MONTAJE Y EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UNA PLANTA …
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MONTAJE Y EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UNA PLANTA PILOTO PARA PULVERIZAR PANELA RICARDO ANDRÉS ARIAS ARIZA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE MECÁNICA BOGOTA D. C. 2002
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MONTAJE Y EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UNA PLANTAPILOTO PARA PULVERIZAR PANELA
RICARDO ANDRÉS ARIAS ARIZA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE MECÁNICABOGOTA D. C.
2002
MONTAJE Y EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UNA PLANTAPILOTO PARA PULVERIZAR PANELA
AUTOR:
RICARDO ANDRÉS ARIAS ARIZA
CÓDIGO 199722884
UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE MECÁNICABOGOTA D. C.
2002
MONTAJE Y EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UNA PLANTAPILOTO PARA PULVERIZAR PANELA
AUTOR:
RICARDO ANDRÉS ARIAS ARIZA
CÓDIGO 199722884
PROFESOR ASESOR:
ING. GERARDO GORDILLO
UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE MECÁNICABOGOTA D. C.
2002
III
Bogotá D. C., enero 30 de 2003
DOCTORALVARO ENRIQUE PINILLADIRECTOR DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICAUNIVERSIDAD DE LOS ANDESCIUDAD
Apreciado Doctor:
Someto a su consideración el proyecto de grado titulado MONTAJE YEVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UNA PLANTA PILOTO PARAPULVERIZAR PANELA, que tiene como objetivo poner en funcionamiento laplanta piloto para pulverizar panela y por medio de experimentos medir laeficiencia de ésta para su caracterización.
Considero que este proyecto cumple con sus objetivos y lo presento comorequisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico.
Cordialmente,
RICARDO ANDRÉS ARIAS ARIZACódigo 199722884
IV
Bogotá D. C., enero 30 de 2003
DOCTORALVARO ENRIQUE PINILLADIRECTOR DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICAUNIVERSIDAD DE LOS ANDESCIUDAD
Apreciado Doctor:
Someto a su consideración el proyecto de grado titulado MONTAJE YEVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UNA PLANTA PILOTO PARAPULVERIZAR PANELA, que tiene como objetivo poner en funcionamiento laplanta piloto para pulverizar panela y por medio de experimentos medir laeficiencia de ésta para su caracterización.
Certifico como asesor que el proyecto de Grado cumple con los objetivospropuestos y que por lo tanto califica como requisito para optar el título deIngeniero Mecánico.
Cordialmente,
GERARDO GORDILLO ARIZAProfesor asesor
V
AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus agradecimientos a:
GERARDO GORDILLO ARIZA, profesor de la Universidad de los Andes y asesor
del proyecto.
PESONAL DE MECÁNICA DEL CENTRO DE INNOVACIÓN Y TECNOLOGÍA DE
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES (CITEC).
A todas aquellas personas que en una u otra forma colaboraron en la realización
del presente proyecto.
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A mis padres,
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
TABLA DE CONTENIDO
OBJETIVOS ..........................................................................................................................8
FORMULACION DEL PROBLEMA.................................................................................10
JUSTIFICACIÓN................................................................................................................12
1 INTRODUCCIÓN........................................................................................................14
2 GENERALIDADES DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE PANELA............16
2.1 EXTRACCIÓN DE LOS JUGOS..................................................................16
2.2 PURIFICACIÓN DEL JUGO.........................................................................17
2.3 EVAPORACIÓN DEL JUGO........................................................................18
2.4 MOLDEO Y EMPAQUE ................................................................................18
3 EVAPORACIÓN .........................................................................................................19
3.1 INFLUENCIA DE LA PRESIÓN...................................................................20
3.2 INFLUENCIA DEL AZUCAR........................................................................20
3.3 INFLUENCIA DE COMBINADA...................................................................20
3.4 LIMITE DE EVAPOACION...........................................................................21
3.5 PRESIÓN HIDROSTÁTICA..........................................................................21
4 MULTIPLE EFECTO..................................................................................................22
5 EQUIPO DE VACÍO A UTILIZAR............................................................................24
5.1 VALORES HABITUALES DEL VACÍO.......................................................24
5.2 EYECTOR O BOMBA A CHORRO.............................................................24
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
6 DESCRIPCION DE LA MÁQUINA ..........................................................................26
7 MONTAJE Y PUESTA EN MARCHA DE LA MÁQUINA.....................................30
7.1 MONTAJE .......................................................................................................30
7.2 PUESTA EN MARCHA .................................................................................32
8 PRUEBAS PRELIMINARES ....................................................................................34
9 PRUEBAS PARA CARACTERIZAR LA PLANTA PILOTO.................................39
9.1 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA CON AGUA.......39
9.2 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA CON PANELA ..40
9.3 DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA.....................................................41
9.3.1 Eficiencias Parciales..................................................................................41
9.3.2 Eficiencia Total...........................................................................................44
10 CARACTERIZACIÓN DE LA PLANTA PILOTO...............................................45
10.1 PRUEBAS CON AGUA.................................................................................45
10.1.1 Prueba 1 ......................................................................................................45
10.1.2 Prueba 2, 3 y 4 ...........................................................................................46
10.1.3 Pruebas 5 y 6 ..............................................................................................47
10.1.4 Análisis de las eficiencias obtenidas.......................................................48
10.2 PRUEBAS CON PANLEA ............................................................................50
10.2.1 Pruebas 1 y 2 ..............................................................................................51
10.2.2 Otras pruebas .............................................................................................54
10.2.3 Análisis de las eficiencias obtenidas.......................................................57
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11 CONCLUSIONES ..................................................................................................60
12 BIBLIOGRAFIA.......................................................................................................66
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TABLA DE FIGURAS
Figura 1. Evaporador estandar de cuartuple efecto ..................................................22
Figura 2. Eyector .............................................................................................................25
Figura 3. Esquema de la máquina ...............................................................................27
Figura 4. Máquina ...........................................................................................................28
Figura 5. Unión universal...............................................................................................31
Figura 6. Recipiente con estufa eléctrica....................................................................35
Figura 7. Olla a presión con estufa a gas ...................................................................36
Figura 8. Muestra 1 .........................................................................................................53
Figura 9. Muestra 2 .........................................................................................................53
Figura 10. Muestra 3 .....................................................................................................55
Figura 11. Muestra 4 .....................................................................................................55
Figura 12. Muestra 5 .....................................................................................................56
Figura 13. Muestra 6 .....................................................................................................57
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Eficiencias de la planta piloto en pruebas con agua ................................49
Tabla 2. Eficiencias de la planta piloto en pruebas con panela .............................58
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LISTA DE ANEXOS
ANEXO 1. Relación entre la presión y la temperatura del vapor de agua
saturado seca a presiones inferiores a la atmosférica.................................................68
ANEXO 2. Incremento del punto de ebullición para soluciones azucaradas
(Boiling Point Rise BRP)...................................................................................................69
ANEXO 3. Elevación del punto de ebullición de soluciones azucaradas y jugos
de caña de azúcar a una presión de 760 mm de mercurio (según Claassen y
Thieme) ......................................................................................................................70
ANEXO 4. Nomograma de Othmer y Silvis...............................................................71
ANEXO 5. Perdidas por presión hidrostática............................................................72
ANEXO 6. Plano de eyector BARNES No 16095 ....................................................73
ANEXO 7. Cálculos de las eficiencias en las pruebas con agua...........................74
ANEXO 8. Datos tomados en las pruebas con panela............................................75
ANEXO 9. Tabla de las propiedades del agua a las temperaturas obtenidas ....81
ANEXO 10. Cálculos de las eficiencias en las pruebas con panela....................82
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LISTA DE FOTOGRAFIAS
FOTOGRAFÍA 1. Vista general del sistema montado en el CITEC.......................83
FOTOGRAFÍA 2. Sistema montado ............................................................................84
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OBJETIVOS
Objetivo General
Lo que se busca principalmente en este proyecto de grado es realizar el montaje
de una planta piloto para evaporar jugos de caña de azúcar y panela fluida, de tal
forma que el producto final sea panela pulverizada. Una vez esté realizado el
montaje, se procederá a hacer experimentación sobre ésta para caracterizar su
funcionamiento, y en un futuro poder realizar estudios para mejorarlo.
