ESTUDIO PARA EL MEJORAMIENTO DE EFICICENCIA ENERGETICA DEL SISTEMA BLOWER DE LA MAQUINA COLOR LINER EN LA INDUSTRIA EL

PAIS S. A.

FABIO ANTONIO VELASQUEZ TOVAR MANUEL ALEJANDRO VALENCIA PANTOJA

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2014

ESTUDIO PARA EL MEJORAMIENTO DE EFICICENCIA ENERGETICA DEL SISTEMA BLOWER DE LA MAQUINA COLOR LINER EN LA INDUSTRIA EL

PAIS S. A.

FABIO ANTONIO VELASQUEZ TOVAR MANUEL ALEJANDRO VALENCIA PANTOJA

Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico

Director BRIAN QUINTERO ARBOLEDA

Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2014

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Nota de aceptación: Aprobado por el comité de grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecánico JUAN RICARDO VIDAL ____________________________

Jurado CARLOS EDUARDO CASTANG _____________________________

Jurado

Santiago de Cali, 4 de Agosto de 2014

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AGRADECIMIENTOS

En primer lugar a Dios por darnos la oportunidad de llegar a esta etapa de nuestros estudios, a nuestros padres que siempre han creído en nosotros y nos han apoyado en las diferentes etapas de nuestras vidas, al periódico EL PAIS S.A por habernos dado la oportunidad desarrollar este estudio en sus instalaciones y brindarnos todas las herramientas necesarias para finalizar el proyecto y al profesor Brian Quintero quien nos mostró su interés de dirigir nuestro trabajo de grado, por su confianza, colaboración y apoyo en este proceso.

5

CONTENIDO

Pág.

RESUMEN 13

INTRODUCCIÓN 14

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 20

2. JUSTIFICACION 21

3. OBJETIVOS 22

3.1 OBJETIVO GENERAL 22

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 22

4. MARCO DE REFERENCIA 23

4.1 MARCO TEÓRICO 23

4.1.1 PRESIONES TOTAL, ESTÁTICA Y DINÁMICA Y ENERGÍA TOTAL. 24

4.1.2 ECUACIÓN DE CONTINUIDAD. 25

4.1.3 ECUACIÓN DE ENERGÍA DE FLUJO. 26

4.1.4 EJECUCIÓN DEL PROYECTO. 27

4.1.5 CLASIFICACIÓN DE LOS VENTILADORES. 28

4.1.6 COSTOS DE ELECTRICIDAD. 30

4.1.8 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN 32

5. PROCESO PRODUCTIVO DE IMPRESIÓN DE PERIÓDICO 34

5.1 PROCESO DE ENSAMBLE DE LA INFORMACIÓN 35

5.2 PROCESO DE PRE IMPRESIÓN 35

6

5.3 PROCESO DE IMPRESIÓN 35

5.4 PROCESO DE PLEGADO Y CORTE 37

5.5 SISTEMA DE GENERACIÓN DE AIRE ACTUAL 40

5.6 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL VENTILADOR 43

5.7 DIMENSIONES DEL MOTOR 45

5.8 DIMENSIONES DEL VENTILADOR 46

6. PROCEDIMIENTOS PARA EL ANALISIS Y LA DETERMINACION DE LAS NECESIDADES ENERGETICAS DEL SISTEMA ACTUAL 47

6.1 PROCEDIMIENTOS PARA EL ANÁLISIS DEL SISTEMA ACTUAL 47

6.2 ELEMENTOS PARA EL CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS ENERGÉTICAS EN EL SISTEMA ACTUAL 49

7. ESTUDIO ENENRGETICO DEL SISTEMA DE VENTILACION ACTUAL: IDENTIFICACION DE LOS PUNTOS DE PERDIDA DE ENERGIA 52

7.1 MEDICIONES EN EL SISTEMA DE GENERACIÓN ACTUAL 52

8. DETERMINACIÓN DE LA VENTILACION REQUERIDA DEL SISTEMA EN LAS BARRAS ANGULARES Y LOS EMBUDOS 61

9. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN 65

9.1 PRIMERA ALTERNATIVA DE SOLUCIÓN PARA EL SISTEMA DE GENERACIÓN DE AIRE 65

9.3 PRUEBA DE CAMPO PARA DETERMINAR LA VIABILIDAD DEL PROYECTO 70

9.4 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS 72

CUADRO 17. DIMENSIONES DEL VENTILADOR DE VÓRTICES 74

7

9.5 ANÁLISIS DE LA EVALUACIÓN DE LA NECESIDADES DE AIRE 75

10. COMPRACION ECONOMICA DE LA PROPUESTA ESCOGIDA CON EL SISTEMA ACTUAL 77

10.1 EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL SISTEMA DE GENERACIÓN DE AIRE ACTUAL 77

10.2 BENEFICIOS TÉCNICOS DE LA PROPUESTA ESCOGIDA 80

11. CONCLUSIONES. 89

BIBLIOGRAFÍA 91

ANEXOS 93

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LISTA DE CUADROS

Pág. Cuadro 1. Características del ventilador 43

Cuadro 2. Características del motor acoplado al ventilador 44

Cuadro 3. Dimensiones del ventilador 46

Cuadro 4: Características del flujo en la salida de las barras angulares 53

Cuadro 5. Características del flujo en la salida de los embudos 54

Cuadro 6: Energía cinética de entrada en el sistema 56

Cuadro 7: Corriente en las tres líneas de tensión del motor del ventilador 56

Cuadro 8: Pérdidas de Presión en el sistema actual 57

Cuadro 9 Tabla resumen de Energía del sistema de ventilación 59

Cuadro 10. Características del ventilador de vórtices SB 530 66

Cuadro 11. Características del ventilador de vórtices SB 530 66

Cuadro 12. Características del ventilador de vórtices 71

Cuadro 13. Características del motor acoplado al ventilador de vórtices 71

Cuadro 14. Características del flujo en la salida de una barra angular 72

Cuadro 15: Características del flujo en salida de las barras angulares 73

Cuadro 16. Características del flujo en la salida de los embudos 73

Cuadro 17. Dimensiones del ventilador de vórtices 74

Cuadro 18. Promedio total del tiempo de producción 77

Cuadro 19.: Parámetros de evaluación del ventilador 78

Cuadro 20. Costos totales de generación de aire del sistema actual 79

9

Cuadro 21. Parámetros de evaluación de los DOS ventiladores SB 310 operando 81

Cuadro 22. Parámetros de evaluación de los TRES ventiladores SB 310 operando 81

Cuadro 23: Beneficios de ahorro energético de la segunda propuesta 82

Cuadro 24. Costos de producción de aire de los tres ventiladores 84

Cuadro 25. Costos de producción de aire de los dos ventiladores 84

Cuadro 26. Beneficios por ahorro económico de la segunda propuesta 85

Cuadro 27. Costos de inversión de la segunda propuesta 86

Cuadro 28. Parámetros económicos de la segunda propuesta 87

Cuadro 29. Tasa interna de retorno de la segunda propuesta 88

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LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Participación del consumo de energía por sectores – 2008 15

Figura 2. Consumo final de energía por energético - Sector industrial 2008 16

Figura 3. Flujo del aire en un conducto cerrado 18

Figura 4. Ventilador Centrífugo del sistema actual 18

Figura 5. Diagrama de flujo en una tubería. 26

Figura 6. Rotores para ventiladores centrífugos 29

Figura 7. Soplador Samos 29

Figura 8. Manómetro análogo 32

Figura 9. Pinza amperimétrica 33

Figura 10. Cilindros de impresión 36

Figura 11. Barras angulares de la maquina rotativa 37

Figura 12. Embudos de la maquina rotativa 38

Figura 13. Rodillos móviles 38

Figura 14. Circulación del papel por el embudo 38

Figura 15. Circulación del papel por las barras angulares 39

Figura 16. Circulación del papel por el folder 39

Figura 17. Sistema de distribución de los conductos del sistema 42

Figura 18. Conexión del ducto a las barras angulares 42

Figura 19. Clases de eficiencia IE para motores 2 polos 44

Figura 20. Dimensión del motor Frame 324TZ 45

11

Figura 21. Perfil del ventilador multietapas 45

Figura 22. Dimensiones del ventilador 46

Figura 23. Medición del flujo de aire en las barras angulares 48

Figura 24. Manómetro en la descarga de las barras angulares 48

Figura 25. Puntos de medición de caudal y velocidad en las barras angulares 54

Figura 26. Puntos de medición de caudal y velocidad en los embudos 55

Figura 27. Distancia entre barras angulares 61

Figura 28. Distancia en embudos 62

Figura 29. Sistema de distribución de ductos de la primera propuesta 67

Figura 30. Sistema de distribución de los ductos de la segunda propuesta 69

Figura 31. Acotado del ventilador de vórtices 74

Figura 32. Histograma del consumo energético del sistema actual y la segunda propuesta 83

Figura 33. Porcentaje de ahorro energético de la segunda propuesta 83

Figura 34. Histograma de los costos de producción del sistema actual y la segunda propuesta 85

Figura 35. Porcentaje de ahorro económico de la segunda propuesta 86

Figura 36. Grafica Tasa interna de retorno 88

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LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo A. Identificación de los tramos del sistema de distribución de ductos actual 93 Anexo B. Tabla de características de cada tramo del sistema de distribución actual 94 Anexo C. Nomograma para secciones circulares 95 Anexo D. Factor de corrección para la rugosidad 96 Anexo E. Coeficiente “n” de pérdidas de carga en codos 97 Anexo F. Coeficiente “n” de pérdidas para cambios de sección 98 Anexo G. Coeficiente “n” de pérdidas de carga para separación de caudal 98 Anexo H. Pérdidas de Presión en el Sistema Actual (mmcda) 99 Anexo I. Perdidas Primera Alternativa 100 Anexo J. Perdidas Segunda Alternativa 101 Anexo K. Promedio total del tiempo de producción 102 Anexo L. Diagrama de Moody 102

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RESUMEN El proceso de impresión utilizado en la empresa de EL PAIS S.A. es la impresión offset o litográfica en donde se utilizan en grandes volúmenes de impresión rápida, en la cual la impresión se efectúa sobre un rollo continúo de papel. Para el desarrollo del proceso de impresión se debe tener un sistema de generación de aire en este caso llamado Blower, con el objetivo de producir el flujo necesario para crear un colchón de aire entre el papel y el acero inoxidable, que es el material de la superficie de las barras angulares y los embudos, ellos se encargan de direccionar el papel, para que sean plagado y cortado correctamente. El sistema de generación de aire de la máquina de impresión del periódico EL PAIS S.A. utiliza un ventilador sobredimensionado para las presentes necesidades del sistema, ya que la cantidad de barras angulares y los embudos utilizados actualmente han disminuido, debido a que se redujo el uso las unidades de impresión de la máquina. Debido a esta situación la empresa decidió realizar una búsqueda de alternativas que incrementen la eficiencia en el proceso productivo que permite un mayor beneficio económico. Desarrollando un estudio para mejorar la eficiencia del sistema BLOWER. Al sistema de generación de aire actual se le realiza un estudio de las distintas pérdidas que presenta actualmente, para identificar los puntos de mayor consumo de energía con el fin de determinar la ventilación de aire requerida para las barras angulares y embudos del proceso de impresión. Al conocer las pérdidas del sistema se Proponen dos alternativas que mejoren la eficiencia energética del sistema actual de generación de aire, y que además cumpla con las condiciones requeridas de ventilación para la maquina rotativa Color Liner, evaluando los beneficios técnicos y económicos de la propuesta escogida y compararlos con el sistema actual de la máquina.

Aire, ventilador, motor, barras angulares, embudos, blower, caudal.

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INTRODUCCIÓN La eficiencia energética se define como un concepto de cadena productiva, dinámico, en permanente cambio de acuerdo con los nuevos enfoques del desarrollo sostenible. Por otra parte la eficiencia energética está relacionada con la disminución de los impactos ambientales, el incremento de la productividad, el manejo eficiente de los recursos y en los procesos productivos.1 El uso eficiente de la energía representa una de las más importantes opciones tecnológicas para afrontar los problemas del alto consumo de energía. El uso eficiente de la energía no consiste en racionar o reducir los servicios que la energía presta sino en la forma más económica de utilizarla. El PROURE o el (programa de uso racional y eficiente de energía en Colombia) es la asociación de diferentes actores públicos y privados liderados por el Ministerio de Minas y Energía. Dicho programa tiene como objetivo fundamental el mejoramiento de la eficiencia energética en los sectores de consumo y el impulso de fuentes no convencionales de energía. Lo anterior al ser implementado en una empresa logra un incremento en la productividad, una disminución del impacto ambiental. Al ser aplicado dicho programa también se da un manejo eficiente de los recursos y un mejoramiento de la calidad de vida y un acceso a fuentes limpias y renovables para todos los ciudadanos. El PROURE constituye uno de los mecanismos de mayor importancia e impacto en el país. Permite asegurar el abastecimiento energético, la competitividad de la economía nacional, entre otros. Colombia es un país abundante en recursos naturales para la generación de energía, lo cual garantiza la disponibilidad de estos para suplir la demanda interna. El sector de transporte fue el mayor consumidor de energía en el 2008 con 242.575 Tcal, seguido por el sector industrial y residencial. En la figura 1 se representa la participación porcentual del consumo final por sectores en el 2008. El sector residencial presenta una participación de 21,2 %. El 1Programa de uso racional y eficiente de energía y fuente no convencionales – PROURE [en línea]: Plan de acción indicativo 2010 – 2015, resumen ejecutivo. Bogotá D.C.: Ministerio de Minas y Energía, Mayo 31 de 2010 [Consultado 15 de Febrero de 2011]. Disponible en internet: http://www.minminas.gov.co/minminas/downloads/UserFiles/File/ENERGIA/URE/Informe_Final_Consultoria_Plan_de_accion_Proure.pdf

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sector industrial participa con 26,3 %. El sector de transporte, participa más de un tercio de la demanda nacional y participa con 38,3 %. Figura 1. Participación del consumo de energía por sectores – 2008

Fuente: Programa de Uso Racional y Eficiente de Energía y fuentes no convencionales– PROURE El sector energético de mayor consumo en el sector industrial es el gas natural, seguido por la energía eléctrica, el carbón mineral y el bagazo. El sector industrial solo consume el 18,7 % en energía eléctrica, el restante 81,3 % son otros energéticos, principalmente utilizados para procesos térmicos, el 12,1% de los energéticos consumidos por el sector industrial renovables (bagazo, leña y biodiesel) mientras que los derivados del petróleo alcanzan el 50 % de participación.

