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ANÁLISIS COMPARATIVO PRODUCTIVO Y ENERGÉTICO

PARA MÓDULOS DE PRODUCCIÓN DE AZÚCAR

ORGÁNICADr. Ing. Daniel MarceloMgtr. Ing. Raúl La Madrid OlivaresIng. Hans Santamaría ChipanaBach. Paul Ian Villar Yacila

SECCIÓN ENERGÍA – FACULTAD DE INGENIERÍAwww.udep.edu.peAv Ramón Mugica 131. Piura. Perú 1

XXI Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXI SPES) Piura, 10 – 14.11.2014.

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INTRODUCCIÓN

• La producción de panela granulada en Piura es una actividad relevante en las comunidades rurales, teniendo un importante impacto en los aspectos: social, económico y ambiental.

• Se hace necesario realizar una evaluación productiva y energética basada en principios termodinámicos para conocer el estado de los distintos módulos paneleros

• Esta evaluación permite cuantificar dichos indicadores que, a su vez, ayudan a identificar mejoras tecnológicas que logren aumentar la competitividad de esta cadena productiva.


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PROCESO PRODUCTIVO DE PANELA GRANULADA


INDICADORES PARA EVALUACIÓN MÓDULOS

PANELEROS

• Se han analizado siete tipo de indicadores, los cuales se listan a continuación:

1.Eficiencia del cultivo (I1)

2.Eficiencia de bagazo (I2)

3.Pérdidas de energía en la chimenea (I3)

4.Pérdidas de calor en las paredes (I4)

5.Eficiencia global del módulo panelero (I5)

6.Eficiencia energética de la hornilla (ηe)

7.Capacidad de producción (ηpanela-tiempo)


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Eficiencia del cultivo (I1)

• Este indicador expresa la razón de la masa de panela producida entre la caña de azúcar procesada:

1pa

ca

mI

m=


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Eficiencia del bagazo (I2)• En el proceso de producción de panela granulada se espera

que con el mismo bagazo que se genere se pueda dar calor al proceso. Este indicador permite conocer el grado de autoabastecimiento energético de cada módulo panelero de la siguiente manera:

2 100%bg bu

bg

m mI

m

-= *

• Tanto el bagazo generado como el bagazo usado deben estar en base seca de manera que se pueda ofrecer una comparación directa: ( ), 100

100

bg húmedo bgbg

m wm

* -=

( ), 100

100bu húmedo bu

bu

m wm

* -=


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Pérdidas de energía en la chimenea (I3)• Con este indicador se calcula la cantidad de energía

térmica perdida en los gases de escape en comparación con la energía suministrada por el bagazo a la hornilla en la cámara de combustión:

3 100%ch

d

QI

Q= *

• La energía perdida en la chimenea (Qch) se obtiene de la

siguiente manera:

( ),ch k k amb kQ n h h= * -å

• La energía disponible por el combustible (Qd) es:

,d bu húmedo bhQ m PCI= *

17765 20270100bu

bhw

PCI = - *


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Pérdidas de calor en las paredes (I4)• Este indicador permite determinar el grado de aislamiento

térmico de la hornilla. Se define de la siguiente manera:

4 100%pp

d

QI

Q= *

• Se calcula el calor perdido en las paredes haciendo el siguiente balance de energía:

pp d v chQ Q Q Q= - -

• El nuevo término introducido en la ecuación anterior (Qv) es

la energía aprovechada en el proceso, la cual se distribuye de la siguiente manera:

v ae ch pQ E E E= + +


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Pérdidas de calor en las paredes (I4)• A su vez, para cada uno de los términos anteriores se

plantean las siguientes ecuaciones:

( ), ,ae ae p ae sat agua amb ae fgE m C T T m h= * * - + *

( ), ,ch ch p ch sal ch ambE m C T T= * * -

( ), ,p pa p p sal p ambE m C T T= * * -


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Eficiencia global del módulo panelero (I5)• Es la relación entre el bagazo seco usado en la hornilla y la

panela producida:

5bu

pa

mI

m=


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Eficiencia energética de la hornilla (ηe)• Apoyados en los conceptos de eficiencia y segunda ley de la

termodinámica, podemos afirmar que este indicador relaciona la energía aprovechada en el proceso y la energía disponible por el combustible:

100%ve

d

Q

Qh = *


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Capacidad de producción (ηpanela-tiempo)• Este indicador es el cociente de la masa de panela

producida en kilogramos, entre el intervalo de tiempo (horas) transcurrido desde el encendido de la hornilla hasta la hora de salida del último ‘punteo’:

papanela tiempo

m

tiempo-h =


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RESULTADOS• Se analizaron tres módulos paneleros ubicados en el

distrito de Montero, provincia de Ayabaca, en el departamento de Piura – Perú.