El desarrollo de esta máquina es una alternativa novedosa y de tecnología de
punta para la fabricación de panela, propuesta por el profesor Gerardo Gordillo, en
donde se busca tecnificar la producción de panela, reduciendo los costos de
operación, aprovechando al máximo la energía disponible, para reducir las
perdidas y lograr con bajos costos, alta producción con gran calidad.
Objetivos Específicos
• Revisión de literatura sobre el proceso de fabricación de panela, y el
funcionamiento particular de cada uno de los elementos constitutivos.
§ Familiarizarse con el modo de operación de la planta piloto.
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§ Identificar los elementos constituyentes de la planta piloto.
§ Conocer el funcionamiento interno de los elementos de la planta piloto.
• Montaje de la planta piloto.
• Experimentación para caracterizar el funcionamiento de la máquina.
• Análisis del funcionamiento para calcular la eficiencia.
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FORMULACION DEL PROBLEMA
En nuestro país la fabricación de panela es una industria muy importante y antigua
que siempre se ha caracterizado por utilizar métodos artesanales para la
obtención de este producto, pero debido a que la fabricación de panela por el
método tradicional no es muy eficiente, ya que las perdidas de energía calorífica
son muy altas, la inversión en combustible para proporcionar suficiente energía
para realizar el proceso de evaporación también se vuelve alto; lo que se traduce
en un alto costo de operación que no es viable para ninguna industria, ya que lo
que siempre se está buscando es un mejoramiento continuo en miras a disminuir
las pérdidas y poder aprovechar al máximo todos los recursos para hacer una
producción de gran calidad y a un costo no tan alto.
En la fabricación de panela existen cuatro etapas básicas, las cuales son la
molienda, la pre-limpieza y limpieza, la extracción y concentración del jugo y el
moldeo y empaque. De estas cuatro etapas la que sufre pérdidas más altas es la
etapa de evaporación y concentración debido a que el calor suministrado por
medio de combustión del bagazo (obtenido en la etapa de la molienda) en las
calderas no es suficiente para evaporar el agua contenida en el jugo, por lo tanto
es necesario adicionar otros elementos que sirvan de combustible para alcanzar
las ratas de calor suministrado necesarias para lograr una evaporación y
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concentración adecuadas, dependiendo de las condiciones de operación y diseño
del trapiche. Todo esto genera un aumento en los costos de operación y los
índices de contaminación suben.
El desarrollo de la tecnología y la búsqueda de mejorar las condiciones de
operación para evitar tantas perdidas y ahorrar dinero han generado alternativas
como la de utilizar un sistema de vacío para reducir el calor suministrado
necesario para realizar la evaporación del agua de los jugos y poder llegar a una
concentración de grados Brix optima.
Por otra parte, en nuestra época, el ahorro de tiempo también es un factor
importante en la producción; de tal manera que si se pudiera disminuir el tiempo
en la etapa de moldeo y empaque de la panela, sería mucho más eficiente este
proceso. Una alternativa sería la de pulverizar la panela y de esta forma evitar el
moldeo que gasta tiempo mientras se endurece la panela.
Teniendo en cuenta estas aseveraciones, se han realizado estudios para diseñar y
fabricar una máquina para evaporar los jugos y producir panela pulverizada, en un
ambiente en donde la temperatura de evaporación sea mucho menor a la de la
presión atmosférica, el cual se logra con un sistema de vacío.
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JUSTIFICACIÓN
La industria azucarera y panelera en Colombia es una de las más importantes y de
mayor antigüedad que existe actualmente, y por lo tanto es importante hacer
estudios sobre como ha venido evolucionando, y como la tecnología que se ha
desarrollado se puede aplicar a este tipo de industrias para mantener un nivel
tecnológico que sea competitivo en cuanto a la calidad, para que a su vez se
pueda aumentar la productividad manteniendo un mínimo de costos de
producción.
Por lo tanto, es importante tener una planta piloto en donde se puedan hacer
estudios y pruebas de cómo se puede lograr este propósito, para que la industria
panelera pueda seguir siendo viable y a su vez mejorar la calidad de sus
productos con miras a ampliar el mercado.
Esta planta piloto va ha ser montada en la Universidad de Los Andes con base en
diferentes investigaciones que se han llevado a cabo en la universidad por
estudiantes de ingeniería mecánica en sus diferentes proyectos de grado y por
profesores de ésta.
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Con ayuda de la planta piloto que cuenta con una tecnología de punta en la
fabricación de panela, los estudios teóricos que se realicen en este tema se
pueden llevar a la práctica para lograr un acercamiento mayor a la realidad. Para
este propósito, es necesario caracterizar su funcionamiento y a su vez, evaluar la
eficiencia de ésta, para tener una referencia de su desempeño y con ayuda de
estudios posteriores hacer modificaciones para lograr un máximo en su eficiencia
y productividad.
Por lo tanto, lo que se busca con este proyecto es desarrollar el montaje y hacer
estudios de cómo es el funcionamiento de esta planta, para poder dar una idea de
cuál es el desempeño de la planta piloto para pulverizar panela. Esto se puede
lograr por medio de estudios teóricos y prácticos para evaluar la eficiencia global
de la planta piloto y según estos resultados realizar algunas sugerencias que
puedan ayudar a su mejoramiento.