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Figura 2. Consumo final de energía por energético - Sector industrial 2008

Fuente: Programa de Uso Racional y Eficiente de Energía y fuentes no convencionales– PROURE Un porcentaje aproximado de la energía eléctrica que se utiliza en la industria colombina es 70 % y se asocia al uso de los motores eléctricos. Entre las opciones de eficiencia energética para este uso, se destaca la utilización de motores de alta eficiencia, el dimensionamiento adecuado del motor e implementación de programas de mantenimiento. Las principales perdidas eléctricas provienen del uso de motores, transformadores y líneas de distribución. El 70% del consumo eléctrico en una industria, es generado por motores eléctricos, los cuales son objetivos principales en cualquier proyecto de eficiencia energética. Para ventilar un espacio, un recinto o una máquina, es muy común conectar el ventilador a un conducto, para así poder circular el aire hasta el lugar deseado. El circular el aire por medio de los conductos hace que se absorba energía del ventilador que lo impulsa, debido a roce de las paredes, los cambios de dirección o los obstáculos que encuentren en su paso. Como el consumo de energía de un ventilador es directamente proporcional a la presión total de trabajo, la rentabilidad del sistema exige que se minimice esta parte de energía consumida, mediante un

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buen diseño de canalización con los materiales, accesorios y una distribución adecuada.2 En la industria existen muchos sistemas productivos que consumen energía, la cual se haya como energía potencial, energía cinética, energía eléctrica, energía de presión etc. En un sistema de ventilación se encuentran varios tipos de energía, siendo las más importantes la energía cinética, la energía de presión y la energía potencial. La Energía cinética, es la energía contenida en el fluido por su movimiento, la energía potencial es la ejercida por la gravedad en el fluido y es conocida como la energía almacenada en el sistema. Finalmente se tiene la energía de presión, la cual está asociada al trabajo que debe realizarse para mover el fluido de un punto a otro. En un sistema de ventilación la presión se define como fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de aire, se habla de presión solo cuando se trata de gas o líquido, mientras que la contra parte de la presión en solidos es un esfuerzo normal, Si un fluido ideal fluye a velocidad constante por una tubería horizontal de sección trasversal constante, la presión será constante a lo largo de la tubería. Pero no para un fluido real, en el cual hay una resistencia que ejercen las paredes interiores de la tubería sobre las capas del fluido que están en contacto con ellas¬ dando lugar a unas fuerzas internas que ejerce cada capa de fluido sobre la adyacente que se está moviendo con distinta velocidad. Estas fuerzas se llaman fuerzas viscosas. Para vencer estas fuerzas de resistencia se necesita una diferencia de presión, por lo que en realidad la presión no es constante. Sea P1 la presión en el punto 1, y P2 la presión en el punto 2 a la distancia L, siguiendo la dirección de la corriente. 2Manual práctico de ventilación, Catalogo Técnico [En línea]. Barcelona, SALVADOR ESCODA S.A., 2a edición [Consultado el 3 de Julio, 2010]. Disponible en internet: http://www.salvadorescoda.com/tecnico/ve/Manual-Ventilacion.pdf

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Figura 3. Flujo del aire en un conducto cerrado

Fuente: Módulo 3 fluidos reales –. Disponible en internet: http://www.nebrija.es/~cmalagon/Fisica_Aplicada/transparencias/03-Fluidos/12_-_fluidos_reales.pdf La planta de impresión de EL PAIS S.A. utiliza un sistema de ventilación para generar una corriente de aire que fluye por medio de una serie de conductos, desde un ventilador centrífugo hasta las barras angulares y embudos que son los elementos por donde descarga el aire. El sistema tiene como objetivo generar un colchón de aire que disminuye la fricción entre el papel de impresión y el acero inoxidable, que es el material de las barras angulares y los embudos, siendo estos los elementos que permiten direccionar el papel

Figura 4. Ventilador Centrífugo del sistema actual

La máquina rotativa fue diseña con ocho unidades de impresión y por cada unidad se utilizan dos (2) barras angulares, en total se utilizaban 16 barras angulares, y para plegar el periódico usaban cuatro (4) embudos en toda la máquina. En la actualidad la maquina imprime utilizando como máximo tres (3) unidades de impresión, y utiliza máximo 6 barras angulares y 2 embudos. Sin embargo en la

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mayoría de los trabajos realizados por la máquina, esta solo utiliza dos (2) unidades y en ocasiones utiliza solo una unidad, por lo tanto, disminuye el uso de la barras angulares y los embudos, que frecuentemente están descargando aire aun sin ser utilizadas. Este proyecto propone buscar alternativas que mejore técnica y económicamente el sistema de generación de aire actual de la máquina de impresión de la empresa EL PAÍS S.A., que descarga el aire por las barras angulares y los embudos. Para realizar el análisis del sistema actual se toma las presiones estáticas en la salida del ventilador, barras angulares y embudos. Las mediciones del caudal y velocidad del aire se hicieron mediante un anemómetro el cual fue ubicamos de manera manual a distancia de 20 cm de los agujeros del embudo y de las barras angulares. Se realizan mediciones de corriente eléctrica ubicando la pinza amperimétrica en las tres líneas de tensión del motor, para así determinar la carga que le genera al motor, ventilar el aire por los conductos del sistema actual. Para calcular las pérdidas de forma práctica se utilizan nomogramas confeccionados, conociendo caudal y el diámetro del ducto, se relaciona con el nomograma y se determina la velocidad del aire, el factor de pérdida de carga en tramos rectos y el factor de pérdida de carga en mangueras flexibles. Calculando uno a uno los accidentes de la tubería y sumado los tramos rectos, se obtiene la perdida de carga total del sistema de conducción. Durante el transcurso del proyecto se evalúa las características del flujo en puntos principales del sistema, mediante herramientas de medición, tales como el anemómetro que determina el caudal y la velocidad del aire y el manómetro que permite medir la presión estática, para así analizar el comportamiento del flujo en las descargas del sistema, esto se puede observar en el CAPITULO 7. También se usó nomogramas para determinar las pérdidas de carga en los conductos rectos, codos, reducciones y salidas del aire, para comparar con los análisis prácticos y dar conclusiones del sistema. ANEXO H, I, J. Basado en los análisis teóricos y prácticos del sistema actual, se proponen alternativas que disminuyan el consumo energético, con el fin de minimizar los costos de generación de aire en la máquina, luego se utilizan herramientas financieras para evaluar la alternativa y justificar su elección. CAPITULO 9.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La búsqueda de alternativas que incrementen la eficiencia en los procesos productivos es uno de los objetivos primordiales de las empresas, ya que permite un mayor beneficio en sus economías y su entorno. El ahorro energético se ha vuelto una prioridad, debido al constante aumento del costo en los combustibles fósiles y al gran impacto ambiental que este ocasiona a la atmosfera. El sistema de generación de aire BLOWER de la máquina de impresión del periódico EL PAIS S.A. utiliza un ventilador sobredimensionado para las actuales necesidades del sistema, ya que la cantidad de barras angulares y los embudos utilizados anteriormente disminuyó, debido a que se redujo el uso las unidades de impresión de la máquina. Además la distribución de los conductos y los elementos utilizados no son los más convenientes, ya que generan mayores pérdidas de presión, y para un alto diferencial de presión y volumen elevado es necesario un ventilador de mayor potencia, para así poder vencer la resistencia generada. Este alto consumo de energía representa un porcentaje de los costos de producción, siendo estas razones suficientes para buscar alternativas que mejoren la eficiencia energética del sistema de generación de aire.

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2. JUSTIFICACION

El estudio de alternativas en generación de aire que permitan ahorrar energía es necesario para aumentar la productividad en la producción de periódico. Para hacer el estudio del sistema de generación de aire BLOWER actual hay que determinar la cantidad de cfm reales que llegan a la máquina y realizar un estudio de eficiencia energética al sistema en general para definir los puntos críticos que este tiene, luego plantear varias alternativa de inversión. El PAIS S.A cuenta con los equipos necesarios para las mediciones, que permitirán comprobar la presión en determinados puntos de la red de tuberías para calcular las pérdidas de presión. Este estudio beneficiaria a toda la empresa y en general a la comunidad contribuyendo al ahorro de energía y así al cuidado del medio ambiente.

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3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL Realizar un estudio para mejorar la eficiencia del sistema BLOWER, que permita un ahorro económico para la compañía.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar un estudio de las distintas pérdidas que se presentan actualmente en

el sistema de generación de aire de la maquina Color Liner, para identificar los puntos de mayor consumo de energía.

Determinar la ventilación de aire requerida para la maquina Color Liner en las barras angulares y embudos, necesaria para evitar el rozamiento del papel cuando pasa por estos sectores.

Proponer alternativas que mejoren la eficiencia energética del sistema actual de generación de aire, y que además cumpla con las condiciones requeridas de ventilación para la maquina rotativa Color Liner.

Evaluar los beneficios técnicos y económicos de la propuesta escogida y compararlos con el sistema actual de la maquina Color Liner.

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4. MARCO DE REFERENCIA

4.1 MARCO TEÓRICO Para ventilar una maquina o un espacio, se extrae o se impulsa el aire por medio de un ventilador que lleva el fluido a través del conducto al lugar deseado. Al fluir el aire por el conducto se crean pérdidas de energía debido al roce con las paredes, cambio de dirección y obstáculos que se encuentren en la trayectoria. Lo anterior afecta la eficiencia energética de la instalación partiendo que tanto el consumo de energía de presión y de energía cinética del fluido no son minimizadas. Debido a que el consumo de energía eléctrica del motor de un ventilador es directamente proporcional a la energía total a la que trabaja, se debe examinar el diseño del conducto para tratar de disminuir lo más posible un consumo innecesario. En un sistema de ventilación la pérdida de energía o de carga se puede calcular por la fórmula de Darcy - Weisbach (ver ecuación 1) que contempla la longitud de la conducción, el diámetro hidráulico, la velocidad y densidad del aire, el coeficiente de rozamiento, del número de Reynolds, de la rugosidad de las paredes, de las dimensiones y disposición del mismo, son variables necesarias para el cálculo de la perdida de carga. Esta pérdida se puede dar en metros de columna de agua o en kJ/kg. Sin embargo puede volverse muy engorroso mediante esta fórmula, en donde solo puedes obtener resultados aproximados debido a que la rugosidad, la densidad y la viscosidad pueden variar.

Para calcular las pérdidas de forma práctica se recurre a nomogramas confeccionados mediante pruebas experimentales realizadas en laboratorio. Las canalizaciones de aire no siempre se componen de tramos rectilíneos sino que a menudo se presentan obstáculos en su trayectoria que obligan al uso de accesorios como: codos, tes, yes, reducciones etc., los cuales provocan una

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pérdida de carga. En consecuencia, será necesario calcular las pérdidas de cada uno de los accesorios y sumarlas a las de los tramos rectos. El método más utilizado para calcular la pérdida debida a los accesorios en un conducto, es el método del coeficiente n, que se basa en calcular la perdida de carga de un elemento de la conducción en función de la presión dinámica, Pd, del aire que circula y de unos coeficientes n de proporcionalidad, determinados experimentalmente, para cada uno según su forma y dimensiones. La ecuación 2 es la fórmula utilizada para calcular la perdida de carga:

De esta forma se calcula una a una las pérdidas por los accesorios que, sumados a los de los tramos rectos, nos proporcionaran la pérdida de carga total del sistema de conducción.

4.1.1 Presiones Total, Estática y Dinámica y Energía Total. La Presión Total (PT) se define como la suma algebraica de las presiones estática y dinámica:

Esta presión puede ser positiva o negativa con respecto a la presión atmosférica, y es una medida del contenido energético del aire, por lo que va siempre descendiendo a medida que se produce el avance del aire por el interior del conducto. Únicamente aumenta al pasar a través del ventilador. La Presión Estática (PE) se define como la presión que tiende a expandir o colapsar el conducto. Normalmente se mide con un manómetro de columna de agua. La presión estática puede ser positiva o negativa con respecto a la presión atmosférica local, pero debe medirse perpendicularmente a la dirección del flujo de aire. La Presión Dinámica (PD) se define como la presión requerida para acelerar el aire desde velocidad cero hasta una cierta velocidad (V), y es proporcional a la energía cinética de la corriente de aire. La relación entre PD y V viene dada por la ecuación (4): Suponiendo que el aire está en condiciones estándar

(

)

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La presión dinámica siempre va en la dirección del flujo y es positiva. Energía total (ET): En un sistema de fluidos la energía total generada por la presión es igual a la presión total del sistema dividido por la densidad del fluido.:

La ecuación anterior nos muestra el consumo de energía por unidad de masa del sistema.

4.1.2 Ecuación de Continuidad. El paso del aire a través de ductos en los sistemas de ventilación, en general se efectúa bajo las condiciones llamadas flujo estacionario, o flujo permanente. Flujo estacionario quiere decir que el flujo del fluido en cualquier punto en una sección de ducto es igual al área y cambio de velocidad. Se puede usar la ecuación de continuidad (ecuación 5) para demostrar cómo se afecta la velocidad por los cambios en el tamaño del ducto.

Dónde:

En el caso particular de los flujos, donde las presiones son menores a 2,0 kPa, el aire y muchos otros gases pueden ser tratados como si fueran incompresibles. Así es decir, la densidad del aire o gas se mantiene constante:

Despejando

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La velocidad varía en proporción inversa a la superficie de la sección transversal. Si aumenta el tamaño del ducto, la velocidad disminuye.

4.1.3 Ecuación de Energía de Flujo. Cuando se aplica el principio del balance de energía al flujo en un ducto, se puede enunciar por la siguiente ecuación: (entre los puntos 1 y 2)

O bien:

La energía del fluido en cualquier punto consiste de presión, velocidad (energía cinética) y elevación (energía potencia). La energía agregada puede ser la de un ventilador. La energía perdida se debe a la fricción. Puede haber otros cambios de energía, por ejemplo, un cambio de temperatura, pero en general son pequeños y se puede ignorar. Si se expresa el balance de energía en forma de ecuación, se emplean unidades de carga de presión, y se tiene

Figura 5. Diagrama de flujo en una tubería.

Fuente: M. Olmo. R Nave - Calculo de Bernoulli. Disponible en internet http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/pber.html

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A la ecuación de energía de flujo se le llama también ecuación generalizada de Bernoulli.

4.1.4 Ejecución del proyecto. Un sistema de aireación bien proyectado y ejecutado, orientado hacia el ahorro de energía, debe contar con equipos eficientes, uso de combustibles económicos o fuentes de energía alternativas y a esto debe agregarse una correcta operación, mediante velocidad de distribución de fluidos, tiempos de utilización y sistemas de control óptimos. Los proyectos deben realizarse en función de la característica de la instalación y estructurados de manera coherente, debiéndose efectuar un balance energético con un análisis económico para definir la solución más conveniente. Al tratarse este proyecto de un sistema de aireación, la eficiencia energética se centrara en el uso adecuado de la presión, caudal y la velocidad requerida. Que son tipos de energía que se pueden cuantificar y comparar cuánto vale su generación en toneladas equivalentes de petróleo (Tep). Debe fraccionarse la capacidad de los equipamientos a fin de adaptar la producción de aire a la demanda del sistema en la magnitud y momento que se produce, con objeto de conseguir en cada instante, el régimen de potencia más cercano al de máximo rendimiento. Un punto crítico en la fase del diseño lo constituye muchas veces la falta de datos ciertos y significativos sobre las características de las necesidades de acondicionamiento y su programa de desarrollo a corto, medio y largo plazo debido a las continuas innovaciones y modificaciones tecnológicas, por lo que se

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debe contar con una información completa y lo más actualizada posible, con objeto de prever los futuros cambios en los procesos, que permitan una adecuada planificación del proyecto orientado al ahorro energético.

