelo STEIN,
durante sus más de 40 años de explotación y la falta de una política de gestión eficiente
de la energía son causas que apoyan el criterio anterior. Por tales motivos se ha
convertido en una máxima para los directivos y trabajadores de la misma buscar
alternativas que eleven estos indicadores. De conjunto con la Universidad de Pinar del
Río Hermanos Saíz Montes de Oca; en específico con la Disciplina de Tecnologías
energética, Mantenimiento y Automotriz de la Carrera de Ingeniería Mecánica; se ha
llevado a cabo un proceso de búsqueda de soluciones que ha constado de varias
etapas. En un primer momento se realizó un Diagnóstico Integral de la actividad del
Mantenimiento Industrial en la misma, ya que la eficiencia en el proceso de
mantenimiento y la eficiencia energética de una industria van de la mano (Altmann,
2015), arrojando debilidades que se pretenden corregir con cursos de capacitación a
los especialistas encargados de la actividad, entre otras acciones.
Un segundo momento lo constituyo la realización de un Diagnóstico Energético que
permitió determinar los principales portadores del centro, así como los puestos claves
dentro del proceso industrial que allí se acomete; siendo las cuatro unidades de secado
STEIN las principales consumidoras, con un consumo percápita de aproximadamente
el 15,36 % del total y el portador energético de mayor demanda el diésel (Díaz Navarro,
2014).
5
Es por tal motivo que la presente investigación, constituyendo parte ya de una tercera
etapa, pretende determinar las posibles soluciones que se pueden acometer para
disminuir el consumo del portador energético diésel en el proceso de secado del arroz;
evaluando alternativas para el aprovechamiento, como combustible, de los residuos
del proceso productivo y soluciones constructivas que eviten las pérdidas energéticas
fundamentalmente por transferencia de calor del aire empleado para el secado del
grano. Con tales fines se propone el siguiente diseño investigativo:
Problema científico: ¿Cómo se puede emplear el residuo cascarilla de arroz para
mejorar la eficiencia energética del proceso de secado del grano en la Unidad
Económica Básica Industrial (UEBI) Victoria de Girón, Municipio Consolación del Sur,
Pinar del Río?
Objeto de la Investigación: Hornos incineradores de materia orgánica.
Campo de acción: Tecnología de secado del arroz de la UEBI Victoria de Girón.
Objetivo: Realizar la propuesta de diseño de un horno que caliente el aire, del proceso
de secado del grano, empleando como combustible la cascarilla de arroz en la Unidad
Económica Básica Industrial (UEBI) Victoria de Girón.
Objetivos específicos:
Cuantificar los volúmenes del residuo cascarilla de arroz en la Unidad
Económica Básica Industrial (UEBI) Victoria de Girón.
Determinar la cantidad de energía necesaria para llevar a cabo el proceso de
secado del arroz en la Unidad Económica Básica Industrial (UEBI) Victoria de
Girón.
6
Valorar técnica y económicamente la propuesta de diseño de un horno que
caliente el aire necesario para el proceso de secado empleando como
combustible la cascarilla de arroz en la Unidad Económica Básica Industrial
(UEBI) Victoria de Girón.
Hipótesis: El empleo de un horno que caliente el aire, utilizado en el proceso de
secado del grano, usando como combustible la cascarilla del arroz, constituye una
alternativa que mejorará la eficiencia energética del proceso en la Unidad Económica
Básica Industrial (UEBI) Victoria de Girón.
Tareas de la Investigación:
Búsqueda bibliográfica y estudio del objeto de la investigación.
Confección del diseño de la Investigación.
Proceso de selección de las metodologías a emplear para realizar los cálculos
pertinentes que validen la eficacia en el aspecto energético de las propuestas
realizadas.
Toma de datos de los principales indicadores energéticos del proceso de
secado del arroz en la Unidad Económica Básica Industrial (UEBI) Victoria de
Girón del municipio Consolación del Sur en la provincia de Pinar del Río.
Medición de las dimensiones de los conductos de aire caliente de las torres de
secado de la Unidad Económica Básica Industrial (UEBI) Victoria de Girón del
municipio Consolación del Sur en la provincia de Pinar del Río.
Selección del área donde se ubicaría el horno propuesto para la torre de secado
de la Unidad Económica Básica Industrial (UEBI) Victoria de Girón del municipio
Consolación del Sur en la provincia de Pinar del Río.
7
Escritura del Informe de la Tesis en opción del grado de Master en Eficiencia
Energética.
Resultados esperados: Se espera obtener una propuesta de horno, factible desde el
punto de vista energético, para calentar el aire empleado en el proceso de secado del
arroz, utilizando como combustible la cascarilla del mismo.
8
CAPÍTULO I
REVISIÓN
BIBLIOGRÁFICA
9
CAPÍTULO I. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
En el presente Capítulo se pretende argumentar de manera ampliada todo lo
relacionado con el objeto de la investigación. Realizando un recorrido por el proceso
de secado del arroz y todo lo referente a técnicas y medidas para garantizar una
eficiencia energética óptima en dicha actividad. Así mismo se mostrará información
detallada de los hornos industriales, su campo de empleo, características del diseño
estructural y energético de los mismos y sus diferentes clasificaciones.
Se pretende lograr una revisión bibliográfica amplia, utilizando materiales actualizados
que permitan introducir al lector en todo lo relacionado con el estado más actual del
objeto de estudio, sus antecedentes y perspectivas futuras, de manera que la
investigación realizada tenga en este Capítulo una base de apoyo para su justificación.
1.1. El Arroz (Oryza sativa L.)
El arroz (Oryza sativa L.) es una especie perteneciente a la familia de las gramíneas
cuyo fruto es comestible. Es originario del continente asiático y se cultiva
aproximadamente desde hace más de 5 000 años (a.c.), se puede decir que es parte
inseparable de muchas de estas culturas. El arroz es el segundo cereal más cultivado
en el mundo con 736 200 000 t producidas en el año 2012 tras el maíz (913 000 000
toneladas). Eso sí, es el más importante para la alimentación del hombre y fuente de
10
una quinta parte de las calorías consumidas en el mundo como parte de su dieta básica
(Ecured.cu, 2015).
La Figura 1.1 muestra los niveles de producción de arroz de los principales países
productores de este cereal. Cuba produce comparado con el resto del mundo el
0,01 % demostrando con este resultado la magnitud que alcanza la producción
mundial.
En América Latina y el Caribe el arroz es, como en el resto del mundo, una de las
fuentes más importantes de calorías y proteínas, se producen treinta millones de
toneladas de arroz en siete millones de hectáreas anualmente, con un rendimiento
promedio de tres toneladas por hectárea cultivada (Pedrera, Díaz Solís, Morejón
Rivera, & Ipsán Pedrera, 2013).
En Cuba el cultivo de este cereal se ha extendido a casi todas las regiones del país y
constituye la principal fuente de carbohidratos en la alimentación de la población, con
un consumo aproximado de 670 000 t al año y un percápita nacional anual que supera
los 70 kg, mientras que el promedio mundial se encuentra por los 57 kg (Díaz, 2011).
Figura 1.1: Producción de arroz en toneladas métricas por países. Fuente: (Producción Mundial Arroz, 2015) disponible en https://www.produccionmundialarroz.com/
11
Las variedades de arroz cultivadas han ido evolucionando en los últimos años,
mediante una gradual renovación de las más antiguas, en función de las mejores
características; provocando la desaparición de determinadas variedades, pues las
nuevas ofrecen ventajas en lo referente a una mayor resistencia a enfermedades,
mejor calidad de grano y una mayor productividad. Los programas de mejora genética
se basan en la producción de plantas de arroz dihaploides, mediante el cultivo de
plantas obtenidas a partir de cruzamientos previos. En el mundo hay cuatro clases de
arroz (Espinal & Covaleda, 2005):
El índica, que es de grano largo y delgado, constituye aproximadamente el
87 % de la producción mundial y se cultiva principalmente en los países
tropicales, en regiones subtropicales del sur de los Estados unidos, en el centro
y sur de China, y el sur y sudeste asiático.