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1 INTRODUCCIÓN
La producción de panela es una de las actividades principales en diferentes zonas
urbanas de Colombia, la cual cuenta con aproximadamente 70.000 familias que
derivan sus ingresos de este oficio, y debido a que nuestro país es el segundo
productor mundial de panela, es necesario realizar estudios para poder mejorar la
calidad y la producción a bajo costo, para que este producto siga siendo
importante para nuestra economía y nuestra industria.
La etapa más importante de la fabricación de panela es la evaporación y
concentración de los jugos, debido a que la energía necesaria para este proceso
es alta y demanda gran cantidad de tiempo y combustible. Por esto, en la industria
azucarera se utilizan sistemas de vacío para realizar la evaporación del agua
contenida en los jugos, lo que genera un ahorro considerable de energía debido a
que al disminuir la presión, también disminuye el punto de evaporación del agua,
es decir, se necesita menor cantidad de energía para realizar este proceso.
Teniendo en cuenta estas consideraciones, en la Universidad de Los Andes el
departamento de ingeniería mecánica ha dedicado tiempo al estudio y desarrollo
de nuevas tecnologías para hacer el proceso de fabricación de panela más
eficiente. En las investigaciones realizadas por el Ingeniero Gerardo Gordillo Ariza,
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profesor de la Universidad de Los Andes, se han diseñado varias alternativas para
hacer que la producción de panela se haga de una forma más económica en
cuanto al ahorro de combustible y tiempo en el proceso de evaporación de jugos
de caña para producir panela pulverizada.
Por lo tanto, llevando a cabo este diseño, en este proyecto de grado se va a
realizar el montaje y la caracterización de una planta piloto para producir panela
pulverizada, partiendo de los estudios realizados previamente y la fabricación de la
máquina según el diseño.
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2 GENERALIDADES DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE
PANELA
El proceso de producción de panela es principalmente un proceso de
transformación física continua, que utiliza como materia prima caña de azúcar, y
que por medio de diferentes etapas del proceso, el jugo de la caña de azúcar se
transforma en panela.
2.1 EXTRACCIÓN DE LOS JUGOS
En este proceso se utilizan molinos para caña de azúcar, los cuales están
encargados de aplastar la caña al pasar entre unos grandes rodillos, lo que hace
que el jugo contenido dentro de esta salga. Estos molinos están conformados
principalmente de tres mazas o rodillos, dispuestos triangularmente, encargados
de recuperar el jugo contenido en la caña en dos pasos. En el primer paso se
extrae aproximadamente el 60% del jugo recuperable, y en el segundo el resto. Al
final de este proceso se obtienen dos productos, uno es el jugo de la caña de
azúcar, el cual se transforma en panela, y el otro es el bagazo que se utiliza como
combustible en la caldera.
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La extracción de jugos se mide en términos del peso o en términos de jugo, de la
siguiente manera:
100×=PCPJ
Ep
En donde, Ep es la extracción en peso, PJ es el peso del jugo recuperado y PC es
el peso de una cantidad de caña determinada.
100×−
=PFPC
PJEj
en donde Ej es la extracción en términos de jugo, PF es la fibra contenida en la
muestra de caña en Kg
2.2 PURIFICACIÓN DEL JUGO
La clarificación o defecación del jugo se realiza por medio de la adición de
diferentes sustancias químicas como los son cal (CaO), ácido sulfuroso (SO2),
ácido fosfórico (P2O5), y / o ácido carbónico (Ca(OH)2), decantación, calentamiento
y filtrado; en donde la función de estos es eliminar los ácidos orgánicos contenidos
en el jugo, neutralizando la acidez del mismo, y por medio de diferentes
reacciones químicas que se generan debido a la presencia de estos agentes
purificadores se logra un color mas claro.
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2.3 EVAPORACIÓN DEL JUGO
Este es el paso más importante en la fabricación de panela, debido a que la ésta
se obtiene de la deshidratación del jugo sacado de la caña una vez halla pasado
por la etapa de purificación, y el proceso de deshidratación ocurre elevando la
temperatura del jugo hasta evaporar el agua contenida en él. En este proceso lo
que se requiere principalmente es aumentar la concentración de grados Brix del
jugo (porcentaje de sólidos solubles totales presentes en el jugo) de
aproximadamente 22° Brix hasta un valor cercano a 90° Brix, para luego dar paso
a la etapa de moldeo y empaque.
2.4 MOLDEO Y EMPAQUE
En esta etapa del proceso, las mieles obtenidas de la evaporación y concentración
del jugo, se baten y se enfrían para verterlas en moldes de diferentes
presentaciones; una vez se solidifican totalmente se procede a empacar para su
distribución.
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3 EVAPORACIÓN
El jugo recibido para la realización de este proceso se obtiene de la etapa anterior,
la cual es la clarificación o purificación, el cual contiene agua natural proveniente
de la extracción del jugo en la etapa de extracción. En este proceso se debe
remover una gran cantidad de agua, que se realiza en las grandes industrias por
medio del llamado efecto múltiple.
La evaporación es el proceso de remover agua de una solución por medio del
suministro de calor, incrementando la temperatura de la solución.
Un evaporador esta constituido por dos espacios cerrados, separados por una
pared delgada metálica, en donde se suministra vapor por uno de estos espacios
a una temperatura y presión controlada, que se condensa, transmitiéndole su calor
latente a la superficie y luego a la solución a evaporar, que se encuentra en el otro
espacio. La rata de transferencia de calor de un espacio al otro esta determinada
por la diferencia de temperaturas existente entre ellas.
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3.1 INFLUENCIA DE LA PRESIÓN
La temperatura de ebullición del agua depende de las condiciones que se
encuentre; esto es, que a una presión dada la temperatura aumenta o disminuye,
como también las propiedades especificas. Dependiendo de la presión o el vacío,
la temperatura de ebullición aumenta o disminuye, lo cual se puede notar en el
anexo 1.
3.2 INFLUENCIA DEL AZUCAR
La temperatura de ebullición de soluciones azucaradas es mayor que la
temperatura necesaria para evaporar agua pura a la misma presión o vacío; este
incremento se denomina incremento en el punto de ebullición.
El estudio de este incremento es complicado debido a que éste varia con la
pureza, pero una aproximación valida es que este incremento es proporcional al
peso de los sólidos disueltos por 100 partes de agua, esto corresponde a
Brix/(100-Brix), como se puede observar en el anexo 2 y anexo 3.
3.3 INFLUENCIA DE COMBINADA
El efecto que se produce en el punto de ebullición del agua debido a la presión y el
efecto que produce la pureza en la solución al mezclarse producen una variación
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en la temperatura, la cual se puede calcular con ayuda del nomograma de Othmer
y Silvis, que se presenta en el anexo 4.