4.1.5 Clasificación de los ventiladores. Para aumentar la presión del aire y mover este u otros gases se utilizan ventiladores y sopladores los cuales se diferencia por su forma y la presión que pueden manejar debido a su diseño: Los ventiladores se diseñan para operar a presiones estáticas pequeñas hasta 2 psi (13.8 kpa.) Pero las presiones comunes de operación para ventiladores son desde 0 hasta 6 in H2O. A presiones desde 2 psi hasta aproximadamente 10 psi (69 kPa), el ventilador que genera el movimiento del gas se le llama soplador. Los diferentes tipos de ventiladores incluyen los ventiladores axiales, ventiladores centrífugos y ventiladores de vórtices. Los ventiladores axiales se componen de dos a seis aspas. Toman el aire desde un lado y lo descargan del otro lado en una dirección axial. Normalmente estos ventiladores son utilizados en las viviendas para mejorar el confort personal, en los edificios para introducir aire fresco o liberar el aire hacia fuera, o también en los techos o parte superiores. Este tipo de ventiladores operan a presiones estáticas iguales a cero. También se puede encontrar ventiladores que son montados dentro de ductos cilíndricos, el ducto puede ser parte de un sistema de ductos más grandes que entregan aire o lo liberan desde un área remota. Estos ventiladores de ductos pueden operar contra presiones estáticas de hasta 1.5 inH2O. En los ventiladores centrífugos el aire entra al impulsor, el cual le agrega energía cinética impulsándolo hacia la descarga. Se colecta por la voluta que rodea el rotor el gas a alta velocidad, donde la energía cinética se convierte en una presión de gas aumentada para entregarse a través de un sistema de ductos. Para la construcción del rotor existen tres diseños básicos, como se muestra en la figura 6.

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Figura 6. Rotores para ventiladores centrífugos

Fuente: Fumeinsac, fundición mecanizada y ventilación industria. Disponible en internet. http://www.fumein.com/ventiladores-centrifugos.html El ventilador de vórtices genera un flujo de aire de alta presión durante cada rotación. El impulsor tiene de 30 a 50 alabes, que crea un cavidad de aire. El aire que entra a esta cavidad es acelerado en dos direcciones, axial y radial. El aire que entra del exterior a la cámara anular es redirigido sucesivamente en cada cavidad del impulsor rotante. Este flujo de aire forma un vórtice o patrón de resorte estirado, como se observa en la figura 5. Figura 7. Soplador Samos

Fuente: Busch. Bombas y sistemas de vacio. Disponible en internet. http://www.busch.co.uk/p-ContactFree-Samos-ops.htm Las características más destacas del ventilador son: El impulsor gira sin ningún contacto entre este y las carcasa No requiere lubricación interna Es robusto El flujo de aire está libre de aceite

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Bajo costo de mantenimiento Ocupa menos espacio Rota en ambas direcciones Tiene una construcción compacta y ligera

4.1.6 Costos de electricidad. El caudal y la caída de presión son los parámetros más importantes para seleccionar un ventilador, a partir de estos se determina el tipo de ventilador, la potencia y revoluciones del motor. Las horas anuales de uso del motor constituyen uno de los parámetros básicos para evaluar un proyecto de eficiencia energética, ya que los beneficios del proyecto varían en forma lineal con el tiempo de uso del equipo. Para estimar los costos electricidad del ventilador )se realiza mediante la siguiente ecuación:

⁄ ⁄

⁄ ⁄

⁄ ⁄

Dónde: ⁄ ⁄ ⁄ )

4.1.7.1 El valor del dinero en el tiempo. En los proyectos de inversión es normal que los beneficios y los costos ocurran durante cierto periodo de tiempo en vez de ocurrir en el momento de la compra. Por lo tanto, los análisis financieros y estudios de costo-beneficio deben incluir los efectos a futuro de las decisiones actuales. Ya que una determinada cantidad de dinero disponible ahora puede disminuir su valor en el futuro.

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Debido a que la inversión tiene un retorno esperado positivo, y al hecho que el consumo presente se valore más que el consumo futuro hace que los que toman préstamos estén dispuestos a pagar un interés por dichos préstamos. La diferencia entre el monto de dinero que se recibe hoy y el monto que se debería recibir dentro de un año, que rinda un valor equivalente, puede ser expresado como un porcentaje; y es llamado, la tasa de descuento. 4.1.7.2 Tasa de interés. La tasa de interés se usa para estimar el valor del dinero a determinado tiempo. Visualizando el costo del crédito o el retorno de la inversión. Las tasas de interés usadas para estimar el valor de los pagos actuales que se anticipan a pagos a futuro son las tasas de descuento. Las tasas de interés más importantes son: real, nominal, y social. Las instituciones crediticias, para financiar los préstamos se basan en la tasa de interés nominal. El factor que toma en cuenta los cambios anticipados en el nivel general de precios (inflación) está incluido en el costo del préstamo. Retirando de la tasa de interés nominal el ajuste por inflación, se obtiene la tasa de interés real y el costo real del préstamo.

Por ejemplo, un inversionista obtiene de un banco un préstamo de $100 a 10% por un año. Al final del año, el inversionista debe pagar $110 dólares. Sin embargo, si durante ese año la tasa de inflación fue de seis por ciento, el banco recibiría $10 en intereses, pero también perdería $6 del valor de los $100 que prestó. Consecuentemente, solo ganaría $4 de interés real. En forma de ecuación, la tasa de interés nominal (i) es igual a la tasa de interés real más la tasa esperada de inflación :

(14)

4.1.7.3 Valor presente del dinero VAN. El valor presente del dinero proporciona el valor esperado de los beneficios, como si se realizara de forma inmediata, en lugar de distribuirlos en el tiempo y para ello se debe aplicar el factor de descuento a cada flujo. La tasa de descuento que se utiliza, es la tasa de interés del 4% que maneja el banco de la república.

Teniendo los beneficios, los costos de inversión, el tiempo de evolución del proyecto y la tasa de descuento se procede a determinar el valor presente dinero como herramienta financiera para evaluar

∑

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4.1.7.4 Tasa interna de retorno (TIR). La tasa interna de retorno de una inversión, es la tasa de interés producida por un proyecto de inversión con pagos e ingresos que ocurren en períodos regulares dentro de un tiempo determinado, además de interpretar los flujos de caja anualmente.

Una vez determinado los costos de inversión y el valor presente de los beneficios anuales del proyecto se procede a calcular el TIR. La tasa interna de retorno (TIR), es la tasa que iguala el valor presente del dinero a cero.

∑

4.1.8 Instrumentos de Medición 4.1.8.1 Manómetro análogo. Los manómetros son los instrumentos utilizados para medir la presión de fluidos (líquidos y gases). Lo común es que ellos determinen el valor de la presión relativa, aunque pueden construirse también para medir presiones absolutas.

Todos los manómetros tienen un elemento que cambia alguna propiedad cuando son sometidos a la presión, este cambio se manifiesta en una escala o pantalla calibrada directamente en las unidades de presión correspondientes. Figura 8. Manómetro análogo

Fuente: Femto. Instuments. Disponible en internet. http://www.femto.es/manometro-analogico-con-conexion-de-acero-inoxidable--rango-0160-bar--g-14-b--diametro-63-mm-p-1-50-94/

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4.1.8.2 Pinza amperimétrica. La pinza amperimétrica es un instrumento de medición muy útil que permite medir la intensidad de la corriente de flujo eléctrico en conductores activos sin la necesidad de interrumpir el circuito, y se puede hacer simplemente amordazando el conductor. Teniendo la ventaja de medir intensidades elevadas sin tener que desconectar el circuido que está midiendo. La pinza amperimétrica de corriente alterna capta el flujo magnético ocasionado por la intensidad que fluye a través del conductor. Figura 9. Pinza amperimétrica

Fuente: Construnario. Catalogo en línea. Disponible en internet. http://www.construnario.com/diccionario/swf/27520/Herramientas%20e%20instrumentaci%C3%B3n/KYORITSU/Pinzas%20amperim%C3%A9tricas.pdf

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5. PROCESO PRODUCTIVO DE IMPRESIÓN DE PERIÓDICO

El proceso de impresión utilizado en la empresa de EL PAIS S.A. es la impresión offset o litográfica en donde se utilizan en grandes volúmenes de impresión rápida, en la cual la impresión se efectúa sobre un rollo continúo de papel. Luego el papel es cortado y llevado al tamaño deseado. La impresión offset o litográfica es utilizada para periódicos, avisos publicitarios, libros y catálogos. El proceso de impresión en el periódico El País, consta de una serie de pasos, el cual empieza desde la toma de la información a cargo de los periodistas y fotógrafos, los cuales la procesan y la transforman en archivos PDF, en esta parte del proceso también interactúan diseñadores y personal de publicidad, para así entregar un archivo PDF terminado el cual es enviado a la planta de producción para seguir el proceso. En la planta de producción el archivo es expuesto en una plancha (lamina de aluminio), por medio de unos equipos llamados CTP (computer to plate). Luego las planchas procesadas son instaladas en la maquina rotativa para empezar el proceso de impresión. En la rotativa para hacer la impresión del periódico existen una serie de materias primas vitales para el desarrollo del proceso, planchas, papel, tinta, solución de fuente, ventilación, refrigeración, aire comprimido, energía eléctrica. Los cuales al interactuar de una manera controlada y en conjunto permiten el excelente desarrollo de la impresión. Al ser un proceso, la impresión puede ser intervenida en cualquier de sus materias, para de esta manera abaratar costos en el proceso y volverlo más eficiente, al usar el mínimo de recursos permitidos. Por tal motivo el departamento de ingenieros de El País, mantiene en constate investigación y desarrollo de alternativas que permitan la mejora en el proceso, como es el uso de tintas más rendidoras, compras de servicios eléctricos a determinadas horas del día, estudios de ahorro de energía en motores, ventiladores, compresores; etc. Al terminar el proceso de producción el periódico es distribuido por el departamento de circulación o si requiere un proceso más es enviado al área de terminado, donde se refila y se cose.

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El proceso de impresión, comprende el desarrollo de las siguientes etapas:

5.1 PROCESO DE ENSAMBLE DE LA INFORMACIÓN El ensamblado consiste en combinar textos, imágenes e ilustraciones de forma adecuada según una maqueta o boceto. El ensamblado de la información se realiza con los equipos y programas específicos de artes gráficas. Los PC o MAC, utilizados como equipos de trabajo deben tener las aplicaciones apropiadas como: Word para procesar textos, QuarkXPress (Indesign) para la maquetación de documentos, Freehand (Illustrator) para la realización de ilustraciones, Corerdraw para suplir múltiples necesidades, como el dibujo, la maquetación de páginas para impresión y la publicación web y Photoshop para el tratamiento de imágenes”

5.2 PROCESO DE PRE IMPRESIÓN

En esta etapa del proceso se busca pasar las páginas digitales a las planchas mediante sistemas electrónicos, con el sistema CTP (de computador a plancha). Las planchas metálicas de halogenuro de plata que se utilizan para offset están fabricadas con aleaciones de aluminio, y suelen estar graneadas para mejorar el control del agua, el perfil superficial y la adhesión del revestimiento mediante el aumento de la cantidad de área superficial. La anodización, que crea una capa de óxido de aluminio, se utiliza para aumentar la durabilidad y evitar las ralladuras. Debido a sus sensibilidad, las planchas se exponen utilizando láseres de potencia relativamente baja. En este proceso, el halogenuro de plata se suspende en una capa de gelatina. El láser se expone en las área sin imágenes de la plancha, que más delante de eliminan (disuelven) durante el revelado, mientras que el área de imágenes se fija en la capa anódica de la plancha. Por último, la plancha se aclara en agua caliente para eliminar cualquier resto de gelatina del área de imágenes. Entonces, las planchas estarán preparadas para la perforación o plegado previos al montaje en la prensa.

5.3 PROCESO DE IMPRESIÓN El proceso inicia cuando se montan las planchas impresas en los cilindros y las bobinas de papel (tiene una anchura de 4 páginas) en el porta bobinas, también se

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verifica los niveles en los tanque de tintan, que la presión de aire comprimido sea la adecuada y el sistemas de tratamiento de agua se encuentre en funcionamiento. Las bobinas de papel tabloide de 48 gramos/m2 es distribuido por la empresa ABITIBI BOWATER que tiene sus instalaciones en Canadá. El papel se almacena en la zona principal y se transporta a la empalmadora cuando es el momento necesario. La máquina rotativa Goss color liner hace correr el papel dentro de las unidades de impresión, donde cada una produce imágenes a todo color, esta utiliza para la impresión cuatro colores diferentes: cian, magenta, amarillo y negro. El pasa por cuatro pares de elementos de impresión, un par por cada color de proceso. La plancha se plasma con una sustancia hidrófuga la imagen que desea imprimir. Cuando gira el cilindro, la plancha se humedece con agua, que solo se adhiere en las zonas sin imagen, y luego se aplica la tinta. Esta solo se adhiere en las zonas secas, que reproducen la imagen. Durante el giro del cilindro, la tinta se transfiere al cilindro de goma y produce una imagen invertida. El cilindro de goma sigue girando y transfiere la tinta al papel. Para producir una imagen nítida, los diferentes colores han de estar ajustados con gran precisión. En la figura 10 se puede observar el papel cuando pasa por los cilindros. Figura 10. Cilindros de impresión

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5.4 PROCESO DE PLEGADO Y CORTE El plegado y cote de los pliegos impresos es el último paso que se suele dar en la larga cadena de producción de un impreso. El proceso consiste en doblar y cortar el pliego de papel de forma secuencial para darle el tamaño necesario. Para que haya éxito en el plegado y el corte de cada periódico, las páginas deben estar ordenadas para que la compaginación lleve la secuencia con que se diseñó el periódico, y esto puede lograrse gracias a las barras angulares (ver figura 11), los embudos (ver figura 12) y los rodillos móviles (ver figura 13). La máquina de impresión tiene la capacidad de imprimir 8 páginas máximas o sea que imprime sobre 4 hojas de periódico, estas hojas deben ser plegadas y cortadas en el tamaño correcto. Dos hojas están en línea a un embudo, entonces cuando solo se va a trabajar con un solo embudo, como normalmente sucede en la empresa (ver figura 14); las dos hojas que quedan en línea al embudo sin trabajar, se deben direccionar al embudo que está trabajando, esto es posible mediante las barras angulares como se puede observar en la figura 15. Luego el embudo se encarga de poner en una sola dirección las cuatro hojas, ya que la plegadora y cortadora tiene la capacidad para el tamaño de una sola hoja de periódico. Como las barras angulares y los embudos tiene una posición fija, el papel tiene que pasar atreves de ellos, los rodillos móviles dirigen desde la salida de la etapa de impresión, pasando por las barras angulares y los embudos, hasta llegar al folder. Figura 11. Barras angulares de la maquina rotativa

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Figura 12. Embudos de la maquina rotativa

Figura 13. Rodillos móviles

Figura 14. Circulación del papel por el embudo

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Figura 15. Circulación del papel por las barras angulares

Figura 16. Circulación del papel por el folder

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Las barras angulares y los embudos no giran como los rodillos, entonces cuando el papel pasa por estos elementos, existe una fricción que puede causar el deterior del papel, es por esto que las barras y los embudos necesitan descargar aire para disminuir esta fricción. La generación de aire es totalmente ineficiente, ya que está utilizando un ventilador que produce un caudal elevado para necesidades del sistema, y para ello es necesario un motor con una potencia de 40 hp.