El japónica, cuyo grano es de forma redonda, constituye aproximadamente el
11 % de la oferta global y crece en los climas templados de Japón, Corea,
Taiwán, el norte y el centro norte de China, Australia, el Mediterráneo, el norte
del Brasil, Uruguay y California; el aromático, que incluye los basmati de la India
y Pakistán.
Los Jazmines, de Tailandia y otras variedades menos conocidas.
Los glutinous, que se usan en postres, comidas ceremoniales y platos dulces
y que son exportados por Tailandia. Estas dos últimas clases solo constituyen
cerca de un 2 % de la producción mundial.
En la Unidad Económica Básica Industrial (UEBI) Victoria de Girón del municipio
Consolación del Sur en la provincia de Pinar del Río se cultiva la variedad de arroz
12
INCA LP-5 de ciclo corto. La misma ofrece ventajas relacionadas con una alta
capacidad de ahijamiento, garantiza la maduración uniforme del grano, es resistente
al acamado, a las plagas y presenta un alto potencial de rendimiento agrícola e
industrial.
El proceso de cultivo pasa por varias etapas. Se comienza por preparar el terreno,
etapa esta en la que el mayor consumo de energía ocurre en los diferentes equipos y
maquinarias empleadas para esta tarea, dígase preparado de suelos y riego para
preablandar. Posteriormente se siembran las posturas que deben ser cuidadas con
esmero para evitar las plagas y los periodos de sequía prolongados, ya que este cultivo
requiere de mucha agua para su desarrollo por lo que se debe garantizar el correcto
regadío del mismo mediante el empleo de motobombas en la mayoría de los casos.
Una tercera etapa consiste en la recolección del grano, proceso este que a gran escala
se realiza con cosechadoras industriales o combinadas como también se conocen
estos gigantes, en su interior el grano pasa por todo un sistema que se encarga de
cortarlo y limpiarlo de forma adecuada. De esta forma se logra que el arroz llegue al
secadero lo más exento de impurezas posible coadyuvando así a mejorar la calidad
del secado y aumentar la capacidad del secadero y su eficiencia industrial. Las etapas
finales son: el secado del grano, donde se le extrae la humedad que trae este de las
etapas anteriores y se deja listo para el último paso antes de estar apto para ser
consumido o empleado como semilla; el molinado, proceso en el que se separa el
grano de arroz de su cáscara. Según bibliografías especializadas en el tema los
principales portadores energéticos en estas etapas son el Diésel y la Energía Eléctrica,
por lo que una mayor eficiencia en estas garantiza la realización de un proceso más
13
efectivo desde el punto de vista económico y medioambiental. Algunas bibliografías
refieren que el consumo de energía para producir un kilogramo de arroz es de 314 kcal
en el caso de un sistema de cultivo orgánico orientado a mercados selectivos y 696
kcal en el sistema prevaleciente de altos insumos químicos (Castellanos Lozano,
2013).
1.2. Proceso de secado del arroz
El secado del arroz comienza en el campo después que el grano ha alcanzado su
maduración. Durante el período de maduración el grano recibe agua y nutrientes de la
planta bajo las condiciones normales de desarrollo de luz solar, fertilidad y humedad.
En la maduración y el comienzo del secado, el grano decrece gradualmente en su
dependencia de la planta para el agua y sus nutrientes y comienza a incrementar su
interacción con el medio ambiente. Durante este período el grano transpira más
humedad al aire que la que recibe de la planta, con la consecuencia de que esta
decrece gradualmente. Siempre que la humedad del grano cae por debajo de las
condiciones de equilibrio de temperatura y humedad relativa en el medio ambiente el
grano de arroz cáscara que es higroscópico reabsorbe humedad. Así el contenido de
humedad que contiene el grano comienza a estar sujeto al medio ambiente en el cual
existe. Sobre el período de aproximadamente una semana o más de su maduración
completa, el grano de arroz cambia de la dependencia de la planta a la independencia
de ella. La temperatura y humedad del aire ambiente tanto como la maduración del
grano están determinados mayormente por la velocidad a la cual este puede secarse.
Después de iniciado el secado, continúa siendo higroscópico y responde a las
condiciones de cada medio ambiente al cual sea expuesto.
14
Luego de recolectado, el arroz cáscara (en el medio se le llama así al grano de arroz
que no ha sido pasado por el molino y conserva aún su cáscara) pasa por un proceso
de secado donde se le extrae el exceso de humedad hasta dejarlo en las condiciones
ideales para su futuro aprovechamiento, ya sea como semilla o para ser molido y
consumido como alimento. Para este fin se emplean varios métodos, depende mucho
de las características económicas del país donde se realiza la cosecha, se puede llevar
a cabo un proceso de secado empleando la energía proveniente del sol o en el caso
de los países con un mayor desarrollo en este sector se realiza el secado del grano
empleando equipos de alto rendimiento (quemadores) que utilizan combustibles fósiles
para calentar aire (medio caliente) que circula dentro de las torres de secado donde
interactúa con el arroz cáscara.
Los valores de humedad del grano para considerar al mismo seco varían en
dependencia de la variedad de arroz cosechada, aunque según las consultas
bibliográficas realizadas este rango se puede acotar entre un 11 % y un 13 % de
humedad relativa final. En Cuba el valor empleado en este sentido según (Unión de
Empresas Arroceras (UCAIC), 1988) se enmarca en el rango de 12.5 % y 13.5 % de
humedad del grano.
Algunos de los sistemas de secado de arroz más empleados en el mundo son
(Estudios y Diseños Agroindustriales (EDIAGRO), 2015):
Sistema de secado en torres, “por pasos”, con reposos intermedios en silos
exteriores. Este sistema fue desarrollado inicialmente en los Estados Unidos de
América hacia 1950.
15
Sistema de secado en torre, “intermitente”, consiste en pasos cortos de
secado y reposo en la misma torre (secciones con aire y secciones ciegas).
Sistema de secado en columnas, “por cochadas”, recirculando. Este método
provoca un bajo rendimiento de grano entero durante el proceso de molinado.
Sistema de secado en albercas.
Sistema de secado con unidades de lecho fluidizado.
Todos estos sistemas tienen en común la presencia de un medio caliente que circula
e interactúa con el arroz cáscara extrayendo la humedad del mismo mediante un
incremento de su temperatura, en la mayoría de los casos este medio es el aire
previamente calentado, como se expresaba con anterioridad. Ahora bien, el rango de
temperatura a la que el aire interactúa con el grano y el tiempo de exposición deben
estar muy bien controlados para evitar que el arroz arda y por consiguiente el porciento
de granos enteros en el proceso de molido sea demasiado bajo, no cumpliendo de
esta forma con los estándares de calidad establecidos.
Por tal motivo los sistemas de secado de arroz en su mayoría someten al grano a
varios pases, dejando periodos de reposo entre estos. El grano sale de cada pase con
un valor de humedad menor al que tenía con anterioridad y esto garantiza que la
temperatura del pase siguiente sea menor que la del anterior.
En Cuba este proceso está muy bien documentado, estableciéndose un rango de
temperatura del aire que interactúa con la masa de arroz entre los 50 ºC y 55 ºC,
dependiendo directamente de la temperatura del arroz a la salida del pase que se le
esté dando, temperatura que debe oscilar entre los 37 ºC y 38 ºC con un tiempo de
exposición a los gases que no exceda los 30 min. El factor fundamental en la operación
16
de secado es la temperatura del grano a la salida de la torre, dependiendo de esta se
realizan los ajustes de temperatura de los gases calientes de entrada a la torre así
como el tiempo de exposición. Desde el momento en que el arroz alcance el 17 % o
17,5 % de humedad, se debe ser más cuidadoso con las temperaturas a las que se
seca. La Tabla 1.1 muestra la temperatura de salida del grano a diferentes pases.