3.4 LIMITE DE EVAPOACION
La evaporación del agua contenida en el jugo de caña se debe realizar hasta un
punto en donde la concentración de grados Brix no supere los 70°, debido a que el
punto de cristalización del jugo esta entre los 72° y 75°, para luego pasar a la
etapa de concentración y moldeo.
3.5 PRESIÓN HIDROSTÁTICA
La temperatura de ebullición correcta de cualquier solución a una presión o vacío
determinado es en donde la ebullición se presenta en la superficie del liquido. Si la
evaporación ocurre por debajo de la superficie, la temperatura de ebullición
aumenta por que ésta evaporación es a mayor presión debido a la suma de la
presión hidrostática
Las superficies de calentamiento de los evaporadores siempre están cubiertas de
jugo con gran o poca profundidad, lo que hace que se presente el efecto de la
presión hidrostática. Este efecto de la presión es mayor cuando el vacío se
incrementa, debido a que el incremento de la temperatura de ebullición para un
incremento de presión es mayor cuando el vacío es menor (ver anexo 5).
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4 MULTIPLE EFECTO
La fabricación de azúcar por medio de este método inicio en 1830 por Norbert
Rillieux, un norteamericano de origen francés, quien propuso reutilizar el vapor
para calentar varias fracciones de jugo.
Figura 1. Evaporador estandar de cuartuple efecto
El calentamiento del jugo de caña para evaporar el agua contenida en él se realiza
por medio del suministro de calor. Este suministro de calor se hace con vapor. El
método de múltiple efecto es utilizar el vapor obtenido por la evaporación del agua
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del jugo, para calentar otra porción de jugo en otro recipiente, y así
sucesivamente. Pero para lograr aprovechar este vapor es necesario crear un
vacío en las etapas siguiente cada vez mayor para que la temperatura de
evaporación sea menor y con el vapor obtenido por el efecto anterior se pueda
lograr este propósito sin tener que suministrar mas calor.
En la industria de caña de azúcar, la evaporación por múltiple efecto esta
conformada por tres, cuatro o cinco evaporadores conectados en serie. Cada
evaporador es llamado efecto o cuerpo. La forma usual de cada cuerpo es un
tanque vertical cilíndrico sellado.
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5 EQUIPO DE VACÍO A UTILIZAR
La máquina que se va a caracterizar en este proyecto, para generar vacío utiliza
un sistema de vacío pasivo, el cual esta conformado por un motor eléctrico de 9
HP de potencia que va conectado a una bomba de agua reciprocante y un eyector
o bomba a chorro que es el encargado de generar el vacío necesario para el
funcionamiento de la máquina.
5.1 VALORES HABITUALES DEL VACÍO
La función del vacío es hacer desarrollar y crecer los cristales del azúcar. La
característica más importante de la operación de un cuerpo de vacío que
determina la calidad del azúcar producida son las condiciones de circulación y
temperatura. Industrialmente se pueden obtener vacíos cercanos al vacío absoluto
(76 cm de mercurio), pero para la fabricación de azúcar de caña el vacío necesario
esta entre los 64 y 66 cm de mercurio al nivel del mar.
5.2 EYECTOR O BOMBA A CHORRO
El principio de su funcionamiento está basado en el efecto dinámico de los chorros
de agua que, penetrando en el vaso de la columna barométrica, arrastran con ello
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por fricción el aire que tiene el condensador si la sección transversal de la columna
barométrica es lo suficientemente pequeña para asegurar una velocidad
apropiada, las burbujas de aire se desalojan al pozo de la columna.
Para obtener vacío es necesario condensar los vapores liberados por el aparato a
la temperatura correspondiente.
La utilización de un condensador eyector es apropiada para este caso en donde
entra agua a alta presión convergiendo a agua en la salida, evitando la necesidad
de un bomba de vacío, ver plano en el anexo 6.
Figura 2. Eyector
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6 DESCRIPCION DE LA MÁQUINA
El funcionamiento de la máquina que se va a montar, y luego a caracterizar se
basa principalmente en un sistema de vacío, el cual es el encargado de reducir la
cantidad de energía necesaria para evaporar el agua contenida en el jugo de
caña.
Esta planta esta conformada por un motor eléctrico de 9 HP de potencia
conectado a una bomba reciprocante, la cual se encarga de hacer recircular agua,
y con ayuda de un eyector a chorro de agua se genera el vacío necesario para
mantener el sistema de vacío pasivo de la máquina que se va a caracterizar.
Esta máquina esta conformada por tres cámaras independientes entre sí, en la
primera cámara (cámara de vacío) se genera vacío y se introduce jugo de caña
para evaporar el agua de este, en la segunda cámara (cámara de evaporación) se
hace circular vapor de agua a presión atmosférica con el objeto de calentar la
superficie de la cámara anterior y la función de la tercera cámara (cámara de
aislamiento) es proporcionar un aislamiento a la máquina para disminuir las
perdidas de transferencia de calor. Estas tres cámaras son independientes y no
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existe ninguna comunicación a través de ellas excepto por las paredes en donde
la comunicación es por conducción de calor.
Figura 3. Esquema de la máquina
La función de esta máquina es, con ayuda del vacío generado, y por medio del
calentamiento de sus paredes, transferir calor al jugo de caña para elevar su
temperatura al punto de evaporación y de esta manera eliminar el agua contenida
en el jugo, y por medio de una agitación constante transformar el jugo de caña en
panela pulverizada con un grado de humedad mínimo.
El calentamiento de las paredes de la máquina se realiza por medio de transportar
vapor de agua por un ducto, y por efecto de transferencia de calor, más
específicamente por conducción. La evaporación del agua se realiza con ayuda de
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una caldera. Mientras que la agitación continua del jugo se realiza con ayuda de
un motor con un variador de velocidad que esta conectado a un reductor de
velocidad de 50:1, y este finalmente se conecta a un eje situado al interior de la
máquina, el cual tiene unas paletas que realizan esta función.
Figura 4. Máquina
Todos estos elementos están conectados por medio de ductos encargados de
transportar agua y mantener el vacío. El motor, la bomba reciprocante, el eyector,
las válvulas de paso necesarias, son propiedad de la Universidad de Los Andes
los cuales fueron adquiridos en investigaciones anteriores de esta misma área y
con propósitos de tecnificación de la industria panelera. La máquina fue
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proporcionada por el ingeniero Gerardo Gordillo, el cual fue el encargado de su
diseño y fabricación. En las fotografías se puede observar la planta piloto en su
conjunto
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7 MONTAJE Y PUESTA EN MARCHA DE LA MÁQUINA
El montaje de la máquina que se va a caracterizar se realizó teniendo en cuenta
las consideraciones iniciales del diseño en las investigaciones previas. Este
montaje se realizo en las instalaciones del centro de innovación y tecnología de la
Universidad de los Andes (CITEC), en un laboratorio designado para realizar este
proyecto.