Designación UbicaciónTipo de planta

panelera

M1Santa Rosa de Chonta

MonteroAyabaca - Piura - Perú

Tipo Ward CIMPA

M2 Marmas Bajo – MonteroAyabaca - Piura - Perú

Tradicional

M3 Santa Lucía – MonteroAyabaca - Piura - Perú

Tradicional


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Módulo de Santa Rosa de Chonta


15

Módulo de Marmas Bajo


16

Módulo de Santa Lucía


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METODOLOGÍA

LISTA DE MATERIALES, EQUIPOS E INSTRUMENTOS

Bolsos de lona

Tachos o baldes plásticos industriales

Bolsas de plástico con cierre hermético resellables

Cooler para traslado de muestras

Analizador de gases

Termocuplas con rango de operación [0-200°C] y [0-1200°C]

Barómetro

Higrómetro

Refractómetro

Balanzas

Taladro y brocas

Cajas de cintas para medición de pH

• A continuación se muestran los materiales equipos e instrumentos con los que se realizaron las mediciones para obtener los indicadores:


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METODOLOGÍA


• Con la lista de materiales se obtuvo lo siguiente:

DATOS OBTENIDOS

Pesaje del bagazo combustible, caña de azúcar y bagazo fresco

Medición de intervalos de tiempo

Medición del porcentaje de extracción

Medición de la temperatura en la base de la chimenea

Medición de la composición de los gases en la chimenea

Medición de la temperatura del jugo en las pailas

Medición de pH y grados Brix de los jugos

Medición de las condiciones ambientales

Pesaje del bagacillo, de la cachaza y de la panela granuladaMedición de humedad de la panela, bagazo fresco y bagazo combustible

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Comparación y discusión del rendimiento del cultivo (I1)

• Según la bibliografía consultada este indicador generalmente tiene un valor de 0.10. Se puede observar en el mismo gráfico la productividad más alta la tiene el módulo M1 (módulo de Santa Rosa de Chonta).


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Comparación y discusión del rendimiento de bagazo (I2)

• Este parámetro depende mucho de la tecnología empleada en la construcción de hornillas paneleras. El único módulo panelero autosuficiente es el módulo M1 (módulo de Santa Rosa de Chonta), exceso de bagazo del 8.697%. El signo negativo de los otros indicadores señala que necesitan más combustible del que están generando para cubrir el requerimiento energético del proceso.


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Comparación y discusión de las pérdidas en la chimenea (I3)

• En los tres módulos, de toda la energía disponible que suministra el bagazo, aproximadamente, el 40% de dicha energía se pierde en los gases de escape.


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Comparación y discusión de las pérdidas en las paredes (I4)

• Los valores de este indicador para los módulos M2 y M3 reflejan un deficiente aislamiento térmico. Cosa distinta sucede con el módulo M1, esto es debido a que tanto en la cámara de combustión como en el ducto de humos se emplean dos capas de material, una de ellas es de ladrillo refractario.


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Comparación y discusión del rendimiento global del módulo

panelero (I5)• El valor más alto lo tiene el módulo M2, debido al bajo aprovechamiento de la energía en un módulo panelero de tipo tradicional, también influye la baja extracción del molino (55.1%), debido a la gran tolerancia que existe entre sus mazas. El módulo M1, tiene un mejor comportamiento que combina una extracción del molino de 66% y un mejor diseño en la cámara de combustión.


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Comparación y discusión la eficiencia energética de la

hornilla (ηe)• Los módulos paneleros M2 y M3 reflejan un deficiente aprovechamiento de la energía en el proceso. El módulo panelero M1 supera ampliamente los valores anteriores, ya que aprovecha correctamente la energía disponible por el combustible, cuenta con un buen diseño, el tipo de pailas empleadas tiene una gran influencia, así como la ubicación de las mismas, etc.


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Comparación y discusión de la capacidad real de producción

(ηpanela-tiempo)• En el módulo M1 cada punteo sale cada 30 min aproximadamente. En los módulo M2 y M3 hay que esperar 1 hora y 1 hora con 38 minutos, respectivamente, para cada punteo. A igualdad de tiempos de producción, la cantidad de panela obtenida es mayor el módulo de santa Rosa de Chonta.


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Comparación y discusión de los balances de energía por módulo

Balance energético del módulo santa Rosa de ChontaBalance energético del módulo Marmas BajoBalance energético del módulo santa Lucía


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CONCLUSIONES• Estos indicadores sirven para diagnosticar el estado en que

se encuentran los módulos paneleros, desde el punto de vista energético y productivo.

• A través de los indicadores, se pueden identificar los problemas que existen en los módulos paneleros y así realizar cambios o mantenimientos respectivos, dependiendo del financiamiento de cada módulo panelero.

• A pesar de las innovaciones tecnológicas, sigue existiendo un alto potencial energético que se pierde con los gases de combustión, debido a las altas temperaturas de los gases en la chimenea y en algunos casos debido a los excesos de aire.


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CONCLUSIONES• La aplicación de la ingeniería en el diseño de plantas

paneleras, demuestra que dichas plantas pueden aumentar significativamente la eficiencia energética del módulo panelero, así como el autoabastecimiento del bagazo, tal como ocurre en el módulo M1 (Módulo de santa Rosa de Chonta), lo cual significa que todavía es necesario mejorar la tecnología existente en la sierra de Piura.

• El desempeño global de los módulos paneleros ha alcanzado niveles positivos, gracias a las innovaciones tecnológicas ha permitido un mejor aprovechamiento de la caña de azúcar.


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¡ MUCHAS GRACIAS!

• Dr. Daniel Marcelo Aldana

Email: [email protected]

Telf: +5173-284500

• Mgtr. Raúl La Madrid Olivares


Telf:+5173-284500

• Ing. Hans Santamaría Chipana

• Bach. Paul Ian Villar Yacila


Telf: 969057045


mailto:[email protected]



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