Tabla 1.1. Temperatura (ºC) del grano a diferentes pases.
Pases % de humedad de entrada
30 % 24 % 20 %
1 40—41 39—40 38—39
2 39—40 38—39 37—38
3 38—39 37—38 37
4 37—38 37 --
5 37 -- -- Fuente: (Unión de Empresas Arroceras (UCAIC), 1988)
Todo el arroz que contenga un porciento de humedad de recibo que sea superior al 24
% debe dársele como promedio cinco pases, aquel que su porcentaje sea menor que
24 % se le debe dar cuatro pases y aquel que sea inferior a 20 % dos o un solo pase.
El período prudencial de tiempo entre cada pase puede ser entre 12 h y 14 h de esta
forma se evita que el arroz se arda (Unión de Empresas Arroceras (UCAIC), 1988).
El proceso de secado del grano de arroz cáscara constituye en su totalidad la
operación de mayor importancia para obtener un producto final de buena calidad, en
el mismo también se registran los mayores índices de consumo de portadores
energéticos. Por tales motivos los productores que cuentan con escasos recursos
económicos deciden en la mayoría de los casos vender sus cosechas sin secar el
grano, lo que por supuesto hace que los precios de ventas sean muy inferiores a los
del arroz procesado. Países como Cuba invierten cuantiosas sumas en estos fines, es
17
por eso que se hace necesario todo un movimiento innovador que indague y
experimente con nuevas fuentes de energía menos costosas. Un ejemplo de esto lo
constituye la cascarilla del arroz, residuo del propio proceso que puede ser quemado
y utilizado como combustible.
1.3. La cascarilla de arroz.
La cascarilla de arroz es uno de los desechos más importantes de la producción de
este cereal. La cantidad de cascarilla que se genera, año tras año en Cuba puede
superar las 736 200 000 t/año, con el agravante de que por su baja degradabilidad
natural, se acumula en el ambiente, generando situaciones extremas de
contaminación. La cascarilla de arroz es de consistencia quebradiza, abrasiva y su
color varía del pardo rojizo al púrpura oscuro en dependencia de la variedad de arroz
cultivada.
1.3.1. Propiedades físicas de la cascarilla de arroz.
Para el empleo de la cascarilla de arroz como combustible, incluso para otros fines, se
deben conocer muy bien las propiedades físicas de la misma. Estas son las siguientes
(Villada & Gutierrez, 2010):
Densidad.
La densidad de la cascarilla es baja, por lo que al apilarse la misma ocupa grandes
espacios. Se determinan tres variantes de esta propiedad:
1. Densidad a granel: En muchas aplicaciones la rentabilidad de la utilización de la
cascarilla depende en gran medida de los costos de transportación, los cuales a su
vez están determinados por la densidad a granel de la misma. La densidad a granel
18
es la masa (m) de cascarilla que equivale a un metro cúbico. Se determinaron los
siguientes valores:
Cascarilla suelta, empacada a granel: 100 kg/m3
Luego de someter el recipiente a vibración: 143 kg/m3
Compactación manual al estrujarla con los pies: 180 kg/m3
2. Densidad aparente: Una cascarilla contiene muchísimos poros microscópicos.
Estos poros llegan a la superficie y se abren hacia afuera. Otros se encuentran en
el interior y se cierran sobre sí mismos. Al determinar la masa (m) y el volumen (V)
de una cascarilla se obtiene como cociente (m/V) la densidad aparente de esta con
un valor de 124 kg/m3. En la práctica esto significa que una cascarilla, al entrar en
contacto con el agua, la absorbe lentamente y luego se hunde.
3. Densidad específica: Este valor es el resultado de la resta de la densidad aparente
menos el volumen de todos los poros contenidos en una cascarilla, obteniendo un
valor de 1420 kg/m3. La cascarilla es por consiguiente 1,4 veces más pesada que
el agua.
Conductividad térmica de la cascarilla (K).
La conductividad térmica de la cascarilla es comparable a la del corcho granulado o
lana mineral (Tabla 1.2), haciendo de la misma un material aislante por excelencia,
utilizado en la industria de la construcción con este fin.
Tabla 1.2. Comparación de los valores de conductividad térmica.
Material Valores de K (W/mK)
Cascarilla 0.03605
Lana mineral 0.03033
Corcho granulado 0.02888 Fuente: (Villada & Gutierrez, 2010)
19
Dureza de la cascarilla.
La dureza de la cascarilla tiene el valor seis en la escala de Mohs y la ceniza cerca de
un seis punto cinco. Estos valores unidos a la estructura dentada de su superficie le
proporcionan a esta y a sus cenizas características similares a la del papel de lija.
Forma, Tamaño y Peso específico de la cascarilla.
La cascarilla tiene forma de canoa, superficie rugosa y su color varía en dependencia
de la variedad de arroz. También dependiendo de la variedad su longitud esta entre
los ocho y diez milímetros de largo por uno o dos de ancho (el ancho corresponde con
aproximadamente el 30 % o el 40 % de su longitud). En dependencia del tamaño una
cascarilla pesa entre dos punto cinco y cuatro punto ocho miligramos, con un peso
específico de 125 kg/m3, es decir, una tonelada a granel ocupa un volumen de ocho
metros cúbicos.
Porosidad de la cascarilla de arroz.
El volumen de porosidad de la cascarilla es del 54 %.
1.3.2. Propiedades químicas de la cascarilla de arroz.
Un análisis gravimétrico de más de 20 variedades de cascarilla de arroz, realizado en
Colombia, arrojó los resultados que se muestran en la Tabla 1.3.
Tabla 1.3. Composición gravimétrica de la cascarilla de arroz.
Elemento % del Peso
Carbono (C) 39-42
Oxígeno (O) 32-34
Minerales (Ceniza) 14-24
Hidrógeno (H) 4-5
Nitrógeno (N) 0.3-2 Fuente: (Ministerio de Minas y Energía de Colombia, 1990)
20
De igual forma un análisis de sus principales compuestos nutritivos arrojó los
resultados que se muestran en la Tabla 1.4.
Tabla 1.4. Compuestos nutritivos en la cascarilla de arroz.
Compuesto % en peso
Proteína 1.9-6.2
Grasas 0.4-1.5
Fibras 34.3-41.6
Celulosa 37.2-43.4
Hemicelulosa (Pentosanas) 17.2-22.2
Minerales (Ceniza) 14.2-24.6
Azúcar 0.2-0.4 Fuente: (Ministerio de Minas y Energía de Colombia, 1990)
La gran variación del contenido de proteínas radica en una separación no del todo
limpia entre cascarilla y película de aleurona. Como promedio realista debería
asumirse un 3 % de contenido de proteína (Ministerio de Minas y Energía de Colombia,
1990).
Este análisis demuestra que a pesar de la gran cantidad de variedades analizadas los
contenidos de oxígeno, carbono, nitrógeno e hidrógeno se mantienen en rangos
estrechos. Siendo el porciento de cenizas el que más varia (10 puntos porcentuales),
estando esto relacionado fundamentalmente con las características propias del tipo de
suelo donde se realiza el cultivo.
Otro estudio realizado al arroz de la variedad paddy arrojo los resultados que se
muestran en la Tabla 1.5.
Tabla 1.5. Composición gravimétrica de la cascarilla del arroz paddy.
Cascarilla de arroz Cenizas de cascarilla de
arroz
Componente % Componente %
Carbono 39,1 Ceniza de Sílice 94,5
Hidrógeno 5,2 Oxido de Calcio 0,25
21
Nitrógeno 0,6 Oxido de Magnesio 0,23
Oxigeno 37,2 Oxido de Potasio 1,10
Azufre 0,1 Oxido de Sodio 0,78
Cenizas 17,8 Sulfato 0,56 Fuente: (Varón Camargo, 2005)
Comparando con los resultados del estudio anterior se puede ver el grado de
compatibilidad o coincidencia entre ambas investigaciones, por lo que se puede
establecer que los rangos establecidos en el análisis realizado por el Ministerio de
Minas y Energía de Colombia son bastante certeros.