7.1 MONTAJE
Una vez se tenían todos los equipos necesarios para el funcionamiento de la
máquina se procedió a realizar el montaje. Como primera medida se realizaron
ajustes en la base de la máquina para alcanzar una altura adecuada para el
funcionamiento, alargándole las patas.
En esta base están situados la máquina a caracterizar, un reductor de velocidad
de 50:1, y un motor con variador de velocidad. Estos tres elementos se deben
montar cuidadosamente para que su funcionamiento en conjunto sea optimo, por
lo que se mando a hacer una unión universal para la alineación del reductor con el
eje, para finalmente montarlo en la base de una forma alineada para evitar
perdidas y averías en el motor, como se puede observar en la figura 4.
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Figura 5. Unión universal
Se utilizó tubería de PVC de 1 ¼” de alta presión para realizar las conexiones
entre la salida de la bomba y el eyector, entre el eyector y el tanque de
almacenamiento de agua, por donde circula solamente agua. A la salida de la
bomba, también se instaló una válvula de paso, que tiene la función de regular el
caudal entregado por la bomba, el cual va a determinar el vacío que se genere
debido a la acción del eyector.
Entre el eyector y la máquina, también se utilizó tubería de PVC de 1 ¼” de alta
presión, por donde se va a generar el vacío, por lo que no va a circular agua. En
esta trayectoria además de la tubería se instalo un vacuo metro utilizado para
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poder controlar y verificar el vacío generado dentro de la tubería y la máquina.
También se instaló una válvula de paso encargada de cortar el vacío entre la
máquina y la tubería.
La instalación de tuberías se debe realizar con mucho cuidado y utilizando los
productos y herramientas necesarias para evitar fugas. Por esto, cuando la tubería
se iba a unir por medio de roscas la utilización de cinta de teflón es necesaria.
Cuando la unión era por medio de acoples es necesario utilizar un limpiador y
luego soldadura para PVC. Estos elementos se deben proporcionar de manera
suficiente para asegurar que las uniones queden perfectamente selladas y no
permitan el escape ya sea de agua o entrada de aire, lo cual perjudicará la
generación de vacío.
7.2 PUESTA EN MARCHA
Una vez realizados todos las instalaciones de tubería necesarias y verificar que
todo este montado correctamente se procedió a hacer una pequeña prueba del
funcionamiento del conjunto completo.
Al realizar la primera prueba, cuando se puso en marcha el motor para hacer
recircular agua por medio de la bomba y generar vacío con ayuda del eyector, algo
no estaba funcionando correctamente, pues el sistema no estaba generando
vacío. Después de hacer revisiones de escapes en la tubería y demás elementos
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
33
de la máquina, en donde no se encontró ninguno. Se concluyó que el problema
estaba en que el tanque de suministro de agua, el cual al subirle el nivel del agua
contenida en él, el vacío empezaba a aumentar; debido a esto se implemento un
sistema de circulación de agua cerrado, es decir que la salida del agua re-
circulada esta sumergida dentro del tanque.
Cuando se realizaron pruebas al motor con variador de velocidad, se encontraron
fallas, las cuales generaron el no funcionamiento de este; al revisar el circuito
eléctrico del variador se encontró que habían unas soldaduras en mal estado que
habían causado todo esto, por lo que se procedió a repararlas y el motor volvió a
su funcionamiento normal.
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34
8 PRUEBAS PRELIMINARES
Antes de realizar las pruebas generales para caracterizar el funcionamiento de la
máquina con panela, se realizaron unas pruebas preliminares para caracterizar el
funcionamiento de esta con agua, para determinar su funcionamiento y la
eficiencia de esta.
En la primera prueba que se realizó, se utilizó como caldera una estufa eléctrica
de un puesto para calentar un recipiente de acero inoxidable de gran tamaño.
Después de realizar un calentamiento constante con la estufa al máximo de
potencia durante cuatro horas consecutivas, no se consiguió evaporar el agua
contenida en el recipiente que era aproximadamente de tres litros.
Debido a que la potencia de la estufa no era muy alta y que el recipiente era muy
grande en comparación de la cantidad de agua, al evaporarse ésta dentro del
recipiente, el vapor que trataba de salir de este recipiente se condensaba en las
paredes y nunca se podía cumplir el propósito de evaporación. De esta prueba se
concluyo que la utilización de este recipiente no era una buena idea para este
propósito, por lo que se propuso la utilización de una olla a presión en lugar del
recipiente.
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35
Las siguientes pruebas realizadas de aquí en adelante se realizaron con una olla a
presión utilizada para el calentamiento de agua para su evaporación y con éste
calentar las paredes de la máquina.
Figura 6. Recipiente con estufa eléctrica
Mediante otra prueba realizada posteriormente, se pudo concluir que la estufa
eléctrica no tenia suficiente potencia para realizar el trabajo necesario debido a
que se demoraba mucho tiempo en la evaporación del agua y luego en la
estabilización del sistema, el cual no lograba llegar al punto máximo, que es el de
expulsar vapor en la salida del ducto de vapores, pues solamente alcanzaba a
expulsar agua condensada a 70° Celsius. Debido a esto, se planteo que se
necesitaba una fuente de calor que fuera más potente, y una alternativa muy
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36
buena era la de cambiar la estufa eléctrica por una estufa a gas de un puesto. Por
lo que se procedió a conseguir una estufa que funcionara con gas propano, la cual
se utilizaría de aquí en adelante.
Figura 7. Olla a presión con estufa a gas
El análisis comparativo de la estufa eléctrica contra la estufa a gas se presentará a
continuación:
Estufa eléctrica
IVP ×=
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37
En donde P es la potencia de la estufa, V el voltaje e I es la corriente, estos datos
se obtuvieron al realizar mediciones durante su funcionamiento con la ayuda de un
multímetro para el voltaje y una pinza eléctrica para la corriente.
sKJP
P
AI
VV
17.1
1.98.128
1.9
8.128
=
×===
Este valor de la potencia de la estufa eléctrica en realidad es menor, debido a que
éste es el valor consumido por la estufa.
Estufa a gas (propano C3H8)
LHVmQ ×=••
En donde •Q es la cantidad de calor entregado por la estufa en un tiempo
determinado en KJ por segundo, •m es la masa de gas que se consume por
unidad de tiempo y LHV es el valor calorífico del gas, que en este caso es propano
gaseoso.
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38
sKJQ
Q
KgKJLHV
sKgm
27.2
463524.0
46352
109.4 5
=
×=
=
×=
•
•
−•
De estos cálculos en donde los datos se obtuvieron de forma practica mediante
experimentación pesando el cilindro gas propano antes y después de encender la
estufa, tomar el tiempo de trabajo y luego dividir la masa que se gasto de gas en el
tiempo de trabajo para obtener el •m , y el LHV se saca de las tablas de los libros
de termodinámica (ver bibliografía).