5.5 SISTEMA DE GENERACIÓN DE AIRE ACTUAL El sistema de generación de aire la máquina impresión de periódico de la empresa EL PAIS S.A., tiene como objetivo producir el flujo de aire necesario para crear un colchón de aire entre el papel y el acero inoxidable, que es el material de la superficie de las barras angulares y los embudos. El aire de descarga sale a través de varios orificios que se encuentran sobre la mitad de la superficie circular de las barras angulares y en la parte angular de los embudos, en las figuras 11 y 12, se observa los orificios las barras angulares y en los embudos respectivamente. El flujo de aire es realmente importante porque contribuye a la disminución del rozamiento entre los elementos ya mencionados, evitando el daño del papel y el deterioro de la calidad del trabajo realizado en la máquina cuando la producción es más rápida. Los embudos se utilizan diariamente ya que independientemente del trabajo que se realice en la máquina, ellos se encargan de direccionar el papel hacia folder, para que sea plagado y cortado correctamente cada unidad de periódico o trabajo realizado (ver imagen 16). Mientras que el uso de las barras angulares depende de las unidades de impresión de tinta que se utilicen y del tamaño de la bobina de papel, y la función principal es cambiar la trayectoria del papel. En la imagen 10 se observa un cambio en la trayectoria del papel utilizando dos barras angulares. El aire es producido por un ventilador centrífugo que se encuentra a cierta distancia de los elementos de descarga, por lo tanto, se utiliza un sistema de ductos que canalizan el aire hasta las barras angulares y los embudos. La

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canalización del sistema se compone de ductos rectilíneos, codos, desviaciones, entrada, salidas, reducciones de sección, obstáculos, en donde cierta variedad de diámetros y materiales en los ductos. Se utilizó el software Solid Edge, para realizar la representación de los elementos de canalización del sistema de generación de aire (ver figura 17), en el cual se incluye los ductos galvanizados, ductos de PVC y mangueras. En el anexo A se observa la imagen del sistema de distribución identificando cada tramo y en el anexo B se muestra la tabla con las características de cada tramo de sistema de ductos. Una parte importante del sistema de ductos que no se representó con el software, fueron los acoples rápidos de ¾ de pulgada usados para conectar las mangueras al ducto de PVC, estas mangueras canalizan el aire hacia las barras y los embudos(ver figura 18). En la representación del sistema de ductos se identificó como unidades A, B y C, la distribución del conjunto de barras angulares y embudos. Las unidades A y C, representa la descarga del aire por medio de las barras angulares y la unidad B es por los embudos. También se observa que distribuyeron ocho (8) ductos de 2 in de diámetro en las unidades A y C, para conectar ocho barras angulares en cada unidad. Cada unidad de impresión utiliza cuando son necesarias dos barras angulares. Anteriormente la maquina impresora utilizaba ocho unidades de impresión, en la actualidad solo utilizan máximo tres unidades de impresión. Por lo tanto, se necesitan solo 6 barras angulares y dos embudos, sin embargo, hay trabajos en el que se utilizan dos o una unidad de impresión, entonces disminuye el uso de las barras angulares. Cuando el papel usado es de 25 in, no requiere angular, por consiguiente, las barras angulares no se utilizan en todos los trabajos realizados. El sistema actual en su gran mayoría cuenta con tubería de acero Galvanizado y PVC, debido a su bajo coeficiente de fricción se trabaja con tubería de PVC dando como resultados menores perdidas por recorrido. Su flexibilidad ayuda a soportar mejor las deformaciones sin pérdida de hermeticidad. Coeficiente de

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fricción tubería de PVC rugosidad absoluta ε (0.0015 mm). . Los recubrimientos galvanizados tanto exteriores como interiores, que se obtienen por inmersión en caliente en baño de zinc sobre los tubos de acero y accesorios de fundición maleable, proporcionan una protección muy eficaz al metal de base contra la corrosión. Figura 17. Sistema de distribución de los conductos del sistema

Figura 18. Conexión del ducto a las barras angulares

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5.6 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL VENTILADOR

La canalización del sistema de generación de aire y salida del aire por medio de los orificios de las barras angulares y los embudos, ocasionan una alta resistencia al flujo de aire, por lo tanto, se exige que el ventilador utilizado pueda generar un flujo de alta presión que sea capaz de vencer la alta carga de presión que se presenta, sin que se vea afectado el motor. Por tal motivo, el ventilador utilizado en el sistema tiene las siguientes características que se presentan en los cuadros 1 y 2. Cuadro 1. Características del ventilador

Descripción del Ventilador

Marca Spencer Turbine Company

Caudal 1900 CFM

Diferencial de presión 83 inH2O

Temperatura de entrada 21.1 ºC

Presión de entrada 14.7 Psia

Presión de salida 17.7 Psia

Posición de entrada Axial

Diámetro de salida 10 In

Diámetro de entrada 10 In

Características del Motor eléctrico del sistema de generación de aire actual. Los motores eléctricos convierten la electricidad en energía mecánica apta para mover los accionamientos de una variedad de equipos; son utilizados en tornos, ventiladores, extractores, bandas transportadoras, bombas de agua, compresores, taladros y en múltiples aplicaciones. Estas máquinas se han convertido en los principales consumidores de energía eléctrica, representando hasta un 50% del consumo en los sectores comercial e industrial. El ventilador marca Spencer Turbine Companyn se encuentra acoplado directamente al motor eléctrico marca General Electric, norma NEMA (NationalElectricalManufacturersAssociation, dimensiones en pulgadas, potencia en HP), con las siguientes características.

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Cuadro 2. Características del motor acoplado al ventilador

Descripción del Motor eléctrico

Marca General Electric

Modelo 5k324BL1250

Potencia 40 HP

Velocidad 3560 RPM/ 2 polos

Voltaje 230/460

Frame 325TZ

Nema Eficiencia 89.50%

Trifásico

Factor de servicio 1.15

El motor eléctrico del sistema de generación de aire actual es de eficiencia estándar IE1 un valor de eficiencia muy bajo 89.5% comparado con un motor de las mismas características pero con eficiencia IE2 92 % y eficiencia IE3 94 %. Un motor eléctrico de alta eficiencia presenta menos perdidas y mayor duración que los motores IE1, consume menos energía para realizar el trabajo. Tiene más eficiencia y disminuye los costos de operación, son más robustos mejor construidos menos gasto en mantenimiento y mayo tiempo de vida. Figura 19. Clases de eficiencia IE para motores 2 polos

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5.7 DIMENSIONES DEL MOTOR En la figura 20 muestra el dimensionamiento del motor eléctrico acoplado al ventilador, norma NEMA medidas en pulgadas Figura 20. Dimensión del motor Frame 324TZ

Fuente: Motors and generators. Catalogo en linea . Disponible en internet. http://www.gepowerconversion.com/product-solutions/motors-generators El ventilador utilizado en la empresa, es una unidad centrifuga de varias etapas que maneja aire y otros gases, que puede trabajar como soplador o extractor, incrementando la presión del aire o gas entrante, a través de difusores de una etapa a la otra. Este ventilador se considera centrífugo debido a que el flujo a través de él es dirigido perpendicular al eje de rotación. El ventilador es soportado por el eje y un conjunto de rodamientos de bola rígida; el eje que está conectado al motor a través de un acoplamiento flexible. El perfil del ventilador, con sus tres etapas y las direcciones de entrada y salida, lo podemos ver en la figura 21. Figura 21. Perfil del ventilador multietapas

Fuente: Spencer. Special are our standard. Disponible en internet http://www.spencerturbine.com/files/downloads/510%20Special%20Blowers%20and%20Gas%20Boosters.pdf

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5.8 DIMENSIONES DEL VENTILADOR En la figura 22 se muestra el acotado en letras de las proyecciones sobre el plano de alzado y el plano de perfil izquierdo del ventilador. La dimensión correspondiente a cada letra se observan en el cuadro 3.

Figura 22. Dimensiones del ventilador

Fuente: Spencer. Special are our standard. Disponible en internet http://www.spencerturbine.com/products/blowers/default.html Cuadro 3. Dimensiones del ventilador

Asignación Dimensión (in)

A 36

B 11

F 13 – 1/16

I 21

J 39

K 45 – 13/16

R 2

N 21 – ¼

P 36 – 13/16

Q 36

T 6 – 7/16

Diámetro de entrada 10

Diámetro de salida 10

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6. PROCEDIMIENTOS PARA EL ANALISIS Y LA DETERMINACION DE LAS NECESIDADES ENERGETICAS DEL SISTEMA ACTUAL

Para el desarrollo de este trabajo de grado se implementaron una serie de procedimientos los cuales permitieron alcanzar los objetivos planteados. En la primera etapa del proyecto se realizó un análisis del sistema actual, con el cual se determina las necesidades básicas requeridas para el funcionamiento del sistema de generación de aire. Segunda etapa del proyecto se hace un estudio de las pérdidas de carga del sistema actual, se determina el caudal necesario para crear un colchón de aire, que evita el rozamiento del papel con las barras angulares y embudos. Tercera etapa, por medio de los resultados de las mediciones y el estudio de las pérdidas de carga del sistema se plantea una solución, la cual es evaluada mediante métodos económicos como el TIR y el VAN.

6.1 PROCEDIMIENTOS PARA EL ANÁLISIS DEL SISTEMA ACTUAL Se obtiene la presión estática a la salida del ventilador, perforando un agujero en la tubería descargar para conectar un manómetro análogo. Acoplando un manómetro utilizando una reducción en la tubería de descarga de las barras angulares se obtiene los valores presión. Conexión del manómetro en la descarga de las barras angulares (ver figura 23). Se utiliza un anemómetro, para medir el caudal y velocidad del aire en embudos y barras angulares, ubicándolo de manera manual a distancia de 20 cm de los agujeros del embudo y de las barras angulares. En la figura 24 se muestra como se usó el anemómetro.

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Las mediciones de corriente eléctrica se realiza ubicando la pinza amperimétrica en las tres líneas de tensión del motor, para así determinar la carga que le genera al motor al ventilar el aire por los conductos del sistema actual de la empresa. El ventilador regula el flujo mediante un dámper que a su vez permite aliviar el sistema, ya que generalmente presenta una alta resistencia en el flujo. Para calcular el caudal en la salida del dámper se utilizó un anemómetro, obteniendo un valor de aproximado de 350 cfm. Figura 23. Medición del flujo de aire en las barras angulares

Figura 24. Manómetro en la descarga de las barras angulares

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6.2 ELEMENTOS PARA EL CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS ENERGÉTICAS EN EL SISTEMA ACTUAL

6.2.1 Análisis teórico para determinar las pérdidas de energía. Se calcula las pérdidas de forma práctica recurriendo a nomogramas confeccionados.

En el anexo C se puede observar un nomograma para secciones circulares coeficiente de fricción igual a λ=0.02 (plancha de hierro galvanizada, material utilizado en las tuberías de la maquina Color Liner). Otros coeficientes de fricción se pueden corregir multiplicando el resultado por los coeficientes del anexo D. Conociendo el caudal de aire y el diámetro del ducto, mediante el nomograma se determina la velocidad, el factor de pérdida de carga en tramos rectos y el factor de pérdida de carga en mangueras flexibles. Se utilizara coeficiente “n” de proporcionalidad para calcular las pérdidas de carga en los accidentes de la canalización. (Coeficiente “n” de proporcionalidad, utilizando la ecuación [2]). Calculando uno a uno los accidentes de la conducción y sumados a los de tramos rectos, determinan la perdida de carga total del sistema de conducción. La presión dinámica Pd puede hallarse mediante la ecuación [4]. Determinada la presión dinámica, se establece el coeficiente de proporcionalidad “n” para los distintos accidentes presentes en la trayectoria, como lo son los codos, reducciones y separaciones. El coeficiente de proporcionalidad “n” para los codos depende de la relación entre el diámetro y el radio, para las reducciones depende del ángulo que se presenta en el cambio de sección y para las separaciones depende de la relación de caudales. A partir de los anexos E, F, G se determinar los coeficientes “n” de pérdidas de carga para codos, cambios graduales de sección y separadores de flujo respectivamente.

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La presión dinámica varía durante la trayectoria del flujo, debido a los cambios de sección en los ductos o bifurcaciones. Debido a esto se utiliza la ecuación [6], para determinar el caudal y la velocidad del aire en cada sección. En el anexo H se muestra una tabla con el caudal y el diámetro de cada sección de los tramos del sistema. En esta tabla también se muestra los resultados del cálculo la velocidad, la presión dinámica y las pérdidas de presión en los tramos rectos, en codos, reducciones, separaciones y mangueras flexibles. El sistema empieza con un ducto de hierro galvanizado de 10 in de diámetro y luego se reduce el diámetro a 2 in, en un ducto de PVC. En el anexo A, se observa la representación de cada sección y en el anexo B las características de cada tramo, con las distintas perdidas que se presenta cada uno. Calculo de la ventilación requerida en las barras angulares y los embudos Se calcula el área del papel que pasa sobre las barras angulares, para determinar el peso del papel en un instante de tiempo cero. Se usó el concepto de presión (P = F/A), con el fin de determinar la presión mínima requerida para levantar el papel en el instante que se encuentra ubicado en los embudos y en las barras angulares. Presentación de las alternativas que mejoren la eficiencia del sistema actual. Para la presentación de la alternativa, primero se determina con cuanta presión y velocidad de aire funciona el sistema actual, y luego se realizó una prueba con un equipo existente en la compañía que cumplió con las necesidades de presión y velocidad. Al hacer la prueba de campo se determinó que era viable la instalación de estos equipos, y se procedió a realizar cotizaciones.

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Evaluación de los beneficios técnicos y económicos de la propuesta escogida. Para evaluar los beneficios económicos se usan análisis económicos como la Tasa de retorno de inversión TIR y Valor presente del dinero VAN. Estos permitieron presentar al empresario la factibilidad del proyecto y demostrarle los ahorros económicos.

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7. ESTUDIO ENENRGETICO DEL SISTEMA DE VENTILACION ACTUAL: IDENTIFICACION DE LOS PUNTOS DE PERDIDA DE ENERGIA

7.1 MEDICIONES EN EL SISTEMA DE GENERACIÓN ACTUAL Existe una variedad de instrumentos que pueden ser utilizados para realizar mediciones de caudal y presión en los todos los sistemas de ventilación, que permiten obtener información y además analizar el comportamiento del aire en algunos puntos que son de gran importancia en los sistemas, como son: El caudal en la descarga o succión La presión estática en la descarga o succión del sistema La presión estática en la entrada y descarga del ventilador La velocidad en las secciones del ducto La medición de estas variables permite el consumo de energía de presión y de energía cinética la cuales como se mencionó permitirán cuantificar la eficiencia energética de nuestro sistema. En este proyecto debido a las características de los ductos del sistema y las velocidades con que fluye el aire, no fue posible realizar algunas medidas en ciertos puntos importantes del sistema, que son las siguientes: Velocidad y caudal de aire salida del ventilador Velocidad y caudal de aire en ductos de PVC de 2 in, el cual conecta a las

mangueras que están acopladas la barras angulares Velocidad y caudal de aire ducto de PVC de 2 in, que circula el aire a los

embudos. Sin embrago, el departamento de mantenimiento mecánico de la planta de impresión del periódico, cuenta con instrumentos que fueron de gran utilidad para realizar algunas mediciones importantes para el desarrollo del proyecto. Las mediciones realizadas en el sistema de ventilación fueron las siguientes: Presión estática en la descarga del ventilador Presión estática en la descarga del sistema Caudal el descarga de las barras angulares y embudos Velocidad de descarga en las barras angulares y embudos Corriente eléctrica las líneas de tensión del motor.