Otra propiedad química de importancia en la cascarilla del arroz lo constituye su poder
calorífico el cual en relación con el peso en seco de la misma varía entre los 13,9
MJ/kg y 16,2 MJ/kg (3 320,98 kcal/kg y 3 870,5 kcal/kg respectivamente). Las
variaciones en estos valores obedecen a diferentes contenidos de ceniza e impurezas
producidas por la película aceitosa de la aleurona (Kerneur, 1992). En el caso de la
variedad de arroz paddy se plantea que el poder calórico de la cascarilla de la misma
es de 3 287,9 kcal/kg y se especifica que esto se debe a su alto contenido de sílice
(20 %), factor este que dificulta la combustión (Varón Camargo, 2005).
En la Tabla 1.6 se compara el poder calorífico de la cascarilla de arroz con el de otros
combustibles derivados de la agroindustria y con algunos energéticos tradicionales.
En la misma se puede notar que la cascarilla tiene un poder calorífico superior que el
del bagazo de caña húmedo, entre otros combustibles.
Tabla 1.6. Poder calorífico de algunos combustibles.
Producto Poder Calorífico (kcal/kg)
Cascarilla de arroz 3 650
Cascarilla de café 4 251
Bagazo caña húmedo 2 335
Bagacillo 3 142
22
Tusa de maíz 5 225
Carbón 7 000
Petróleo 7 800
Leña verde (30 % humedad) 2 500 Fuente: (Kerneur, 1992)
El esqueleto de dióxido de silicio (SiO2) de la cascarilla hace engorroso el proceso de
quemado de la misma, generando cenizas de color blanco o rosado cuando la quema
se realiza al aire libre. Esto ocurre porque el oxígeno del aire llega fácilmente al
carbono adherido en los poros más profundos. En quemadores comerciales de
cascarilla se produce por lo general una ceniza entre negra y gris. El modo de quemar
este residuo depende en gran parte de que producto o subproducto se desee obtener.
1.4. Los hornos incineradores.
La mayoría de las instalaciones industriales modernas necesitan energía para su
funcionamiento, esta muchas veces es suministrada en forma de calor, de ahí que
siempre se requiera de equipos (dígase calderas, hornos, etc.) encargados de la
producción de la misma.
En el mundo moderno, la energía para usos industriales tiene varias fuentes: la energía
química de las sustancias combustibles, la energía potencial del agua acumulada en
embalses, la energía atómica, la energía solar, la energía de las mareas y otras. Pero,
a pesar de existir diversas fuentes, la mayor parte se obtiene a partir de la energía
química liberada, en forma de calor, por los combustibles al quemarse estos en los
hogares de los hornos; de aquí, que el correcto diseño de estos equipos, su óptima
construcción y su eficiente operación, sean de gran importancia y singular interés,
máxima si se tiene en cuenta que los recursos combustibles del mundo son limitados
23
y su mala utilización, además de contribuir a su agotamiento, significa pérdidas
económicas para cualquier nación.
De ahí que se puede decir que un horno incinerador es un dispositivo que genera
energía en forma de calor mediante el proceso de incineración de un combustible dado
manteniendo el mismo dentro de un compartimento cerrado. Estos tienen varios usos
que van desde el empleo de los mismo para cocer alimentos como la generación de
calor para llevar a cabo complejos procesos industriales.
1.4.1. Tipos de hornos incineradores.
Los hornos incineradores industriales están diferenciados en la práctica atendiendo al
tipo de tareas que realizan, aunque el principio de funcionamiento de uno con respecto
al otro no difiere en gran medida. A continuación se relacionan los diferentes tipos de
hornos incineradores empleados en procesos industriales:
1. Hornos de Cámara.
Como su nombre lo indica, estos hornos están constituidos por una cámara donde se
quema el combustible, en este caso, mediante quemadores a la llama. Estos pueden
operar con combustibles líquidos, gaseosos o sólidos. La forma general de este horno
es un prisma de base cuadrada o rectangular, cuya altura es mucho mayor que el
ancho y la profundidad. Los quemadores se colocan en la pared frontal, en las paredes
laterales y muy excepcionalmente en el techo.
Los hornos de cámara son (en la actualidad) los más empleados en las centrales
termoeléctricas, por ser los que permiten las mayores capacidades de generación de
vapor y por lo tanto de energía eléctrica.
24
Estos hornos se dividen en dos grupos atendiendo a la tipología de la cámara de
combustión (Garay, 2001):
hornos de cámara abierta.
hornos de cámara semiabierta.
Los hornos de cámara abierta presentan una sola cámara como tal, mientras que los
de cámara semiabierta presentan dos, una inferior llamada propiamente cámara de
combustión, que es donde están ubicados los quemadores y en la cual transcurre en
lo fundamental el proceso de combustión, y una superior, llamada de enfriamiento,
donde concluye el proceso de combustión y se transfiere una parte importante del calor
a las paredes de agua y sobrecalentadores radiantes.
Los hornos de cámara utilizados para sólidos, pueden a su vez clasificarse en hornos
con extracción de ceniza seca o con extracción de ceniza líquida.
Los hornos con extracción de ceniza seca son los más utilizados en el mundo, estos
son del tipo de cámara abierta y tienen una tolva inferior para recoger la ceniza que se
desprende de las llamas mientras que los de extracción de ceniza líquida pueden ser
de cámara abierta o semiabierta, en ambos casos, en la zona de ubicación de los
quemadores las pantallas de agua se recubren con material refractario, para crear una
zona de altas temperaturas (1500 ºC a 1600 ºC) con lo que se consigue fundir una
parte de la ceniza, la cual escurre hacia el fondo del horno y sale por el orificio previsto
para ello.
2. Hornos de suspensión.
La tecnología de suspensión permite quemar una gran variedad de combustibles
(carbón, residuos biomásicos, residuos inertes), de manera limpia y eficaz. La
25
fluidización, desarrolla la combustión, en el seno de una masa en suspensión de
partículas de combustibles, es decir, crea una columna de partículas sólidas
(homogeneizadas), a través de las cuales pasa un fluido (líquido o gas) de forma
ascendente. Existen varios tipos de hornos de suspensión (Garay, 2001):
a) Hornos de lecho fluidizado.
Los lechos fluidizados tuvieron su origen en los trabajos desarrollados por Fritz Winkler
para gasificar el carbón, a mediados de la década de 1920. Con posterioridad se
realizaron las primeras aplicaciones para la combustión con fines energéticos, pero no
fue hasta 1960 que, con la necesidad de reducir las emisiones gaseosas
contaminantes (SO2 y NOx) y viéndose en el lecho fluidizado una vía para su alcance,
se desarrollaron importantes esfuerzos investigativos e implementaciones industriales,
que condujeron a los primeros generadores de vapor comerciales. Estos operaban con
carbón como combustible y posteriormente surgieron aplicaciones en otros
combustibles, como por ejemplo la cáscara de arroz y otras biomasas. La combustión
en lecho fluidizado se caracteriza por la intensa transferencia de calor en la cámara
del horno y por las bajas temperaturas a que ocurre (800 ºC – 900 ºC).
El horno con tecnología de lecho fluidizado presenta una capa de combustible sobre
una parrilla distribuidora de aire; si la velocidad del aire es baja, este atraviesa la capa
y provoca las reacciones de combustión, pero el combustible permanece formando un
lecho fijo. Si ahora se incrementa la velocidad del aire cierto valor, las partículas de
combustible serán suspendidas por la corriente de aire y gases de la combustión,
formándose un lecho o capa fluidizada que adquirirá ciertas propiedades de fluido, de
donde toma su nombre. Si la velocidad del aire se incrementa aún más, podrá pasarse
26
al llamado lecho fluidizado burbujeante, en el cual las burbujas de aire se unen
formando grandes huecos en el lecho de partículas sólidas.
b) Hornos ciclónicos.