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39
9 PRUEBAS PARA CARACTERIZAR LA PLANTA PILOTO
Una vez se ha cumplido el objetivo del montaje de la planta piloto para pulverizar
panela, para poder cumplir con el objetivo de caracterizar esta máquina es
necesario diseñar y realizar algunos experimentos para luego analizar.
Lo que se busca con esta caracterización es obtener algunas recomendaciones
apropiadas para la utilización de la máquina y su funcionamiento, es decir hallar el
desempeño global de la máquina, el cual esta dado por dos eficiencias parciales.
9.1 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA CON AGUA
En esta prueba se buscan hacer experimentos para obtener unos patrones
óptimos del sistema mediante la evaporación de agua, en lugar de jugo de caña
debido a que el agua no contiene azúcar.
En estos experimentos se pondrá en funcionamiento la máquina hasta llegar a una
estabilización de ésta, la cual consiste en obtener a la salida de la cámara 2 vapor;
es decir que toda la superficie de la cámara 1 permanece a la misma temperatura
por transferencia de calor de la cámara de vapor hacia la cámara de vacío. Una
vez esta estabilizado el sistema se procede a añadirle agua a temperatura
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
40
ambiente a la cámara de vacío, y se espera hasta que la totalidad del agua se
evapore.
Durante el desarrollo de este experimento es necesario tomar datos de los
tiempos, las temperaturas, las masas de agua evaporadas para posteriormente
poder analizar el funcionamiento de la máquina, para este propósito se diseño un
formato que facilita la toma de datos el cual se puede observar en las tablas de
datos recopilados en cada experimento.
9.2 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA CON PANELA
Los experimentos que se van a realizar en este tipo de prueba son iguales a la
prueba de funcionamiento de la máquina con agua, pero con la variación de que
en lugar de adicionar agua en la cámara de vacío se adiciona jugo de caña.
Debido a que conseguir jugo de caña es un poco difícil y demorado para la
realización de esta prueba se realizará disolviendo panela pulverizada y
adicionándole azúcar sin refinar para alcanzar los niveles de azucares reductores
necesarios para poder obtener panela pulverizada.
Durante estos experimentos la concentración de la solución de azúcar, panela y
agua se variará para ver el como cambia la eficiencia dependiendo del aumento
de la concentración de azúcar en el agua.
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
41
9.3 DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA
Con los datos obtenidos en los diferentes experimentos por medio de análisis
termodinámicos de transferencia y aprovechamiento de calor se pueden obtener
las eficiencias parciales y finalmente la eficiencia total.
9.3.1 Eficiencias Parciales
El cálculo de la eficiencia de la eficiencia en cada parte del proceso se realiza
mediante la razón entre el calor aprovechado y el calor suministrado. Estas
eficiencias se calculan entre la caldera y el agua que se evapora para pasar a
través de los ductos para calentar la superficie de la cámara de vacío, esta
eficiencia va a ser llamada eficiencia de la caldera.
La eficiencia de la máquina es, la razón entre el calor aprovechado por la máquina
en la cámara de vacío y el calor suministrado por el vapor que circula en la cámara
de evaporación, este calor es el mismo que el calor aprovechado para los cálculos
de la eficiencia de la caldera.
9.3.1.1 Eficiencia de la Caldera
Para calcular esta eficiencia es necesario conocer el calor suministrado por la
caldera, en este caso la estufa que se obtiene mediante la siguiente ecuación,
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
42
Para una estufa eléctrica
IVP ×=
En donde P es la potencia consumida de la estufa, V el voltaje, e I la corriente.
Para una estufa a gas
LHVmQ sum ×=••
En donde sumQ•
es el calor suministrado por la estufa, •m es la masa consumida por
unidad de tiempo de gas propano y LHV es el valor calorífico del propano en
estado gaseoso.
Para calcular el calor aprovechado por la olla a presión para evaporar el agua se
deben tener en cuenta aspectos como •m que es la masa de agua que se evapora
en un tiempo determinado, y las temperaturas entre la entrada y la salida de la
cámara de evaporación, para calcular de las tablas termodinámicas su respectiva
entalpía.
( )fsgeev hhmQ −×=••
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
43
En donde evQ•
es el calor aprovechado, geh es la entalpía a la entrada de la
cámara (vapor de agua), y fsh es la entalpía a la salida de la cámara (agua
condensada).
De esto podemos encontrar la eficiencia que se denota como
sum
evc
Q
Q•
•
=η
9.3.1.2 Eficiencia de la Máquina
Para hallar esta eficiencia, como calor suministrado se utiliza evQ•
y el calor
aprovechado en esta etapa es el calor necesario para evaporar el agua contenida
en la solución a la presión o al vacío existente; debido a esto se necesita conocer
el •m que es la masa de agua que se evapora en un tiempo determinado y, debido
a que hay un cambio de estado de liquido a gas se utiliza la entalpía hfg a la
temperatura de evaporación del agua correspondiente a la presión o vacío
existente.
fgapr hmQ ×=••
De esto, podemos obtener la eficiencia equivalente de la máquina.
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44
ev
aprm
Q
Q•
•
=η
9.3.2 Eficiencia Total
Esta eficiencia equivale al producto de cada una de las eficiencias parciales, en
donde encontramos el desempeño global de todo el sistema en conjunto.
mcTotal ηηη ×=
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45
10 CARACTERIZACIÓN DE LA PLANTA PILOTO
10.1 PRUEBAS CON AGUA
De acuerdo con la descripción de estos experimentos realizada anteriormente, se
realizaron inicialmente los experimentos con agua.
El calor suministrado por la estufa no se calculará en los experimentos debido a
que el calculo de éste se realizó previamente en el capitulo 8, en donde se calculó
el calor entregado por la estufa eléctrica y por la estufa a gas que se utilizaron en
los experimentos
10.1.1 Prueba 1
Para realizar esta prueba, se utilizó como caldera una estufa eléctrica para
calentar agua en una olla a presión. La cantidad de agua que se calentó para la
evaporación era de 6 litros..En este experimento lo que se busca es calcular el
tiempo que gasta la planta para estabilizarse, y hallar la eficiencia en la caldera,
teniendo en cuenta que la cámara de vacío esta desocupada y totalmente seca.
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
46
Las variables a medir en este experimento son la masa que se evapora durante el
experimento, el vacío generado, la temperatura de entrada del vapor, la
temperatura de salida del vapor o condensado y el tiempo de trabajo. Una vez se
tiene claro que variables se van a medir se pone a trabajar la máquina.