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Estas mediciones se realizan con los siguientes instrumentos: Manómetro análogo de baja presión Anemómetro digital de eje rotativo Pinza amperimétrica análoga Las mediciones de caudal y velocidad del aire que descarga por los orificios de las barras angulares y los embudos, que se realizaron con el anemómetro no son los valores exactos de caudal y velocidad de cada orificio, sino la proyección de los flujos de descarga de los orificios más cercanos al instrumento. En la figura 23 se observa cómo se realizó las mediciones de aire utilizando el anemómetro. A pesar de que estas mediciones del flujo no son exactas, permitieron comparar el comportamiento del flujo a distintos caudales de aire producido. 7.1.1 Resultados de las mediciones del sistema actual (velocidad y caudal). En lo que respecta a la recopilación de datos se presenta en los cuadros 4 y 5 los resultados obtenidos de velocidad, caudal y presión estática del aire en la salida de 2 barras angulares de la unidad C y 2 embudos. En las figuras 25 y 26 se ven representados los puntos en donde se realizaron las mediciones para cada elemento. Igualmente en las siguientes tablas se presenta el consumo energético asociado a la presión del fluido y la velocidad del mismo. Cuadro 4: Características del flujo en la salida de las barras angulares

Barras Angulares

Puntos Velocidad del aire (m/s) Caudal

Caudal en términos de

Energía

Presión Estática

Presión en términos de

energía

(cfm) (kj/kg) (in H2O) (kj/kg)

1 1,21 28,7 0,000732

80 19.79

2 1,18 28 0,000696

3 1,19 28,5 0,000708

4 1,2 28.6 0,00072

5 1,25 29.2 0,000781

6 1,24 29 0,000769

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Cuadro 5. Características del flujo en la salida de los embudos

Embudos

Puntos Velocidad del aire Caudal

Caudal en términos de

Energía

Presión Estática

Presión en términos de

energía

(m/s) (cfm) (kj/kg) (in H2O) (kj/kg)

1 5 140 0,0125

78 19.29

2 5,34 145 0,014258

3 5,8 147 0,01682

4 5,1 142 0,013005

5 5,5 150 0,015125

6 6,8 152 0,02312

7 5,1 142 0,013005

8 5,1 140 0,013005

9 4,6 137 0,01058

10 4,6 134 0,01058

Figura 25. Puntos de medición de caudal y velocidad en las barras angulares

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Figura 26. Puntos de medición de caudal y velocidad en los embudos

En la salida del ventilador se verificó la presión estática, el resultado obtenido es el siguiente: Presión de salida del ventilador = 3psi = 83 in H2O Esta presión indica que el sistema requiere alrededor de 20.52 kj/kg de energía para forzar al aire a moverse por el sistema de ventilación. Según los datos de placa el ventilador produce 1900 cfm de caudal de aire, y tiene un dámper el cual sirve para regular la presión del sistema. En este dámper se determinó que se pierden 350 cfm de caudal, en la entrada del sistema.

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Cuadro 6: Energía cinética de entrada en el sistema

Caudal (cfm) 1550,000

Diámetro del conducto (in) 10,000

Diámetro del conducto (m) 0,254

Sección del conducto (m^2) 0,051

Velocidad del conducto (m/s) 14,369

ENERGIA CINETICA DE ENTRADA 1,42 kj/kg

La energía generada por el ventilador es de 21,94 kj/kg. Por otra parte, en el cuadro 7 se muestra los resultados de la corriente eléctrica en cada línea de tensión del motor encendido, durante un día de producción de la máquina de impresión. Cuadro 7: Corriente en las tres líneas de tensión del motor del ventilador

CORRIENTE

Línea de tensión AMPERAJE

1 31,3

2 32,5

3 33,1

Estos valores puntuales de corriente eléctrica no permiten determinar con exactitud la carga del motor, sin embargo, revela que el motor no se sobrecarga con los altos obstáculos que se presentan en el paso del flujo. Cabe mencionar que es de gran utilidad un dámper que controlar el fuljo. Por otra parte como no fue posible realizar una medición experimental de las presiones en todo el sistema a continuación se presenta los cálculos teóricos asociados a las pérdidas de energía en estas zonas. El resultado de la pérdida de carga total en el sistema se realizó mediante el proceso presentado en el punto 3.3.1 y es la suma de las pérdidas en los tramos rectos, codos, reducciones y separaciones, y el resultado obtenido teóricamente es:

57

Cuadro 8: Pérdidas de Presión en el sistema actual

Perdida de carga por tubería = 17.07mmH2O (0,1653 kj/kg) Se puede observar que las pérdidas generadas por la tubería son muy pequeñas comparadas con la energía generada por el ventilador. Esto quiere decir que debido a que el sistema es a perdida, la mayor pérdida de energía se encuentra en los embudos y las barras angulares. Para determinar las perdidas en estas partes del sistema se hará un balance de energías usando la ecuación [9].

La energía perdida por el sistema en los embudos y en las barras angulares es de 21,47 kj/kg, que equivalen a 0.513x10-6 tep por cada kg de aire del sistema.

Identificación del tramo K-J J - G J-I J - H G-D H-E I-F

Caudal (cfm) 1550,000 516,670 630,000 403,330 516,670 403,330 630,000

Caudal (m^3/s) 0,729 0,243 0,297 0,190 0,243 0,190 0,297

Densidad aire (kg/m^3) 1,090 1,090 1,090 1,090 1,090 1,090 1,090

viscocidad a 50 °(Pa s) 0,0000195 0,0000195 0,0000195 0,0000195 0,0000195 0,0000195 0,0000195

Diámetro del conducto (in) 10,000 10,000 10,000 4,000 3,000 3,000 3,000

Diámetro del conducto (m) 0,254 0,254 0,254 0,102 0,076 0,076 0,076

Sección del conducto (m^2) 0,051 0,051 0,051 0,008 0,005 0,005 0,005

Velocidad del conducto (m/s) 14,369 4,789 5,864 23,473 53,241 41,729 65,126

Presión Dinámica mmcda 12,904 1,433 2,149 34,435 177,164 108,832 265,089

Longitud del conducto recto (m) 16,120 0,500 2,800 0,300 0,000 0,000 0,000

Numero de reinolds 204008,001 67993,332 83255,427 133304,887 226774,752 177739,849 277397,452

Factor de pérdidas en tramo recto 0,032 0,034 0,033 0,000 0,000 0,000 0,000

Perdidas de presión Tramo Recto (mmcda/m) 0,516 0,017 0,092 0,000 0,000 0,000 0,000

Nº de Codos de 90° 4,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000

Nº de Codos de 45° 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000

Factor de pérdidas en codos 90° 0,300 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000

Factor de pérdidas en codos 45° 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000

Perdidas de presión en codos (mmcda/m) 15,485 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000

Reducciones 0,000 10in-3in ( α=30°) 10in-3in ( α=30°) 0,000 0,000 0,000 0,000

Factor de pérdidas en reducciones 0,000 0,150 0,150 0,000 0,000 0,000 0,000

Perdidas en reducciones (mmcda/m) 0,000 0,215 0,322 0,000 0,000 0,000 0,000

Manguera Flexible (m) 0,000 0,000 0,000 0,000 2,500 2,500 2,500

Factor de Perdidas en Mangueras 0,000 0,000 0,000 0,000 0,048 0,048 0,048

Perdidas de presión en mangueras 0,000 0,000 0,000 0,000 0,120 0,120 0,120

Perdidas de carga por cada tramo (mmcda/m) 16,001 0,232 0,415 0,000 0,120 0,120 0,120

Perdidas de Pesion en el Sistema Actual (mmcda)

17,007Total Perdidas mmcda

58

7.1.2 Análisis de Resultados del sistema actual. En flujo de aire en la salida de las barras angulares es constante y tiene un promedio de velocidad 1.21 m/s y un caudal en 28.66 CFM con presión 80 in H2O con lo cual se desarrolla el proceso de direccionamiento del papel hacia los embudos.

El flujo de la salida de los Embudos tiene un promedio de velocidad 5.29 m/s y un caudal 143 CFM y una presión estática 78 inH2O lo cual se desarrolla el proceso de plagado.

Las líneas de tensión del motor marca general electric tienen un máximo amperaje de 33.1 por medio de la siguiente ecuación se puede aproximar al valor de potencia utilizada del motor trabajando normalmente:

Donde , , Conociendo los valores de fp, EE, y el Voltaje nominal de la tabla 2. Se realiza los cálculos y se obtiene una potencia de salida de 34.76 HP, este valor muestra que el motor actual no trabaja forzado ya que su potencia nominal es de 40HP. Teniendo en cuenta que el sistema consume 1550 CFM o 0.907 kg/s y que la potencia generada por el motor es de 34.76 HP o 26.4 kw la energía producida es de 29.1 kj/kg de aire. Como el sistema requiere 29.1 kj/kg de aire de energía lo cual es equivalente a 0,695 x10-6 tep por cada kg de aire que pasa por el sistema. El sistema trabaja en promedio 4,2 horas por día (ver anexo k) y trabaja 360 días al año, esto quiere decir que consume anualmente:

El sistema consume anualmente 3,669 tep para su funcionamiento.

59

A partir de los resultados y viendo que el sistema utiliza muy poca energía para forzar el movimiento del aire en las tuberías se puede decir que los elementos que elevan el consumo de energía de presión y cinética son las barras y los embudos. Cuadro 9 Tabla resumen de Energía del sistema de ventilación

ENERGIA EN Kj/Kg ENERGIA EN TEP

TEP AL AÑO

PERDIDA EN EMBUDOS Y BARRAS ANGULARES

21,47 0,513X10^-6 2,7

PERDIDAS DE CARGA POR TUBERIA 0,1653 3,95X10^-9 0,02

CONSUMO ELECTRICO DEL SITEMA 29,1 0,695X10^-6 3,669

Luego de revisar y analizar los resultados obtenidos en la toma de información que se ha realizado, se observa que: La diferencia de presión estática entre la salida del ventilador y la descarga del

sistema es de 5 in H2O, la cual se obtuvo mediante el uso de manómetros análogos. Esta diferencia de presión es muy pequeña, si se tiene en cuenta el elevado caudal que genera el ventilador, las reducciones de sección, la distribución en el sistema de ductos y los elementos utilizados para la canalización, ya que estos ocasionan grandes pérdidas de carga. Por tal motivo, se puede decir que los obstáculos presentes en la canalización, le generan una alta resistencia al flujo del aire, logrando que se aumente la presión en la paredes del ducto y además que se disminuya la velocidad del flujo.

Los valores obtenidos de velocidad y caudal de aire en la salida de las barras

angulares y la salida de los embudos, mostrados en las tablas 4 y 5 respectivamente, tienen gran diferencia, debido a que la canalización de los conductos en las barras angulares le genera mayores pérdidas de carga que la canalización de los embudos. Una de los elementos que se utilizan en las barras angulares y no en los embudos, son los acoples rápidos para conectar las mangueras a la ductos de PVC, este disminuye de 2 a ¾ de pulgada la sección en el paso del flujo, esto genera un obstáculo.

Que el uso de barras angulares y embudos ha disminuido considerablemente

(solo se usan dos de los cuatro embudos y tres de las ocho barras angulares),

60

por lo tanto, el ventilador está sobredimensionado para las necesidades actuales del sistema de generación de aire.

La distribución de los ocho conductos en la unidades A y C, es realmente

innecesaria, ya que tramos del ducto tiene dos salidas de aire, tan solo era necesario 4 tramos, y se evitaría perdidas de carga en tramos innecesarios.

El sistema consume 3,669 tep al año para generar el aire necesario para la

ventilación en las barras angulares y los embudos. Las perdidas más grandes en el sistema se generan en las barras angulares y

en los embudos y equivalen a 2,7 tep al año.

61

8. DETERMINACIÓN DE LA VENTILACION REQUERIDA DEL SISTEMA EN LAS BARRAS ANGULARES Y LOS EMBUDOS

Calculo teórico de la presión del aire requerida para evitar el rozamiento de papel en barras angulares y en embudos. En la empresa el país se usa 3 dimensiones de papel de 50”, 36” y 25”, teniendo este diversos pesos por metro cuadrado. El periódico común que se lee a diario tiene un peso de

siendo este el más liviano, el papel más pesado usado por la empresa es de las revistas comerciales como GENTE o LA Q el cual pesa

en este cálculo se usa el más pesado para determinar la presión necesaria para evitar el rozamiento. Barras angulares Figura 27. Distancia entre barras angulares

Cuando se angula el papel este solo usa ½ de la barra angular. Con las 2 barras angulares el perímetro que cubre el papel es de 2πr. En las barras cuando se usa rollo full la banda a angular es de 25” = 635 mm.

62

Área de papel a levantar

Área de papel a levantar = Conociendo el peso del papel por m2, se determina que el peso del tramo en las barras angulares es de 18,3 g. La presión requerida de aire para levantar este tramo de papel se halla de la siguiente manera.

Embudos Figura 28. Distancia en embudos

A su paso por los embudos, el papel toma una forma de triángulo isósceles con dos lados iguales de 60 cm y uno de 63,5 cm (toma de mediante flexómetro).

63

Para determinar el área de papel que pasa por los embudos, se debe hallar la altura del triángulo formado, esta altura es obtenida mediante funciones trigonométricas. Teniendo la altura y la base del triángulo se halla el área.

Conociendo el peso del papel por m2, se determina que el peso del tramo en los embudos es de 9,53 g, para corroborar que el cálculo del peso del papel es correcto se corta un área de 0,161m^2 de papel y se pesa con una gramera obteniendo un valor de 11 g. La presión requerida de aire para levantar este tramo de papel se halla de la siguiente manera.

5.1.2 Calculo teórico del caudal requerido para evitar el rozamiento de papel en barras angulares y en embudos. Para determinar el caudal mínimo requerido, se usa un promedio de la velocidad medida en las barras angulares y en los embudos, esto permitirá al seleccionar un nuevo equipo mantener los

64

valores de velocidad actual y no afectar el funcionamiento del sistema, el diámetro de la tubería en las barras angulares y los embudos es de 38.1 mm.