Los hornos ciclónicos fueron desarrollados en la década de los cuarenta, siendo
instalados los primeros en una caldera comercial en 1944. El objetivo central que se
buscó fue disponer de un sistema que permitiera el uso del carbón con un menor grado
de preparación, que el necesario para la combustión a la llama, con el fin de reducir
los costos de la preparación, a la vez que se alcanzaba una alta eficiencia en la
combustión, una reducción de la emisión de sólidos volátiles y se facilitaba la
extracción de la ceniza.
El horno ciclónico está constituido por un cilindro enfriado por agua, que recibe el
combustible junto con el aire primario por el extremo delantero de manera tangencial.
c) Hornos de torbellino.
Este tipo de horno tiene como principio de trabajo la creación de un torbellino o ciclón
en su interior; esto con el objetivo de incrementar la turbulencia y el mezclado del aire
y el combustible, para favorecer el proceso de combustión y poder reducir el exceso
de aire; todo lo cual se traduce en un incremento de la eficiencia del generador de
vapor. Los hornos de torbellino se clasifican en dos tipos: torbellino vertical y torbellino
horizontal. A continuación se verán sus características generales:
Horno de torbellino vertical.
El principio de funcionamiento de este equipo consiste en una cámara prismática, de
sección transversal cuadrada, en la que se colocan toberas de aire en sus cuatro
27
esquinas, de manera tal que al descargar sus chorros, crean un torbellino de eje
vertical.
Horno de torbellino horizontal.
El horno de torbellino horizontal consiste en una cámara prismática, de sección
transversal rectangular, en la que se colocan toberas de aire en sus paredes frontal y
trasera, de manera tal que se crea un torbellino de eje horizontal. El horno puede
además poseer una pequeña parrilla formando el piso, por la que entra una pequeña
cantidad de aire.
3. Hornos de semisuspensión.
Los hornos de semisuspensión se caracterizan porque en ellos el combustible se
quema simultáneamente mediante dos modos de combustión. Una parte se quema en
suspensión en la cámara del horno (las partículas finas) y la otra se quema en capa
sobre una parrilla (las partículas gruesas). Este efecto se logra suministrando el
combustible mediante un distribuidor o lanzador que, como su nombre indica, lanza el
combustible a la cámara del horno. Las partículas finas son arrastradas por la corriente
de gases y quemadas en suspensión en la cámara del horno, mientras que las gruesas
caen sobre la parrilla del horno quemándose en capa. La magnitud de lo que se quema
por uno y otro modo de combustión depende del grado de preparación del combustible
(granulometría) y de la densidad de sus partículas. En los casos en que la parrilla sea
fija se da origen al horno de parrilla horizontal basculante y en los casos que ésta tenga
movimiento se da origen a una variante de horno de parrilla viajera.
28
Horno de parilla horizontal basculante (HPHB).
El HPHB se caracteriza porque la parrilla es fija (no viaja) y a través de ella se
suministra el aire primario que debe ser cerca del 80 % del total. El aire primario que
entra por la parrilla se calienta aproximadamente hasta los 250 ºC y este tiene como
función adicional enfriar la parrilla, por lo que no puede calentarse mucho más. La
parrilla del piso está dividida en varias secciones longitudinales, correspondiendo una
a cada distribuidor. La parrilla como tal está formada por piezas conocidas en los
centrales como “caballitos”, las que se apoyan en una viga cuadrada que es accionada
por un cilindro neumático, hidráulico o de vapor, que hace que ésta pivotee en su
posición de manera tal, que la pieza (caballito) puede adoptar una posición inclinada,
creándose una abertura entre una y otra por la que caen los residuos al cenicero, de
donde son retirados posteriormente.
Este tipo de horno es el más generalizado en las calderas modernas de la industria
azucarera cubana.
Horno de semisuspensión con parrilla viajera.
Este horno es similar a los hornos de parrilla viajera, pero a diferencia de aquellos, en
que el combustible es suministrado a la cabeza de la parrilla viajera, en este caso el
combustible es suministrado por un distribuidor que lo lanza a la cámara de
combustión.
4. Hornos de Capa.
Los hornos de capa pueden clasificarse de acuerdo con el grado de mecanización de
los procesos de suministro del combustible y extracción de los residuos, en (Garay,
2001):
29
Hornos manuales: En ellos tanto el suministro de combustible como la extracción de
los residuos se efectúan manualmente. En la actualidad casi no existen estos tipos de
hornos.
Hornos semimecanizados: En este tipo de horno el combustible se suministra
mecánicamente, pero los residuos tienen que ser extraídos de forma manual. Ejemplo
de éstos son los hornos tradicionales de bagazo, llamados hornos de pila.
Hornos mecanizados: En ellos se efectúan mecánicamente tanto el suministro del
combustible como la extracción de los residuos.
A su vez estos pueden dividirse en tres grupos:
Hornos de parilla viajera.
En este tipo de horno el combustible es suministrado a través de una tolva
directamente a la cabeza de la parrilla viajera, la que se desplaza lentamente haciendo
ir el combustible desde la entrada hasta la parte posterior del horno en que está la
salida; durante este recorrido, el combustible primero se calienta y después alcanza la
temperatura de ignición y comienza a arder; al llegar a la salida prácticamente se ha
quemado todo y sólo quedan los residuos. El aire en este tipo de horno es suministrado
por la parte inferior de la parrilla atravesando toda la capa de combustible, lográndose
de esa forma un adecuado mezclado del comburente y el combustible.
Hornos de parrilla fija inclinada.
Este horno tiene su mayor aplicación en la combustión del bagazo de la caña de
azúcar; fue muy usado en épocas pasadas y en la actualidad se utiliza en otros países
pero no en Cuba. El horno de parrilla fija inclinada, está compuesto por una parrilla fija,
inclinada aproximadamente 52º con la horizontal, un cenicero inclinado de 0º – 20º con
30
la horizontal y por una cavidad inferior recolectora de los residuos. La parrilla inclinada
consta de dos partes: la primera, llamada parte superior o placa anterior, que es
hermética no permitiendo el paso del aire a través de ella; la segunda, que es la parrilla
propiamente, está compuesta por elementos individuales unidos entre sí y que
pivotean en un punto, lo que permite ajustar el espacio que queda entre unos y otros
para de esa forma controlar el gasto de aire. El combustible que cae en la placa
anterior, suministrado por los alimentadores, sufre en esta primera etapa un proceso
de secado; después, por gravedad, va cayendo a la parrilla donde al calentarse y
ponerse en contacto con el aire comienza su combustión. El combustible quemado o
prácticamente quemado cae por gravedad al cenicero, que es una parrilla casi
horizontal donde se completa el proceso de combustión. Por último los residuos son
recolectados en la cavidad inferior que hay debajo del cenicero. El aire para la
combustión en este tipo de horno se suministra tanto frío como caliente, aunque con
cierta temperatura siempre beneficia el proceso. El aire primario es suministrado por
debajo de la parrilla y el secundario por juegos de toberas colocadas al frente de la
misma.
Hornos de Pila.
Estos hornos buscan quemar el combustible en una cámara (hogar principal) con la
mayor temperatura posible. Al salir del hogar principal los gases pasan a una cámara
de combustión secundaria donde completan su combustión. Los quemadores de este
horno tiene la forma de herradura; en el saltillo, y en ocasiones en la pared frontal, se
hace un saliente que encierra a la llama en el hogar obstruyendo la “visión” de las
31
superficies de caldera, lo que permite disminuir la transferencia de calor por radiación
de las llamas a las fluserías.