En el desarrollo del experimento se realizaron las mediciones respectivas de las
variables con estas, se calculó la eficiencia de la caldera, ver anexo 7.
La eficiencia que se obtuvo fue de 58.53% que es una eficiencia relativamente
alta, debido a que en este experimento se espero bastante tiempo para que el
sistema se estabilizara, pero aún así, no llego al estado deseado que es expulsar
a la salida de la cámara de evaporación vapor de agua, mientras que en este
experimento lo máximo que se logró fue agua condensada a 70° Celsius.
De este experimento se logro constatar que la estufa eléctrica no era la adecuada
debido a que se necesitaba una fuente de calor mas potente para lograr el
propósito de la estabilización de obtener a la salida de la cámara de evaporación
vapor.
10.1.2 Prueba 2, 3 y 4
Partiendo de los resultados obtenidos en la prueba anterior, se utilizó en esta
prueba como caldera una estufa a gas. En estos experimentos se busca encontrar
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
47
la eficiencia de la caldera y la eficiencia de evaporación con unas condiciones
iniciales diferentes a la prueba 1, ya que este se realizará con un litro de agua
dentro de la cámara de vacío, y se tomará el tiempo que se demora en evaporar el
agua. En el caso de la prueba 2 la masa de agua proporcionada es de 1.032 Kg.,
el tiempo que se demora en evaporar esta cantidad de agua es de una hora. En el
caso de la prueba tres la masa de agua es de 0.855 Kg., y el tiempo gastado es de
45 minutos. Para la prueba 4 la cantidad de agua es de 0.918 Kg., y el tiempo que
se demora en evaporar es de 50 minutos.
En todos los casos la operación de la planta genera un vacío de 55 cm de
mercurio, lo cual indica que el punto de evaporación del agua es 22.13° Celsius, y
la temperatura en que encuentran las paredes de la cámara de vacío es mucho
mayor, por lo que el sistema permanece en constante ebullición hasta lograr
evaporar la totalidad del agua contenida en él. Los datos obtenidos en estos
experimentos están tabulados en el anexo 7.
10.1.3 Pruebas 5 y 6
Para la realización de estos experimentos se realiza un precalentamiento de la
máquina para mejorar las condiciones de operación de la máquina. Una vez esté
caliente el sistema, se procede a introducir agua a temperatura ambiente en la
cámara de vacío y se prende el sistema de vacío para luego empezar con la
evaporación.
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
48
El vacío generado en la operación se mantiene constante y como en los otros
casos llega a un valor de 55 cm de mercurio. Las cantidades de agua suministrada
para la evaporación son de 904 y 870 gr., para las pruebas 5 y 6 respectivamente
con unos tiempos de evaporación de 40.5 y 50 minutos. Todos los datos obtenidos
y los cálculos de las eficiencias se encuentran en el anexo 7.
En la prueba 5 las condiciones de operación de la máquina son mejores que en la
prueba 6, debido a que antes de introducir agua para la evaporación se llegó a la
estabilización del sistema, mientras que en la prueba 6 solo se realizó un
precalentamiento, sin llegar a la estabilización, obteniendo a la salida de la cámara
de evaporación agua condensada a 41.6° Celsius.
10.1.4 Análisis de las eficiencias obtenidas
Al recopilar la información obtenida en los diferentes experimentos y calcular las
eficiencias parciales y la eficiencia total se puede ver claramente que la eficiencia
de la caldera no es muy alta, y esto se debe a las condiciones de operación; es
decir de la temperatura del ambiente y todas las perdidas ocasionadas por la
transferencia de calor entre la olla a presión y los alrededores.
Si se compara la eficiencia de la prueba 1 con las demás se puede observar que
esta es la mayor. En esta prueba, como caldera se utilizó una estufa eléctrica que
después de este experimento se cambio por una a gas debido a que su eficiencia
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
49
era muy baja. Esto puede parecer una contradicción, pero las condiciones de
operación de la prueba 1 eran muy diferentes a las de las otras pruebas debido a
que en esta lo que se buscaba era llegar a la estabilización del sistema, pero por
la baja rata de suministro de calor de la estufa solo se podía obtener agua
condensada a 70.1° Celsius, y lo que se deseaba era obtener vapor de agua con
la cámara de vacío desocupada. Con la estufa a gas si se puede lograr la
estabilización con la cámara de vacío desocupada, y en condiciones de trabajo
normales, es decir con agua o jugo de caña en la cámara de vacío se pueden
lograr eficiencias muy parecidas a la obtenida con la estufa eléctrica.
CALDERAEVAPORACIÓN
AGUATOTAL
1 58,53% 0,00% 58,53% 0,0002 48,47% 63,75% 30,90% 1,0323 54,52% 62,60% 34,13% 0,8554 52,29% 63,07% 32,98% 0,9185 55,51% 72,24% 40,10% 0,9046 43,89% 64,75% 28,42% 0,870
PROMEDIO 52,20% 65,28% 33,31%
DESVIACION 0,05 0,27 0,11
PRUEBAEFICIENCIA
AGUA (gr)
Tabla 1. Eficiencias de la planta piloto en pruebas con agua
En el calculo de la eficiencia de la planta en la evaporación de agua contenida en
la cámara de vacío, se puede observar que las eficiencias obtenidas son muy
parecidas, teniendo en cuenta que las dos eficiencias más altas son las obtenidas
en las pruebas 5 y 6. Estos resultados son mejores a los de las demás pruebas
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
50
debido a que las condiciones de operación son mas favorables para la
evaporación de agua debido a que se realiza un precalentamiento para lograr la
estabilización de la máquina y luego si se le añade agua para su evaporación.
La mejor eficiencia se logra en la prueba 5 por que sus condiciones iniciales de
trabajo son optimas debido a que la temperatura de entrada del vapor era de 93.4°
Celsius y la temperatura de salida del vapor era de 92.1° Celsius, mientras que en
la prueba 6 la temperatura de entrada de vapor era de 92.5° Celsius y la
temperatura de salida del agua condensada era de 41.6° Celsius.
De estos experimentos se puede llegar a la conclusión de que es mejor realizar la
evaporación del agua contenida en la máquina partiendo de unas condiciones
iniciales en donde la máquina esté en estabilización, es decir con un
calentamiento previo de la superficie de contacto del agua a evaporar.
10.2 PRUEBAS CON PANLEA
En estos experimentos, partiendo de la conclusión obtenida en las pruebas con
agua, es mejor poner a funcionar la máquina realizando previamente un
calentamiento para lograr la estabilización de la máquina y de esta forma poder
obtener una eficiencia mayor.
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
51
Para la realización de estas pruebas se utilizó una solución de agua, panela
pulverizada y azúcar sin refinar, la cual en cada una de las pruebas se le cambia
la concentración, para ver como es el comportamiento de la máquina según la
pureza del agua que se va a evaporar.