Barras angulares El área del ducto en las barras angulares y embudos es de:

En las barras angulares el caudal mínimo que se requiere es:

Teniendo en cuenta que la maquina Color Liner usa 10 barras angulares, el caudal mínimo requerido para las barras es de 29,2 cfm Embudos En los embudos el caudal mínimo que se requiere es:

Teniendo en cuenta que la maquina Color Liner usa 4 embudos, el caudal mínimo

requerido para los embudos es de 80,33 cfm

65

9. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN

9.1 PRIMERA ALTERNATIVA DE SOLUCIÓN PARA EL SISTEMA DE GENERACIÓN DE AIRE

La primera alternativa que se propone para el mejoramiento de la eficiencia energética del sistema existente de generación de aire, se determinó con base en el estudio energético del sistema de ventilación actual y la evaluación de las necesidades de aire del sistema. En los resultados de las mediciones del sistema actual se pudo observar, que el caudal promedio por barra angular era de 28.66 cfm y por embudo de 143 cfm. Comparando las mediciones de caudal con los cálculos realizados en el capítulo 5, se observa que el flujo de aire promedio en las barras angulares y embudos del sistema existente es 10 veces mayor que el valor mínimo requerido. Teniendo en cuenta que son 2 barras por unidad de impresión y sabiendo que en la unidad A se usan 4 barras angulares, se requiere un ventilador que genere más de 114 cfm para esta unidad. La primera alternativa se propone teniendo en cuenta, que la unidad de impresión que más se utiliza es la 5, y para direccionar el papel de esta unidad se necesita las barras angulares de la unidad C del sistema de generación de aire, por esta razón se utilizan dos barras angulares en la unidad C. Para esta propuesta se seleccionó dos ventiladores de vórtices, se pueden observar las características más importantes de cada uno en los cuadros 10 y 11. El ventilador de vórtices SB 310 conduce el aire para que sea descargado por las barras angulares de la unidad A del sistema, y ventilador de vórtices SB 530 el aire es descargado por las barras angulares de la unidad C y los embudos de la unidad B. En la figura 29 se muestra el sistema de distribución de la propuesta para el mejoramiento de la eficiencia energética, se ven los dos ventiladores y la

66

distribución de los conductos. En esta propuesta se sugiere eliminar conductos que actualmente no se utilizan y además que son innecesarios. Cuadro 10. Características del ventilador de vórtices SB 530

Descripción del Ventilador

Marca BUSCH

Caudal 353,6 cfm

Diferencial de presión 104.38 inH2O

Temperatura de entrada 21.1 ºC

Nivel de ruido 73 db

Diámetro de salida G2 in

Diámetro de entrada G2 in

Potencia Consumida 8,4 HP 6,3 KW/hora

Fuente: Busch. Bombas y sistemas de vacio. Disponible en internet. http://www.busch.co.uk/p-ContactFree-Samos.asp Cuadro 11. Características del ventilador de vórtices SB 530

Descripción del Ventilador SB 310

Marca BUSCH

Caudal 221 cfm

Diferencial de presión 3.5 psi

Temperatura de entrada 21.1 ºC

Nivel de ruido 73 db

Diámetro de salida G2 In

Diámetro de entrada G2 In

Potencia Consumida 4,7HP 3,5 kw/hora

Fuente: Busch. Bombas y sistemas de vacio. Disponible en internet. http://www.busch.co.uk/p-ContactFree-Samos.asp

67

Figura 29. Sistema de distribución de ductos de la primera propuesta

9.1.1 Estudio teórico de pérdidas de carga en la primera propuesta. Para realizar los cálculos de pérdidas de carga que se presentan en la propuesta se utilizaron las herramientas para calcular las perdidas en el sistema actual, como son el nomograma del anexo C, y los coeficientes de proporcionalidad para codos, reducciones y separaciones de los anexos E, F y G. Se utilizó la ecuación 3 para determinar la presión dinámica en los distintos tramos.

En la figura 29 se ve representado cada tramo del sistema de ventilación propuesto y en el anexo I se muestra la tabla con los cálculos de las distintas perdidas presentes en cada tramo. Los resultados de pérdidas de presión carga estática fueron los siguientes: (Ver Anexo I: Perdidas Primera Alternativa) Perdidas de carga por tubería = 0,2077mm.c.d.a (2,28 x 10-3 kj/kg)

68

La energía consumida por los ventiladores es de 9,8 kW o 10,80 kJ/ kg, diciendo que la energía consumida es la misma que la generada tenemos:

En esta alternativa la energía consumida es de 10,80 kJ/kg de aire o 2,57 x 10^-7 tep. En total esta alternativa genera 574,6 CFM o 0,336 Kg/s de aire. El sistema trabaja en promedio 4,2 horas por día (ver anexo k) y trabaja 360 días al año, esto quiere decir que consume anualmente:

En este caso la masa consumida en un año es de 1828915,2 kg de aire, por el cual el sistema consume 0.471 tep al año. Teniendo en cuenta que el sistema actual consume 3,669 tep y que esta alternativa consume 0.471 tep la diferencia entre el sistema actual y esta alternativa es de 3,198 tep, lo cual es equivalente a 11,64 toneladas de CO2 menos a la atmosfera. 9.2 SEGUNDA ALTERNATIVA DE SOLUCIÓN PARA EL SISTEMA DE GENERACIÓN DE AIRE Se propuso esta alternativa de solución, debido a que existen trabajos que se realizan en la máquina y los embudos son los únicos que están siendo utilizados y las barras angulares de las dos unidades siguen descargando aire, pero no están siendo utilizadas, entonces esta propuesta permite tener un mayor control de la unidades. Para esta propuesta se seleccionaron tres ventiladores de vórtices SB 310 para cada unidad. Igual que en la propuesta 1 se modificó la distribución de los conductos para no generar grandes pérdidas de carga y además son innecesarios tantos ductos.

69

En la figura 30 se observa el sistema de distribución de la propuesta para el mejoramiento de la eficiencia energética, se pueden ver los tres ventiladores y la distribución de los conductos. Figura 30. Sistema de distribución de los ductos de la segunda propuesta

9.2.1 Estudio teórico de pérdidas de carga en la segunda propuesta. En el anexo J se observa la tabla con los cálculos de la perdidas de carga en cada tramo y en la figura 28 se muestra la representación de los tramos en el sistema de distribución de ductos de la segunda propuesta.

Los resultados de las pérdidas de carga en la segunda propuesta, determinada teóricamente son: (Ver anexo J) Perdida de carga = 0,2243mmcda (2,183 X 10-3 kj/kg) La energía consumida por los 3 ventiladores en caso de trabajar simultáneamente es de 10,5 kw o 11,573 kJ/kg, diciendo que la energía consumida es la misma que la generada se tiene:

70

En esta alternativa la energía consumida es de 11,573 kJ/kg de aire o 2,76 x 10^-7 tep. En total esta alternativa generara 663 CFM o 0,387 Kg/s de aire. Si el sistema trabajara en promedio 4,2 horas por día (ver anexo k) y trabaja 360 días al año, esto quiere decir que consume anualmente:

En este caso la masa consumida en un año es de 2106518,4 kg de aire, por el cual el sistema consume 0.582 tep al año. Teniendo en cuenta que el sistema actual consume 3,669 tep y que esta alternativa consume 0.582 tep la diferencia entre el sistema actual y esta alternativa es de 3,087 tep, lo cual es equivalente a 11.15 toneladas de CO2 menos a la atmosfera.

9.3 PRUEBA DE CAMPO PARA DETERMINAR LA VIABILIDAD DEL PROYECTO

Debido a las limitaciones para determinar de manera analítica y práctica las necesidades del flujo de aire en el sistema, se recurrió al uso adecuado de recursos presentes en la planta de producción y que fueron de gran utilidad. Los recursos que se utilizaron para determinar las necesidades del sistema fueron: Ventilador de vórtices Anemómetro Manómetro análogo El ventilador de vórtice (ver característica en los cuadros 12 y 13) se decide utilizar porque contaba con característica importante para este sistema, como su resistencia a una elevada presión. Se contaba con otros ventiladores pequeños que generaban mayor caudal pero con un diferencial de presión muy bajo. El sistema de generación de aire se divide en tres unidades de descarga (anexo A), los embudos y las barras angulares, se decidió controlar el flujo por cada

71

unidad de descarga, debido a que el uso de las barras angulares depende del tamaño del papel y la unidad de impresión que están siendo utilizadas. Se evalúa el comportamiento del flujo del aire en las descargas del sistema, mediante el uso del anemómetro y el manómetro, donde se realizaron instalaciones al sistema durante el tiempo en el que no había producción en la planta, para poder tomar las mediciones correspondiente de caudal, velocidad y presión, y de acuerdo a los resultados obtenidos se decidió experimentar durante la producción, y los resultados fueron satisfactorios, ya que no se tuvo que disminuir la velocidad de trabajo de la máquina, y la calidad de la producción se mantuvo. Cuadro 12. Características del ventilador de vórtices

Descripción del Ventilador SB 310

Marca BUSCH

Caudal 221 Cfm

Diferencial de presión 3.5 Psi

Temperatura de entrada 21.1 ºC

Nivel de ruido 73 Db

Diámetro de salida G2 In

Diámetro de entrada G2 In

Potencia Consumida 4,7HP 3,5 kw/hora

Fuente: Busch. Bombas y sistemas de vacio. Disponible en internet. www.busch.co.uk/p-ContactFree-Samos.asp Cuadro 13. Características del motor acoplado al ventilador de vórtices

Descripción del motor acoplado al ventilador

Potencia 3.45 kw

Voltaje 220 / 440 Voltios

Amperaje 12 / 6 A

Frecuencia 60 HZ

Velocidad de rotación 3450 Rpm

Fuente: Busch. Bombas y sistemas de vacio. Disponible en internet. www.busch.co.uk/p-ContactFree-Samos.asp

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Las instalaciones para las dos pruebas fueron las siguientes: Se conectó el ventilador de vórtices al conducto del tramo C-D de la unidad C,

en el anexo A se puede observar los tramos C-D y la unidad C, utilizando una manguera flexible y reducciones.

Se conectó el ventilador de vórtices a los conductos C-D y B-E de las unidades C y B, mediante el uso de tubería de PVC.

9.4 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS 9.4.1 Primera Prueba. En el primer ensayo se realizó en la unidad C, se conectaron dos (2) de las ocho (8) barras angulares que hay en la unidad C. Los resultados obtenidos de velocidad, caudal y presión de aire se muestran en el cuadro 14, estas mediciones corresponden a solo una barra angular.

Cuadro 14. Características del flujo en la salida de una barra angular

Barras Angulares

Puntos Velocidad de aire

(m/s) Caudal (cfm)

Presión (in H2O)

Caudal en términos de Energía (kj/kg)

Presión en

términos de

energía (kj/kg)

1 1,02 27 95 0,0005202 21,71

2 1,3 28,5 95 0,000845 21,71

3 1,5 29 95 0,001125 21,71

Después se decidió conectar cuatro (4) de las ocho (8) barras angulares, y los resultados obtenidos de velocidad, caudal y presión de aire fueron los mismos, La diferencia entre las pruebas, fue que la corriente eléctrica medida en las líneas de tensión del motor, estaba por encima de la corriente nominal del motor cuando se conectaron dos (2) barras angulares, y cuando se conectaron cuatro (4) la corriente eléctrica estuvo por debajo de la corriente nominal. 9.4.2 Segunda Prueba. En la segunda prueba el aire descargaba por 2 barras angulares y 2 embudos de las cuatro (embudos) de la unidad B. Las figuras 20 y 21 muestran los puntos donde se realizaron las medidas de velocidad, caudal y

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presión del aire, y en los cuadros 15 y 16, se observan los resultados en cada punto.

Cuadro 15: Características del flujo en salida de las barras angulares

Barras Angulares

Puntos Velocidad del aire

(m/s) Caudal (cfm)

Presión (inH2O)

Caudal en términos de Energía

Presión en

términos de

energía (kj/kg)

1 0,9 24,5

40

0,000405

9,14

2 0,95 26 0,00045125

3 0,94 25,8 0,0004418

4 0,93 25 0,00043245

5 0,93 24,4 0,00043245

6 0,95 25,4 0,00045125

Cuadro 16. Características del flujo en la salida de los embudos

Embudos

Puntos Velocidad del aire

(m/s) Caudal (cfm)

Presión (inH2O)

Caudal en términos de Energía

Presión en

términos de

energía (kj/kg)

1 3,4 92

40

0,00578

9,14

2 2,35 85 0,00276125

3 3,05 97 0,00465125

4 4,3 120 0,009245

5 3,3 105 0,005445

6 3,8 90 0,00722

7 4,01 110 0,00804005

8 4,3 120 0,009245

9 3,8 100 0,00722

10 3,14 89 0,0049298

74

En la figura 31 se puede observar el acotado en letras de la dimensiones del ventilador de vórtices y en el cuadro 17 las dimensiones en mm que representa cada letra. Figura 31. Acotado del ventilador de vórtices

Fuente:www.busch.co.uk/p-ContactFree-Samos.asp

Cuadro 17. Dimensiones del ventilador de vórtices

Asignación Dimensión (mm)

A 383

B 333

C 386

D 109

E 380

F 54

G G2

H 183

I 125

J 290

K 325

L 15

N 280

O 316

P 267

Fuente: Busch. Bombas y sistemas de vacio. Disponible en internet. www.busch.co.uk/p-ContactFree-Samos.as

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9.5 ANÁLISIS DE LA EVALUACIÓN DE LA NECESIDADES DE AIRE Las pruebas de campo que se realizaron en el sistema de generación de aire, permitieron esclarecer que flujo de aire es necesario para la maquina sin que disminuya su productividad ni la calidad en la impresión de los trabajos realizados. Los resultados en la primera prueba muestran que el caudal y la velocidad de aire en la descarga de los orificios son muy aproximados a las magnitudes de caudal y velocidad del aire del sistema actual, y se pudo generar con un ventilador que produce un caudal nominal de 221 cfm. Por lo tanto, se puede observar lo sobredimensionado que esta el ventilador actual. En la segunda prueba de campo los resultados obtenidos de caudal y velocidad del aire disminuyeron con respecto a los resultados del sistema actual y los resultados de la primera prueba. Lo que demuestra que el flujo de aire producido por el ventilador de vórtices SB 310 es el más adecuado para cada unidad de descarga, ya que un flujo de 110 cfm no es muy confiable, para la producción de máquina de impresión. La evaluación técnica y las pruebas realizadas con el ventilador de vórtices, fueron de gran utilidad para analizar el comportamiento del flujo en el sistema y así poder establecer cuáles son los cambios o alteraciones que se pueden realizar al sistema, para que este sea más eficiente energéticamente. El resultado más importante obtenido de las evaluaciones, es que la descarga por los orificios y la disminución de la sección en la canalización del aire, estrangulan el aire, lo que ocasiona un aumento en la presión y una alta resistencia al flujo de aire, por lo tanto, para realizar las propuesta de mejoramiento del sistema se debe tener en cuenta que para seleccionar el ventilador o los ventiladores, el caudal generado por estos debe tener un diferencial de presión mayor a 3.5 PSI. Normalmente los ventiladores más utilizados para las características de este sistema, son los ventiladores centrífugos debido pueden resistir mayor presión comparado con los ventiladores axiales. Sin embargo hay una alta variedad en el mercado, existen de alto caudal, baja caídas de presión y potencia baja , otros con alto caudal y alta caída de presión, pero su potencia es elevada, por lo que la potencia del ventilador está determinado por el factor de las variables más importantes.