1.5. Conclusiones del Capítulo.
Según lo planteado en el cuerpo de este capítulo se puede estimar que el cultivo del
arroz está ampliamente extendido a casi todas las latitudes del planeta,
incrementándose cada vez más los volúmenes de producción del mismo y por
consiguiente sus índices de consumo. Toda esta situación genera una necesidad
creciente de incrementar las medidas encaminadas a obtener un grano final con una
calidad óptima y esto solo se logra implementando un proceso de cultivo del grano
cada vez más eficiente. Cuba no está exenta de esta problemática, ya que el arroz es
la base de la canasta alimenticia de la gran mayoría de los cubanos. Por lo que el país
debe fomentar una política que apoye las innovaciones tecnológicas en este sector de
la industria agrícola nacional. No solo se puede encaminar este trabajo a mejorar las
condiciones de cultivo en el campo, sino que se hace imperante perfeccionar el
proceso de secado y molinado del grano, vital este para garantizar altos índices de
calidad en la obtención de un producto final óptimo para el consumo adecuado del
mismo.
Varias son las tecnologías empleadas en el mundo para llevar a cabo el proceso de
secado del arroz, todas con sus ventajas e inconvenientes. En Cuba la tecnología más
extendida es la de torres de secado, por pasos, con reposo en silos exteriores. No es
un secreto para nadie que las instalaciones existentes cuentan con varios años de
explotación, factor este que tiene una incidencia negativa en los diferentes indicadores
que evalúan la calidad final del proceso. Esta realidad se traduce en la ejecución de
32
un proceso cada vez más costoso, con un déficit en la calidad final del grano, índices
de consumo de energía por unidad de producto procesado astronómicos y por
consiguiente impactos medioambientales negativos en todas las aristas de este
indicador. Los principales portadores energéticos de esta actividad económica son la
energía eléctrica y el diésel, teniendo un alto peso este último, ya que es consumido
por los equipos encargados del transporte y cosecha del grano y en una gran medida
por los quemadores de las torres de secado, encargados de calentar el aire para dicho
proceso.
Estas son razones suficientes para volcarse completamente a la búsqueda de nuevas
fuentes de energía, menos costosas, que sustituyan las convencionales. Ahí es donde
entra a jugar su papel la cascarilla del arroz; residuo sólido del proceso de molinado,
que se obtiene en grandes cantidades y cuyo aprovechamiento esta poco generalizado
en Cuba, por lo que sus elevados volúmenes de acumulación se vuelven desde cierto
punto un problema medioambiental. Este residuo cuenta con característica físico-
químicas que lo convierten en una fuente importante de obtención de energía
calorífica, lo que hace que la idea de emplear el mismo como combustible para calentar
el aire del proceso de secado del grano de arroz sea factible y se convierta en una
alternativa de sustitución del diésel, combustible fósil de un alto costo de obtención.
En el mundo existen hornos incineradores de residuos sólidos con un ya probado
desempeño en procesos industriales, por tanto, la alternativa de diseño de un equipo
de esta magnitud es una iniciativa que puede arrojar resultados tanto económicos
como de calidad del proceso, alentadores para la economía del país.
33
CAPÍTULO II
MATERIALES Y
MÉTODOS
34
CAPÍTULO II. MATERIALES Y MÉTODOS
Para llevar a un feliz término esta investigación se hace imprescindible definir una
metodología a seguir. En la misma se deben especificar y determinar los principales
parámetros útiles en la propuesta de diseño del horno encargado de incinerar la
cascarilla de arroz y su acoplamiento eficiente a la línea de secado de la torre de los
secaderos presentes en la Unidad Económica Básica Industrial Victoria de Girón,
entidad donde se desarrolla el trabajo.
2.1. Generalidades de la Unidad Económica Básica Industrial Victoria de Girón.
La investigación realizada se enmarca en el Departamento Industrial UEBI Victoria de
Girón perteneciente a la Empresa Agroindustrial de Granos de Los Palacios. Dicha
UEBI se encarga del secado y molinado de gran parte del arroz cosechado en la
provincia de Pinar del Río. Para realizar esta labor la misma cuenta con:
Cuatro secaderos marca STEIN con más de 40 años de explotación, con una
capacidad de recibo de 128 t/día, de ellos tres se encuentran en explotación y
uno en un proceso inversionista de montaje de silos y reparación de
equipamiento tecnológico. Estos secaderos anualmente son sometidos a un
proceso de mantenimiento general donde recuperan en su totalidad las
capacidades productivas.
35
Un molino japonés, de marca SATAKE con una capacidad inicial de 12.0 t/h, el
cual se encuentra sometido a un proceso de sustitución paulatina de su
tecnología.
Una base de transporte para el aseguramiento técnico- material y de dirección.
Un departamento de maquinado.
Almacén de piezas de repuesto, insumos, materiales y víveres.
Infraestructura de dirección y control.
La ubicación de todas estas áreas dentro de la unidad permite un flujo productivo lineal
que facilita en una mayor medida el desarrollo del proceso llevado a cabo en la entidad
(Figura 2.1).
Figura 2.1: Vista aérea de la UEBI Victoria de Girón.
Fuente: (Software Google Earth, 2010)
2.1.1. Estado del residuo cascarilla de arroz en la UEBI.
En el proceso de secado del arroz en la UEBI Victoria de Girón, el principal portador
energético es el diésel. La cascarilla de arroz después del proceso de molinado se
considera como un desecho residual que es aprovechado principalmente en las
empresas polleras de la zona como parte de los forrajes elaborados en estas. El resto
36
de este residuo es depositado en una zona destinada para este fin, a la intemperie y
como es un desecho de difícil biodegradación, cuando no existe suficiente espacio, la
única opción es el quemado de este al aire libre causando efectos nocivos al
medioambiente.
Del total de arroz cascara procesado en la UEBI Victoria de Girón el 66,9 % constituye
arroz limpio (grano entero, medio grano y cuarto grano), este valor es la expresión del
rendimiento industrial de la entidad. Los subproductos, el polvo y la cabecilla,
representan el 9.31% y 1.91% respectivamente. Por último la cascarilla, que hasta el
momento constituye un residuo, es el 21.8% de la producción (García Rivero, 2010).
2.1.2. Metodología para caracterizar químicamente la cascarilla de arroz de la
variedad INCA LP-5.
Para llevar a cabo esta caracterización se desarrollarán varios experimentos en los
laboratorios de Química de la universidad de Pinar del Río con el objetivo de obtener
los parámetros fundamentales:
Porciento de humedad (ASTM D4442-07). [1]
% de humedad =m1−m2
m1∙ 100 [1]
Donde:
m1 - Muestra inicial de cascarilla de arroz.
m2 - Masa de la muestra seca.
Porciento de volátiles (ASTM 3175-07). [2]
% de volátiles =m2−m3
m1∙ 100 [2]
Donde:
37
m3 - Masa de la muestra sin sustancias volátiles.
Porciento de cenizas (ASTM D1102-84). [3]
% de cenizas =m4
m1∙ 100 [3]
Donde:
m4 - Masa de las cenizas obtenidas.
Porciento de carbono fijo. [4]
% de carbono fijo = 100% − % de humedad − % de volátiles − % de cenizas [4]
Por otra parte el poder calorífico se determina empleando la ecuación [5] (Márquez,
Cordero, Rodriguez Mirasol, & Rodriguez, 2001).
HVV = 354,3 ∙ FC + 170,8 ∙ VM [5]
Donde:
FC - porciento de carbono fijo.
VM - porciento de volátiles.
2.2. Metodología para el cálculo termodinámico de los parámetros del horno
incinerador de cascarilla de arroz.
El cálculo de los indicadores termodinámicos del horno es la base fundamental para
determinar los parámetros del diseño físico del mismo, entiéndase por estos: volumen
de la cámara de combustión, tipo de intercambiador de calor y la estructura del mismo.
También constituye un aspecto de vital importancia definir el tipo de horno según su
tecnología (tipo de hogar) más adecuado para este caso.
38
2.2.1. Selección del tipo de horno más adecuado para incinerar la cascarilla de
arroz.
Teniendo en cuenta que la temperatura de trabajo de este equipo estará en el rango
comprendido entre los 450 ºC y los 490 ºC, rango de temperatura establecido por
algunas bibliografías para la combustión de la cascarilla húmeda, caso este que se
corresponde con el trabajo realizado (Fuentes & Recio, 2005), y la potencia de
generación esperada será menor a los 290 kW/m3 se empleará un horno con
tecnología de parrilla en su cámara de combustión (Garay, 2001).
Esta decisión se basa también en el hecho de que la combustión de la cascarilla
produce índices elevados de ceniza y la tecnología de parrilla garantiza un proceso
más eficiente ya que permite un mayor control de las zonas de alimentación,
combustión y desalojo de cenizas.
2.2.2. Cálculo del volumen de producto a secar.
Este parámetro no es más que la capacidad de secado de uno de los secaderos
instalados en la UEBI Victoria de Girón en una jornada de trabajo. En los planes de
producción y otros documentos técnicos este valor (capacidad de secado de cada
torre) aparece expresado en toneladas por lo que se hace necesario, para facilitar
cálculos posteriores, convertirlo a unidades volumétricas (metros cúbicos). Para este
fin se emplea la ecuación [6].
V =m
δ [6]
En dicha ecuación:
V – Volumen del arroz cáscara (m3).
m – Masa del arroz cáscara (kg).
39
δ – Densidad aparente del arroz cáscara (kg/m3).
2.2.3. Cálculo de la masa de agua a remover del volumen de granos en una
pasada.
Para determinar este valor se deben conocer parámetros tales como: la masa de arroz
que se seca en una pasada (mm), el porciento de humedad inicial del arroz cuando es
recibido del campo (∅𝑖) y por último el porciento de humedad que se le extrae al mismo
en una pasada. Todos estos parámetros se relacionan en la ecuación [7].
mw = mm ∙∅i
100−
∅f100
1−∅f
100
[7]
En la misma:
mw - Masa de agua a remover en una pasada (kg).
mm - Masa de granos a secar en una pasada (kg) (Este valor se determina consultando
los documentos técnicos de la entidad).
∅f – Porciento de humedad final del arroz cáscara (Este valor es de un 24 % ya que el
arroz cáscara pierde en una pasada un 6 % de humedad) (Unión de Empresas
Arroceras (UCAIC), 1988).
∅i – Porciento de humedad inicial del arroz cáscara (Este valor es de un 30 %) (Unión
de Empresas Arroceras (UCAIC), 1988).
2.2.4. Cálculo del calor requerido en la torre de secado.
El calor requerido (Qr) en la torre de secado es la cantidad de calor necesario para
disminuir la humedad del arroz cáscara teniendo en cuenta las posibles pérdidas que
se puede tener en esta sección. La ecuación [8] es la empleada para calcular este
parámetro (Incropera & Witt, 1999).
40
Qr = Qútil+Qptc + Qps [8]
En la misma:
Qptc - Calor perdido por las paredes de la torre de secado y el conducto que transporta
el aire caliente desde el horno hasta la torre (Qpt + Qpc).
Qps - Cantidad de calor que es desaprovechado por el aire que sale al ambiente
después del secado.
Calor útil en la torre de secado (Qútil):
Este calor es el que se necesita suministrar al arroz cáscara para elevar su
temperatura hasta la temperatura de secado recomendada (calor sensible) y a su vez
disminuir la humedad del grano hasta el valor normalizado (calor latente). Este valor
es entonces el resultado de la suma de estos dos calores [9].
Qútil = QS+QL [9]
Cálculo del calor sensible en la torre de secado.
Como ya se había dicho con anterioridad este calor es el que se le debe suministrar al
arroz cáscara para elevar su temperatura desde su valor inicial (Ta) hasta el valor
normado para el proceso de secado (Ts). Se determina mediante la expresión [10].
QS = ṁac ∙ Cp ∙ ∆T [10]
En la misma:
ṁac - Flujo másico del arroz cáscara (kg/s).
Cp - Calor específico del arroz cáscara (kJ/kgºC) (Boizán Jústiz & Zhidko, 1986).
∆T - Variación de temperatura (TS − Ta) (Unión de Empresas Arroceras (UCAIC),
1988).
41
Cálculo del calor latente del arroz cáscara.
Para determinar este valor se debe conocer la masa de agua a extraer en una pasada
al volumen de arroz cáscara, valor este determinado con la expresión [7]. La ecuación
[11] relaciona los parámetros.
QL = mw ∙ hfg [11]
En esta:
QL - Calor latente del arroz cáscara (kJ).
mw - Masa de agua a removerse (kg).
hfg - Calor de vaporización del agua (kJ/kg).
Pérdidas de calor en la torre de secado (𝑄𝑝𝑡).
Las pérdidas de calor en la torre de secado se dan por las paredes de la misma.
Teniendo en cuenta el tipo de material de la torre, su conductividad térmica, la
velocidad del viento en la zona geográfica entre otros parámetros se puede definir el
valor de estas.
Coeficiente de convección al interior de la torre de secado (hi).
Este valor se determina mediante la ecuación [12].
hi = Nu ∙k
D [12]
Los parámetros que relaciona esta expresión son:
k - Coeficiente de conductividad de la superficie en contacto (W/mK).
D - Diámetro del conducto (m).
Nu - Criterio de Nusselt.
42
En este caso, como la geometría del conducto no es circular el valor del diámetro es
sustituido por el factor Radio Hidráulico el cual se determina por la ecuación [13].
RH = 4A Pm⁄ [13]
Que relaciona los parámetros:
A - Área de la sección (m2).
Pm - Perímetro de la sección rectangular (m).
Para determinar el valor del criterio de Nusselt se debe calcular el número de Reynolds
[14], considerando la torre de secado como un banco de tubos con arreglo alineado
(Figura 2.2), esto se hace con la metodología siguiente.
Figura 2.2: Características geométricas de la torre de secado.
Para un flujo de aire a través de haces de tubos compuestos por 10 o más líneas
(NL ≥ 10) Grimison obtuvo una correlación de la forma [15]:
Nu = C1 ∙ Rem [15]
Cumpliendo con las condiciones siguientes:
Pr ≈ 0,7 y 2 000 ≤ Remax ≤ 40 000
Donde: C1 y 𝑚 son coeficientes (Incropera & Witt, 1999)
43
El valor del número de Reynolds (Re) como ya se había dicho sale por la ecuación [14].
Re =Vaire∙D
νaire [14]
Si (NL < 10) entonces el valor de Nusselt se calcula utilizando el resultado de la
ecuación [10], afectado por un factor de corrección C2. [16]
Nu(NL
44
Figura 2.3: Resistencias en la pared de la torre de secado.
Fuente: (Espinosa, sf)
R1 =1
hi [18] R2 =
eac
kac [19] R3 =
1
ho [20]
En estas expresiones:
eac - Espesor de la pared (m).
kac - Conductividad térmica del acero (W/mK).
Utilizando estos valores en la ecuación [21] se puede determinar el coeficiente global
de transferencia de calor en las paredes de la torre de secado (Uo).
Uo =1
R1+R2+R3 [21]
Habiendo determinado ya este último parámetro se pueden determinar las pérdidas de
calor en la torre de secado (Qpp) mediante la ecuación [22].
Qpt = Uo ∙ At ∙ (Th − Ta) [22]
Los parámetros que componen esta ecuación ya se determinaron previamente, solo
falta calcular el área de la torre. Conociendo que la torre de secado tiene forma
rectangular el área de la misma se determina por la ecuación [23].
At = (a ∙ l) + 2(a ∙ h) + 2(l ∙ h) [23]
En esta:
45
a – Ancho de la torre (m).
l – Largo de la torre (m).
h - Altura de la torre (m).
Pérdidas de calor en el conducto de aire de la torre de secado (𝑄𝑝𝑐).
Para facilitar este trabajo se hace más conveniente dividir el conducto en cinco
secciones (Figura 2.4).
Figura 2.4: División del conducto de aire en secciones.