76

Los ventiladores de vórtices tienen una gran particularidad es que su caudal es bajo y la presión es elevada, las cuales son esenciales para las características del sistema de conductos. Además su tamaño es relativamente pequeño, su peso es bajo, es altamente eficiente, su nivel de ruido es bajo, ocupa poco espacio, por lo tanto, se puede ubicar cerca de las instalaciones de la máquina, disminuyendo el costo de instalación y perdidas de carga en tramos más largos. Debido a estas consideraciones, las alternativas para la mejoramiento del sistema para mejorar su eficiencia y genere ahorros energéticos al planeta y beneficios económicos a la empresa, esta relacionadas con la selección de ventiladores de vórtices, la diferencia entre ellas radica en el tamaño y la cantidad ventiladores que se utilizan. El análisis de factibilidad económica de los proyectos se lleva a cabo cuando técnicamente se ha comprobado que éstos pueden realizarse. Por lo tanto para evaluar económicamente, es necesario que la fase técnica esté realizada.

77

10. COMPRACION ECONOMICA DE LA PROPUESTA ESCOGIDA CON EL SISTEMA ACTUAL

10.1 EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL SISTEMA DE GENERACIÓN DE AIRE ACTUAL La evaluación económica se realizó con el objetivo de determinar los costos de producción de aire del sistema de ventilación actual de la empresa. Utilizando la ecuación 13 se determinó los costos de electricidad que se originan por la operación del ventilador en un año de producción. El caudal y la caída de presión son los parámetros que normalmente se encuentran en la placa del ventilador, donde se muestran las características más importantes. El promedio de horas de operación en el año se obtuvo del control de las horas de producción que realiza la gerencia de producción de la Empresa todos los meses. En el cuadro 18 se observa el promedio de horas por mes y el promedio de horas por día, de los trabajos de impresión que se realizan a menudo en la máquina de impresión de la Empresa. Los tiros de adelanto representan los trabajos que se realizan a parte de los periódicos que normalmente circula en la ciudad. La máquina de impresión en el año opera 360 días. Cuadro 18. Promedio total del tiempo de producción

Tiempo Promedio De Producción

Referencia Horas/Mes Horas/Día

El País 40,6 1,35

Q Hubo Cali 28,6 0,95

Q Hubo Palmira 8,4 0,28

Tiros de Adelanto 48,5 1,62

Promedio Total 126,1 4,2

Fuente: Gerencia Producción de la Empresa El País

78

En la cuadro 19 se muestran los parámetros de evaluación más importantes para determinar el consumo energético y los costos totales de producción del ventilador que actualmente se utiliza para la generación de aire de la máquina. Cuadro 19.: Parámetros de evaluación del ventilador

Ventilador Spencer Blower

Parámetros de Evaluación

Caudal Producido 1900 cfm

Potencia consumida 40 hp

29,8 kw

Diferencia de presión 83 inH2O

Días de operación en el año 360 Días

Horas de operación en el año 1512 Horas

Costo Promedio kWh $ 300 COP

Utilizando la ecuación 13 y la información anterior del sistema se estima el consumo de energía del ventilador durante las horas de producción en el año.

⁄ ⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

Los costos totales se dividieron en la siguiente estructura típica de costos de producción de aire:

Costos de energía que representa el 75 % Costos mantenimiento que representa el 20% Costos indirectos que representan el 5 %

Los costos de energía o electricidad representan el costo por la energía consumida durante el periodo que se desee estimar.

79

Los costos de mantenimiento representan los salarios de la mano de obra por mantenimiento, además incluyen gastos por materiales de mantenimiento, aceite, otros lubricantes y una serie de herramientas pequeñas. 3 Los costos indirectos son aquellos cuyos valores son totalmente independientes de la proporción de flujo del aire y, de hecho, se tendrían aún si el sistema de generación de aire dejara de operar. Incluyen categorías tales como los gastos de administración, los impuestos prediales, las primas de seguros y la recuperación de capital. 4 Los costos de energía o electricidad se determinan mediante la ecuación [8], pero ya se estimó la energía consumida durante la operación en el año, ahora se multiplica por el costo de kWh. En el cuadro 20 se observa los resultados de los costos totales anules que le representa la generación del aire de la máquina de impresión que actualmente utiliza la empresa EL PAIS S.A. Cuadro 20. Costos totales de generación de aire del sistema actual

Costos Totales de Generación de aire Del Sistema Actual

Costos de energía (75%) $ 12.058.244

Costos de Mantenimiento (20 %) $ 3.215.532

Costos Indirectos (5%) $ 803.883

Costos Totales $ 16.077.659

3EPA AIR POLLUTION CONTROL COST MANUAL [En Linea] North Carolina: United States Environmental

Protection Agency. [Consultado el 30 Marzo de 2011]. Disponible en internet: http://www.epa.gov/oaqps001/lead/pdfs/2002_01_cost_control_%20manual.pdf

4EPA AIR POLLUTION CONTROL COST MANUAL [En Linea] North Carolina: United States Environmental

Protection Agency. [Consultado el 30 Marzo de 2011]. Disponible en internet: http://www.epa.gov/oaqps001/lead/pdfs/2002_01_cost_control_%20manual.pdf

80

10.2 BENEFICIOS TÉCNICOS DE LA PROPUESTA ESCOGIDA La propuesta escogida fue la segunda alternativa, debido a su versatilidad en los momentos de operación. Porque con esta se puede utilizar el motor que se requiera de acuerdo a la unidad de trabajo en funcionamiento. Se comparó el consumo energético de las dos alternativas y se vio que los valores son muy aproximados por tal motivo no se tuvieron en cuenta para la selección. El uso de ventiladores por cada unidad, permite tener control de cada ventilador acuerdo a su uso: Bajo costo en instalación, ya que los ventiladores ocupan poco espacio y

pueden ser ubicados cerca de la máquina de impresión. Nivel bajo de ruido. El peso es bajo. La instilación de los tres ventiladores le permitirá tener flexibilidad, para

intercambiar los ventiladores de acuerdo al tiempo de trabajo, para así alargar el tiempo de vida de cada ventilador.

La instalación de los tres ventiladores mejoraría la confiabilidad, si en algún

momento llega a fallar un ventilador.

10.2.1 Beneficio por ahorro energético. Para obtener los beneficios de ahorro energético de la segunda propuesta se debe calcular el consumo energético durante el tiempo de trabajo de cada ventilador en el año, y poderlo comparar con el consumo de energía del sistema actual.

En los cuadro 21 y 22 se resumen los parámetros de evaluación para realizar los cálculos de los consumo de energía de los ventiladores.

81

Cuadro 21. Parámetros de evaluación de los DOS ventiladores SB 310 operando

Dos Ventiladores SB 310 Operando

Parámetros de Evaluación

Caudal Producido 442 CFM

Deferencial de presión 200.73 inH2O

Potencia Consumida 9.4 HP

7 kw

Días de operación en el año 258 Días

Horas de operación en el año 1298 Horas

Costo Promedio kWh $ 300 COP

Cuadro 22. Parámetros de evaluación de los TRES ventiladores SB 310 operando

Tres Ventiladores SB 310 Operando

Parámetros de Evaluación

Caudal Producido 663 CFM

Diferencial de presión 301.1 inH2O

Potencia Consumida 14.1 HP

10.5 kw

Días de operación en el año 51 Días

Horas de operación en el año 214 Horas

Costo Promedio kWh $ 300 COP

Consumo energético de dos (2) ventiladores SB 310 operando

⁄ ⁄

⁄

⁄

82

⁄

⁄

⁄

(𝒕𝒆𝒑)= . 𝐭𝐞𝐩

Consumo energético de tres (3) ventiladores SB 310 operando

⁄ ⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

𝒕𝒆𝒑 𝐭𝐞𝐩

El consumo total de energía de la propuesta es la suma de la energía consumida por cada ventilador. El cuadro 23 muestra la comparación del consumo energético del sistema actual y la propuesta, el valor del beneficio y porcentaje de ahorro energético que está le representa a la empresa. En las figuras 32 y 33, se representa mediante un histograma el consumo de cada sistema, y se representa con un diagrama de tortas el porcentaje del ahorro energético de la propuesta, respectivamente.

Cuadro 23: Beneficios de ahorro energético de la segunda propuesta

Variables Sistema Actual Propuesta (2)

Consumo de energía anual (kWh) 39.980 12.062

tep 6.53 0.83

Beneficio por ahorro energético - 27.918

Porcentaje de ahorro energético - 70%

83

Figura 32. Histograma del consumo energético del sistema actual y la segunda propuesta

Figura 33. Porcentaje de ahorro energético de la segunda propuesta

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

Sistema Actual Propuesta (2)

Consumo de energía anual (Kwh/año)

Consumo de energia anual(Kwh/año)

30% 70%

Porcentaje de ahorro energético

12.062 kwh

27.918 kwh

84

10.2.2 Beneficios por ahorro económico. Se determinan los costos de producción de los tres ventiladores de acuerdo al tiempo de trabajo, y se compara con los totales de producción del sistema actual.

Se multiplica el consumo de energía que consumiría los tres ventiladores por el costo del kWh. En los cuadros 24 y 25 se observa los valores de los costos totales producción durante el tiempo en que generan aire los tres ventiladores y cuando trabajan dos ventiladores. Cuadro 24. Costos de producción de aire de los tres ventiladores

Costos Totales De Generación De Aire De Tres Ventiladores Operando

Costos de energía $ 795.915

Costos de Mantenimiento $ 63.673

Costos Indirectos $ 15.918

Costos Totales $ 795.915

Cuadro 25. Costos de producción de aire de los dos ventiladores

Costos Totales De Generación De Aire De Dos Ventiladores Operando

Costos de energía $ 2.896.205

Costos de Mantenimiento $ 386.205

Costos Indirectos $ 96.551

Costos Totales $ 3.379.293

Los costos totales de producción de aire de la propuesta es la suma de los costos totales de cada ventilador. En el cuadro 26 se observa los resultados de los costos totales del sistema actual y la segunda propuesta, además se observa el beneficio económico y el porcentaje que representa ese ahorro económico. En lafigura 34 se representa mediante un histograma los costos de producción de cada sistema,

85

y ne la figura 35 se muestra el porcentaje del ahorro económico de la segunda propuesta. Cuadro 26. Beneficios por ahorro económico de la segunda propuesta

Variables Sistema Actual Propuesta (2)

Costos totales de generación de aire (kWh)

$ 16.077.659 $ 4.826.074

Beneficio por ahorro económico - $ 11.251.585

Porcentaje de ahorro energético - 70%

Figura 34. Histograma de los costos de producción del sistema actual y la segunda propuesta

0

2000000

4000000

6000000

8000000

10000000

12000000

14000000

16000000

18000000

Sistema Actual Propuesta (2)

Costos Totales de Producción ($)

Costos Totales deProduccion ($)

86

Figura 35. Porcentaje de ahorro económico de la segunda propuesta

10.2.3 Costos de Inversión de la segunda propuesta. En la cuadro 27 muestra la representación en dinero de los costos de inversión que incurren en la propuesta 2.

Cuadro 27. Costos de inversión de la segunda propuesta

Costos de Inversión

Descripción Valor

Tres Ventilador de vórtices SB 310 (10% Imprevistos) $ 10.890.000

Instalación $ 1.500.000

Investigación $ 3.090.000

TOTAL $ 15.480.000

10.2.4 Valor presente del dinero. En el cuadro 28 se muestra el valor correspondiente de cada parámetro y el valor presente que se obtendrá durante el periodo de evaluación de la inversión.

30% 70%

Porcentaje de ahorro económico

4.826.074

11.251.585

87

Cuadro 28. Parámetros económicos de la segunda propuesta

Parámetros Propuesta (2)

Beneficio anual $ 11.251.585

Costos totales $ 15.480.600

Tasa de descuentos 5(1) 4%

Tiempo de evaluación (t) 3 anos

El valor presente es:

Flujo de caja

10.2.5 Tasa interna de retorno. La Tasa Interna de Retorno (también conocida como TIR), permite determinar la rentabilidad del proyecto al plazo definido, este cálculo puede hacerse de forma sencilla usando las propias funciones de las hojas de cálculo de Excel, teniendo de antemano los valores de flujo obtenidos mediante el VAN.

En el cuadro 29 se observa la rentabilidad de la segunda propuesta en un periodo de tres años.

5Es el porcentaje de rentabilidad anual, que se tendría si se invierte el dinero del proyecto según datos del Banco de la República.

http://www.banrep.gov.co/es/node/16181

88

Cuadro 29. Tasa interna de retorno de la segunda propuesta

Análisis Financiero

Año 0 Año 1 Año 2 Año 3

Inversión inicial $15.480.000

Ahorro por consumo

$ $ $

Egresos / Ingresos $ -15.480.000 $ $ $

Rentabilidad de la inversión 52%

Al invertir en el proyecto se tendrá una rentabilidad de 52% en tres años, mucho mayor al 4% anual que se tendría si se invierte en un banco. Figura 36. Grafica Tasa interna de retorno

El punto de intersección en la gráfica muestra que el valor presente del dinero es igual a cero, cuando la tasa interna de retorno es 52%.

($5.000.000,00)

$0,00

$5.000.000,00

$10.000.000,00

$15.000.000,00

$20.000.000,00

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%

INV

ERSI

ON

RENDIMIENTO

GRAFICA TIR

Series1

89

11. CONCLUSIONES. El sistema de generación actual de aire DE LA MAQUINA COLOR LINER presenta un sobre dimensionamiento, ya que la cantidad de barras angulares y los embudos utilizados anteriormente disminuyó, debido a que se redujo el uso las unidades de impresión de la máquina. Además la distribución de los conductos y los elementos utilizados no son los más convenientes, generando mayores pérdidas de presión, las pérdidas de carga del sistema actual es: Perdidas = 17.07mmH2O. Los valores obtenidos de velocidad y caudal de aire en la salida de las barras angulares y la salida de los embudos, mostrados en las tablas 4 y 5 respectivamente, existe una gran diferencia, lo cual se debe a que la canalización de los conductos en las barras angulares le genera mayores pérdidas de carga que la canalización de los embudos. Uno de los elementos que se utilizan en las barras angulares y no en los embudos son los acople rápidos para conectas las mangueras a los ductos de PVC, este disminuye de 2 a ¾ de pulgada la sección en el paso del flujo, esto genera un obstáculo, la mayor pérdida de energía se presenta en el tramo k-j, esto es debido a que este es muy largo y tiene codos que restringen la normalidad del flujo. Las pruebas de campo que se realizaron en el sistema de generación de aire, permitieron esclarecer que flujo de aire es necesario para la maquina sin que disminuya su productividad ni la calidad en la impresión de los trabajos realizados. Los resultados en la primera prueba mostraron que el caudal y la velocidad de aire en la descarga de los orificios son muy aproximados a las magnitudes de caudal y velocidad del aire del sistema actual, y se pudo generar con un ventilador que produce un caudal nominal de 221 cfm. En la segunda prueba de campo los resultados obtenidos de caudal y velocidad del aire disminuyeron con respecto a los resultados del sistema actual y los resultados de la primera prueba. Lo que demuestra que el flujo de aire producido por el ventilador de vórtices SB 310 es el más adecuado. El resultado más importante obtenido de las evaluaciones, es que la descarga por los orificios y la disminución de la sección en la canalización del aire, estrangulan el aire, lo que ocasiona un aumento en la presión y una alta resistencia al flujo de aire, por lo tanto, para realizar las propuesta de mejoramiento del sistema se debe tener en cuenta que para seleccionar los ventiladores, el caudal generado por estos debe tener un diferencial de presión mayor a 3.5 PSI. Los ventiladores de vórtices tienen una gran particularidad es que su caudal es bajo y la presión es elevada, las cuales son esenciales para las características del sistema de conductos. Además su tamaño es relativamente pequeño, su peso es bajo, es altamente eficiente, su nivel de ruido es bajo, ocupa poco espacio, por lo

90

tanto, se puede ubicar cerca de las instalaciones de la máquina, disminuyendo el costo de instalación y perdidas de carga en tramos más largos. La primera alternativa de solución para el sistema de generación de aire se seleccionó dos ventiladores de vórtices. El ventilador de vórtices SB 310 conduce el aire para que sea descargado por las barras angulares de la unidad A del sistema, y ventilador de vórtices SB 530 el aire es descargado por las barras angulares de la unidad C y los embudos de la unidad B. Realizando el estudio de pérdidas de carga de la propuesta arroja un resultado de 0.2077mmcda en comparación de las pérdidas de carga del sistema actual el cual es de 17.07 m.m.H2O. La Segunda alternativa se propone, debido a que existen trabajos que se realizan en la máquina y los embudos son los únicos que están siendo utilizados y las barras angulares de las dos unidades siguen descargando aire, pero no están siendo utilizadas, entonces esta propuesta permite tener un mayor control de la unidades, además de acuerdo a las pruebas de campo queda demostrado que trabajar con un solo ventilador en dos unidades la presión se cae en un 50 %. Para esta propuesta se seleccionó tres ventiladores de vórtices SB 310 realizado el cálculo de pérdidas de carga del sistema da como resultado = 0,2243mmcda/ en comparación de las pérdidas de carga del sistema actual el cual es de 17.07mmH2O. Al utilizar esta propuesta se tienen los beneficios de bajo costo en instalación, ya que los ventiladores ocupan poco espacio y pueden ser ubicados cerca de la máquina de impresión, La instilación de los tres ventiladores le permitirá tener flexibilidad, para intercambiar los ventiladores de acuerdo al tiempo de trabajo, para así alargar el tiempo de vida de cada ventilador, La instalación de los tres ventiladores mejoraría la confiabilidad, si en algún momento llega a fallar un ventilador. El consumo energético al año de los tres ventiladores, SB310 en total es 12.062 KWh comparado al consumo anual del sistema actual el cual es de 39.980 KWh lo cual muestra un 70% menos de consumo. El beneficio total económico de la segunda propuesta en ahorro es de$ $ 11.251.585 comparándolo con los costos totales anualesdel sistema actual. El sistema actual consume 3,669 tep y la primera alternativa consume 0.582 tep la diferencia entre el sistema actual y esta alternativa es de 3,087 tep, lo cual es equivalente a 11.15 toneladas de Co2 menos en nuestra atmosfera. La segunda alternativa consume 0.582 tep la diferencia entre el sistema actual (3,669 tep) y esta alternativa es de 3,087 tep, lo cual es equivalente a 11.15 toneladas de Co2 menos en nuestra atmosfera.

91

BIBLIOGRAFÍA

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93

ANEXOS

Anexo A. Identificación de los tramos del sistema de distribución de ductos actual

Fuente: Autor

94

Anexo B. Tabla de características de cada tramo del sistema de distribución actual

1 Identificación

del tramo

Diámetro

del

conducto

Sección

del

conducto

Longitud

de

conducto

recto

Numero

de

codos

90º

Numero

de codos

45º

Numero

de

uniones

Material del

conducto Reducción

2 1A– 2ª 0,0508 0,0020 2,3 0

2 PVC

3 3A– 4A 0,0508 0,0020 2,3 0

2 PVC

4 5A– 6A 0,0508 0,0020 2,3 0

2 PVC

5 7A– 8A 0,0508 0,0020 2,3 0

2 PVC

6 9A– 10A 0,0508 0,0020 2,3 0

2 PVC

7 11A – 12A 0,0508 0,0020 2,3 0

2 PVC

8 13A– 14A 0,0508 0,0020 2,3 0

2 PVC

9 15A– 16A 0,0508 0,0020 2,3

2 PVC

10 D—G 0,1016 0,0081 1,7

Caucho

11 1B -- 2B 0,0508 0,0020

PVC

12 3B -- 4B 0,0508 0,0020

PVC

13 B -- 1B 0,0762 0,0046

PVC

14 B -- 3B 0,0762 0,0046

2

PVC

15 H—E 0,1016 0,0081 1,7

Caucho

16 1C -- 2C 0,0508 0,0020 2,3 0

2 PVC

17 3C -- 4C 0,0508 0,0020 2,3 0

2 PVC

18 5C -- 6C 0,0508 0,0020 2,3 0

2 PVC

19 7C -- 8C 0,0508 0,0020 2,3 0

2 PVC

20 9C -- 10C 0,0508 0,0020 2,3 0

2 PVC

21 11C -- 12C 0,0508 0,0020 2,3 0

2 PVC

22 13C -- 14C 0,0508 0,0020 2,3 0

2 PVC

23 15C -- 16C 0,0508 0,0020 2,3

2 PVC

24 F—I 0,1016 0,0081 1,7

Caucho

25 J—G 0,254 0,0507 1

1 Acero 1- (0,254 -

0,1016)

26 J—I 0,254 0,0507 1

2 Hierro

Galvanizado

27 J—I 0,254 0,0507 6,2

1 Acero 1- (0,254 -

0,1016)

28 J—K 0,254 0,0507 15 4

Hierro

Galvanizado

29 k VENTILADOR

95

Anexo C. Nomograma para secciones circulares

96

Anexo D. Factor de corrección para la rugosidad

97

Anexo E. Coeficiente “n” de pérdidas de carga en codos

98

Anexo F. Coeficiente “n” de pérdidas para cambios de sección

Anexo G. Coeficiente “n” de pérdidas de carga para separación de caudal

99

Anexo H. Pérdidas de Presión en el Sistema Actual (mmcda)

Identificación del tram

oK-J

J - GJ-I

J - HG

-DH

-EI-F

Caudal (cfm

)1550,000

516,670630,000

403,330516,670

403,330630,000

Caudal (m

^3/s)

0,7290,243

0,2970,190

0,2430,190

0,297

Den

sidad aire (kg/m^3

)1,090

1,0901,090

1,0901,090

1,0901,090

viscocidad a 50 °(Pa s)0,0000195

0,00001950,0000195

0,00001950,0000195

0,00001950,0000195

Diám

etro del conducto (in)10,000

10,00010,000

4,0003,000

3,0003,000

Diám

etro del conducto (m)

0,2540,254

0,2540,102

0,0760,076

0,076

Sección del conducto (m^2

)0,051

0,0510,051

0,0080,005

0,0050,005

Velocidad del conducto (m

/s)14,369

4,7895,864

23,47353,241

41,72965,126

Presión Dinám

ica mm

cda12,904

1,4332,149

34,435177,164

108,832265,089

Longitud del conducto recto (m)

16,1200,500

2,8000,300

0,0000,000

0,000

Num

ero de reinolds204008,001

67993,33283255,427

133304,887226774,752

177739,849277397,452

Factor de pérdidas en tram

o recto0,032

0,0340,033

0,0000,000

0,0000,000

Perdidas de presión Tramo R

ecto (mm

cda/m)

0,5160,017

0,0920,000

0,0000,000

0,000

Nº de C

odos de 90°4,000

0,0000,000

0,0000,000

0,0000,000

Nº de C

odos de 45°0,000

0,0000,000

0,0000,000

0,0000,000

Factor de pérdidas en codos 90°

0,3000,000

0,0000,000

0,0000,000

0,000

Factor de pérdidas en codos 45°

0,0000,000

0,0000,000

0,0000,000

0,000

Perdidas de presión en codos (m

mcda/m

)15,485

0,0000,000

0,0000,000

0,0000,000

Red

ucciones0,000

10in-3in ( α=3

0°)10in-3in ( α

=30°)

0,0000,000

0,0000,000

Factor de pérdidas en red

ucciones0,000

0,1500,150

0,0000,000

0,0000,000

Perdidas en red

ucciones (mm

cda/m)

0,0000,215

0,3220,000

0,0000,000

0,000

Manguera Flexible (m

)0,000

0,0000,000

0,0002,500

2,5002,500

Factor de Perdidas en M

angueras0,000

0,0000,000

0,0000,048

0,0480,048

Perdidas de presión en m

angueras0,000

0,0000,000

0,0000,120

0,1200,120

Perd

idas d

e carga po

r cada tram

o (m

mcd

a/m)

16,0010,232

0,4150,000

0,1200,120

0,120

Perd

idas d

e Pesio

n en

el Sistema A

ctual (m

mcd

a)

17,007To

tal Pe

rdid

as mm

cda

100

Anexo I. Perdidas Primera Alternativa

Identificación del tramo

E-BE-C

C-1C

C-3C

B-1B

B-3B

D-A

A-1A

A-3A

Caudal (cfm

)176,50

176,5088,25

88,2588,25

88,25221,00

110,50110,50

Caudal (m

^3/s)0,0832

0,08320,0416

0,04160,0416

0,04160,1043

0,050,05

Densidad aire (kg/m

^3)1090,00

1090,001090,00

1090,001090,00

1090,001090,00

1090,001090,00

viscocidad a 50 °(Pa s)0,0000195

0,00001950,0000195

0,00001950,0000195

0,00001950,0000195

0,00001950,0000195

Diám

etro del conducto (in)2,00

2,002,00

2,002,00

2,002,00

2,002,00

Diám

etro del conducto (m)

0,05080,0508

0,05080,0508

0,05080,0508

0,05080,0508

0,0508

Sección del conducto (m^2)

0,00200,0020

0,00200,0020

0,00200,0020

0,00200,0020

0,0020

Velocidad del conducto (m

/s)41,05

41,0520,52

20,5220,52

20,5251,46

25,7324,67

Presión Dinám

ica mm

cda105,31

105,3126,33

26,3326,33

26,33165,51

41,3838,03

Longitud del conducto recto (m)

2,252,25

0,250,25

0,250,30

1,000,25

0,25

Num

ero de reinolds116562969,74

116562969,7458281484,87

58281484,8758281484,87

58281484,87146124011,34

73062005,6770049861,62

Factor de pérdidas en tramo recto

0,01600,0160

0,01600,0160

0,01600,0160

0,01600,0160

0,0160

Perdidas de presión Tramo R

ecto (mm

cda/m)

0,040,04

0,00400,0040

0,00400,0048

0,01600,0040

0,0040

Nº de C

odos de 90°4,00

4,001,00

1,001,00

2,000,00

1,001,00

Nº de C

odos de 45°0,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

Factor de pérdidas en codos 90°0,30

0,300,30

0,300,30

0,300,30

0,300,30

Factor de pérdidas en codos 45°0,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

Perdidas de presión en codos (mm

cda/m)

0,01140,0114

0,01140,0114

0,01140,022789

0,0000000,0073

0,0079

Reducciones

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,00

Factor de pérdidas en reducciones0,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

Perdidas en reducciones (mm

cda/m)

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,00

Manguera Flexible (m

)0,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

Factor de Perdidas en Mangueras

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,00

Perdidas de presión en mangueras

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

Perd

idas d

e carga po

r cada tram

o (m

mcd

a/m)

0,04740,0474

0,01540,0154

0,01540,0276

0,01600,0113

0,0119

Perd

idas P

rimera A

lternativa

Total P

erd

idas m

mcd

a0,2077

101

Anexo J. Perdidas Segunda Alternativa

Iden

tificación

del tram

oI-C

C-1CC-3C

H-B

B-1B

B-3B

G-A

A-1A

A-3A

Caudal (cfm

)221,00

110,50110,50

221,00110,50

110,50221,00

110,50110,50

Caudal (m

^3/s)

0,10430,0521

0,05210,1043

0,05210,0521

0,10430,0521

0,0521

Den

sidad aire (kg/m^3

)1090,00

1090,001090,00

1090,001090,00

1090,001090,00

1090,001090,00

viscocidad a 50 °(Pa s)0,0000195

0,00001950,0000195

0,00001950,0000195

0,00001950,0000195

0,00001950,0000195

Diám

etro del conducto (in)2,00

2,002,00

2,002,00

2,002,00

2,002,00

Diám

etro del conducto (m)

0,05080,0508

0,05080,0508

0,05080,0508

0,05080,0508

0,0508

Sección del conducto (m^2

)0,0020

0,00200,0020

0,00200,0020

0,00200,0020

0,00200,0020

Velocidad del conducto (m

/s)51,46

25,7125,71

51,4625,71

25,7151,46

25,7125,71

Presión Dinám

ica mm

cda165,51

41,3041,30

165,5141,30

41,30165,51

41,3041,30

Longitud del conducto recto (m)

2,250,25

0,252,50

0,250,35

2,250,25

0,25

Num

ero de reinolds146124011,34

72991955,8172991955,81

146124011,3472991955,81

72991955,81146124011,34

72991955,8172991955,81

Factor de pérdidas en tram

o recto0,0160

0,03500,0350

0,01600,0350

0,03500,0160

0,03500,0350

Perdidas de presión Tramo R

ecto

(mm

cda/m)

0,040,0088

0,00880,0400

0,00880,0123

0,040,0088

0,0088

Nº de C

odos de 90°2,00

1,001,00

3,001,00

1,002,00

1,001,00

Nº de C

odos de 45°0,00

0,000,00

0,000,00

4,000,00

0,000,00

Factor de pérdidas en codos 90°

0,300,30

0,300,30

0,300,30

0,300,30

0,30

Factor de pérdidas en codos 45°

0,000,00

0,000,00

0,000,30

0,000,00

0,00

Perdidas de presión en codos

(mm

cda/m)

0,00360,0073

0,00730,0054

0,00730,007264

0,00360,0073

0,0073

Red

ucciones0,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

Factor de pérdidas en red

ucciones0,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

Perdidas en red

ucciones 0,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

Manguera Flexible (m

)0,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

Factor de Perdidas en M

angueras0,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

Perdidas de presión en m

angueras0,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

0,000,00

Perdidas de carga por cada tramo

(mm

cda/m)

0,03960,0160

0,01600,0454

0,01600,0195

0,03960,0160

0,0160

Perd

idas Segu

nd

a Altern

ativa

Total Perdidas mm

cda0,2243

102

Anexo K. Promedio total del tiempo de producción

Tiempo Promedio De Producción

Referencia Horas/Mes Horas/Día

El País 40,6 1,35

Q Hubo Cali 28,6 0,95

Q Hubo Palmira 8,4 0,28

Tiros de Adelanto 48,5 1,62

Promedio Total 126,1 4,2

Fuente: Gerencia Producción de la Empresa El País

Anexo L. Diagrama de Moody