Las pérdidas de calor por las paredes del conducto para cada una de las secciones en
que se dividió el mismo se determinan por la ecuación [24]. (ATECYR, 2007)
Qpc = U ∙ AT ∙ ∆T [24]
En esta ecuación:
𝐐𝐩𝐜- Pérdidas de calor por el conducto de aire caliente (W).
𝐔- Coeficiente global de traspaso de calor (W/m2K).
𝐀𝐓- Área total superficial del conducto (m2).
∆𝐓- Diferencia entre la temperatura del conducto (𝐓𝐈) y la temperatura ambiente (𝐓𝐚)
(K).
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Cálculo del coeficiente global de traspaso de calor (U).
El coeficiente global de traspaso de calor se determina en función de la resistencia
térmica de la superficie, ecuación [25].
U =1
Rt [25]
Según (Boizán Jústiz & Zhidko, 1986) el coeficiente de resistencia térmica puede ser
determinado empleando la ecuación [26].
Rt =1
h1+
xp
kp+
1
h2 [26]
Donde:
𝐑𝐭- Coeficiente de resistencia térmica de la superficie del conducto (m2K/W).
𝐡𝟏- Coeficiente de convección interno de la placa del conducto (W/m2K).
𝐡𝟐- Coeficiente de convección externo de la placa del conducto (W/m2K).
𝐱𝐩- Espesor de la placa (m).
kp- Conductividad térmica del material del conducto (W/mK).
El coeficiente de convección externo de la placa del conducto (h2) se determina por la
ecuación [27] (Boizán Jústiz & Zhidko, 1986). Así como el valor del coeficiente de
convección interno de la placa del conducto (h1) se determina con la ecuación [28],
derivada esta de un despeje en la expresión de Nusselt.
h2 = 2,8 + 3Vaire [27]
En esta expresión el parámetro (Vaire) es el valor de la velocidad del aire al exterior del
conducto.
hi =Nu∙d
kaire [28]
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En esta ecuación:
𝐤𝐚𝐢𝐫𝐞- Coeficiente de conductividad térmica del aire (W/mK).
d- Diámetro de la tubería o del conducto.
Como la sección del conducto no es circular el valor del diámetro del mismo es
sustituido por el radio hidráulico (RH) factor este empleado para adecuar la ecuación
de Nusselt a conductos con perfiles no circulares (Esperanza Salinas & Salazar Alvear,
2004). Este valor se determina mediante la expresión [13].
El valor del parámetro Reynolds se determina de la misma manera que en el caso de
las perdidas en la torre de secado [14]. Lo que en este caso por estar en presencia de
un conducto y el cálculo es por el interior del mismo se sigue el siguiente criterio:
Estamos en presencia de un régimen laminar cuando se cumple que Re < 2 300, por
lo que un régimen turbulento seria cuando Re ≥ 2 300. Atendiendo a esto el valor de
Nusselt se determinaría en el primer caso mediante la ecuación [29] y para el segundo
caso empleando la ecuación [30].
Nu = 1,4 ∙ (Re ∙d
l)0,4 ∙ Prf
0,33 ∙ (Prf
Prp⁄ )0,25 [29]
Nu = 0,021 ∙ (Re)0,8 ∙ Prf
0,43 ∙ (Prf1
Prp)
0,25
∙ El [30]
Cálculo del área total de la superficie del conducto.
Este valor se determina sumando las áreas superficiales de cada una de las secciones
en las que se ha dividido el conducto. En el caso de las secciones A y B se deben
determinar cuatro valores de área ya que estas son prismas de cuatro caras, esto no
sucede con las demás secciones, ya que cada una tiene tres caras pues la cuarta es
48
la apertura del conducto que acopla con la torre de secado. Los perfiles que componen
estas superficies son rectangulares y trapezoidales por lo que las áreas de estos se
determinan empleando las ecuaciones [31] y [32] respectivamente.
Arectángulo = a ∙ b [31]
Atrapecio =a+c
2∙ h [32]
Pérdidas de calor por el aire que sale al ambiente después del secado (𝑄𝑝𝑠).
El aire a la salida de la torre de secado va cargado de humedad, por lo que se puede
aplicar la ecuación [10], expresión esta vista ya en pasos anteriores para determinar
calor sensible, con el fin de determinar el calor perdido por este concepto.
En esta expresión se relacionan parámetro tales como: flujo másico de aire necesario
para el secado, extraído de la documentación técnica del ventilador instalado en estos
momentos en la torre de secado, (ṁa) (kg/s); calor específico del aire (Cp) (kJ/kgoC) y
las diferencias de temperatura entre el aire a la salida de la torre y el medio ambiente.
2.2.5. Proceso de calentamiento del aire para el secado del arroz cáscara.
Para calentar el aire del proceso de secado se seleccionó un intercambiador de tubos
y coraza, en este circularán por fuera de los tubos los gases producto del proceso de
combustión de la cascarilla y al interior de los mismos el aire empleado en el proceso
de secado del arroz cáscara. Figura 2.5.
49
Figura 2.5: Esquema del flujo de aire en el intercambiador de calor.
El calor entregado a un tubo del intercambiador de calor depende de su geometría y
de las características del material que lo conforma. El valor de la longitud del tubo se
considerará como un valor prefijado en dependencia del espacio disponible para ubicar
el horno, de esta magnitud dependerán en gran medida el número de tubos a emplear
y por consiguiente la altura y el ancho del intercambiador. La metodología que rige
este proceso de diseño es la siguiente:
Cálculo del calor que se debe entregar a un tubo del intercambiador (𝑄𝑡𝑏).
Cálculo del coeficiente de convección interna en un tubo del intercambiador (hia).
Este valor se determina empleando la ecuación [28], expresión ya trabajada. En la
misma el valor del diámetro a utilizar es el del interior del tubo del intercambiador. El
valor de Nusselt para este caso se determina en función del número de Reynolds. La
disposición de los tubos en el intercambiador de calor será en tresbolillo por lo que se
puede determinar el valor de Nusselt por la ecuación [33].
Nu = Rem ∙ C1 [33]
Aire Frío
Aire Caliente
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Donde:
m y C1 son constantes cuyos valores dependen a la disposición en tresbolillo de los
tubos del intercambiador (Incropera & Witt, 1999).
Cálculo del coeficiente de convección externo del intercambiador (hog)
Este parámetro se determina mediante la ecuación [34].
hog = 2,8 + (3 ∙ Vgc) [34]
En esta ecuación:
Vgc – Velocidad de los gases de la combustión (m/s).
Como los gases de la combustión son los que van a circular por fuera de los tubos, es
necesario conocer la velocidad de los mismos. Para determinar este parámetro es
preciso primeramente calcular el tiro de la chimenea. Este se determina por la ecuación
[35] (Trinks & Mawhinney, 1975).
Tiro (mmH2O) = 4.63 ∙ B ∙ (1
Tc−
w1
Tg) ∙ X [35]
Donde:
B - Presión atmosférica (cmHg).
W1 - Densidad de los gases de combustión (kg/m3).
X - Altura de la chimenea.
Tc - Temperatura del aire ambiente (K).
Tg – Temperatura de los gases en la chimenea (K).
Una vez calculado el tiro de la chimenea, la velocidad de los gases de escape se
puede determinar por la ecuación [36]:
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Vgc = √Tiro ∙ 19,6 ∙1
ρh [36]
Donde:
ρh = ρc ∙ W1 - Densidad de los gases de la combustión (kg/m3).
ρc - Densidad del aire (kg/m3).
W1 - Densidad específica de los gases de la combustión.
Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor en el tubo.
Como ya se había hecho con anterioridad este valor se puede determinar empleando
la analogía eléctrica (Figura 2.6).
Figura 2.6: Esquema de las resistencias térmicas en la pared del tubo.
Fuente: (Espinosa, sf)
R1 =r2
r1hia [37] R2 = r2
ln(r2r1
)
kac