10.2.1 Pruebas 1 y 2
Estos experimentos se realizaron con un calentamiento del sistema hasta llegar a
condiciones de estabilización, en las cuales se obtuvieron temperaturas de
entrada del vapor de 92.2° Celsius y a la salida de 91° Celsius.
Una vez el sistema se estabiliza, se introduce la solución para la evaporación del
agua contenida en ella y obtener como producto final panela pulverizada. Esta
solución se preparó previamente en el laboratorio de química del CITEC con las
siguientes proporciones:
Azúcar: 250 gr.
Panela pulverizada: 500 gr.
Agua: 1015 gr. (prueba 1), 1045 gr. (prueba 2)
Del resultado de la mezcla de estos productos, para la prueba 1 se obtuvo una
solución con una concentración de 40.5° Brix y un PH de 6.51 a una temperatura
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
52
de 18° Celsius. Para la prueba 2 se obtuvo una concentración de 40.4° Brix y un
PH de 6.58 a 20° Celsius.
Luego de que la solución esta dentro de la cámara de vacío, se prende el motor
con variador de velocidad para proporcionarle una agitación continua a la solución
mientras el sistema de vacío se pone en funcionamiento. La velocidad del motor
se regula para obtener una velocidad en la paletas agitadoras; para la prueba 1 es
de 10 revoluciones por minuto, y para la prueba 2 es de 15 RPM.
Con estas condiciones de operación se tomaron los datos necesarios para poder
calcular la eficiencia de la planta piloto, como son la temperatura a la entrada y
salida de la cámara de evaporación, la masa de agua que se evaporó y los
tiempos de trabajo; tomando datos de las temperaturas de entrada y salida de la
cámara de evaporación cada 5 minutos. Todo estos datos se pueden consultar en
el anexo 8.
En estas pruebas como producto final se obtuvo panela pulverizada, debido a la
agitación continua de la solución y que la temperatura de las paredes de la
máquina siempre permanecía por encima de la temperatura de ebullición de la
solución generaba que el agua contenida en ésta se evaporara rápidamente
causando que las partículas de panela y azúcar se cristalizaran.
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
53
Figura 8. Muestra 1
Figura 9. Muestra 2
En estas figuras se puede apreciar el resultado final de las pruebas en donde la
muestra 1 es el resultado de la evaporación de una solución de 250 gr. de azúcar
sin refinar, 500 gr. de panela y 1 litro de agua, agitado a una velocidad de 10 RPM.
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
54
La muestra 2 es el resultado de la prueba 2 en la cual se evaporó una solución de
las mismas características, pero con una velocidad de agitación de 15 RPM. Las
características de estas muestras son buenas, debido a que toda la panela se
pulverizó y el tamaño de los granos es pequeño, y con un color claro en las
muestras, teniendo en cuenta que la muestra 1 es un poco mas amarilla .
10.2.2 Otras pruebas
De acuerdo con lo explicado en las pruebas 1 y 2, se realizaron otras pruebas
similares a estas, de tal forma que lo único que se varío fue la concentración de la
solución manteniendo constante la velocidad de las paletas agitadoras en 15
RPM.
Para cada una de estas pruebas se tomaron los datos respectivos para el calculo
de la eficiencia según las condiciones de operación y se tabularon para su
posterior análisis. Estos datos se pueden consultar en el anexo 8.
Para la prueba 3 se realizó la evaporación de una solución de 500 gr. de panela
pulverizada disuelta en 826 gr. de agua, en la cual la concentración de azucares
reductores era la máxima para lograr panela pulverizada. Debido a que estaba en
el limite el producto final no alcanzo a pulverizarse completamente, dando una
muestra formada de granos grandes y color un poco oscuro.
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
55
Figura 10. Muestra 3
Para la prueba 4 se utilizó una solución de 250.1 gr. de panela y 882.6 gr. de
agua, en donde se obtuvo panela pulverizada, pero con un tamaño de grano no
tan grande y un color oscuro.
Figura 11. Muestra 4
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
56
En la prueba 5 se utilizaron 255.3 gr. de azúcar, con 502.7 gr. de panela disueltos
en 1360.9 gr. de agua para obtener una muestra de panela pulverizada con un
tamaño de grano mediano y un color no tan oscuro.
Figura 12. Muestra 5
Para la realización de esta muestra se disolvieron 2010 gr. de azúcar y 512.5 gr.
de panela en 837.5gr de agua, en donde se obtuvo panela pulverizada con un
grano muy fino y con un exceso de azúcar cristalizado, y un color amarillo claro.
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
57
Figura 13. Muestra 6
10.2.3 Análisis de las eficiencias obtenidas
El calculo de las eficiencias del funcionamiento de la máquina se realizó utilizando
los datos recopilados en cada una de las pruebas, en donde se calcularon las
eficiencias parciales y la total. Para calcular las temperaturas de entrada y de
salida de la cámara de evaporación se sacó un promedio de los datos obtenidos.
Y con estas temperaturas, con ayuda de las tablas termodinámicas y el programa
de computación Computer Aided Thermodynamic Tables 2 (CATT 2).se halla el
valor correspondiente de la entropía necesario para el calculo de la eficiencia ( ver
anexo 9).
Al analizar la eficiencia obtenida en la caldera, se puede ver que los datos
obtenidos son mas bajos que los obtenidos en las pruebas realizadas con agua,
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
58
esto se debe a las condiciones de trabajo y las perdidas por transferencia de calor
con el alrededor.
CALDERAEVAPORACIÓN
PANELATOTAL
1 43,05% 64,71% 27,86% 500,0 250,0 1015,02 38,66% 73,17% 28,29% 500,0 250,0 1045,03 48,89% 54,54% 26,66% 0,0 500,0 826,04 33,90% 75,09% 25,45% 0,0 250,1 882,65 44,57% 61,85% 27,57% 255,3 502,7 1360,96 43,76% 57,74% 25,27% 2010,0 512,5 837,5
PROMEDIO 42,14% 64,52% 26,85%
DESVIACION 0,05 0,08 0,01
AGUA (gr)
PRUEBAEFICIENCIA
AZÚCAR (gr)
PANELA (gr)
Tabla 2. Eficiencias de la planta piloto en pruebas con panela
Las eficiencias de la máquina en la evaporación de panela varían mucho, esto se
debe a la cantidad y calidad de la solución, pues como se explicó en el capitulo 3,
la temperatura de evaporación de una solución azucarada varía de acuerdo a la
concentración de azucares reductores; entonces como los experimentos que se
realizaron se les cambio la concentración de azúcar y panela, su punto de
evaporación también cambia y esto influye directamente en la eficiencia de la
máquina, pues si la temperatura de ebullición aumenta, se necesita mayor
cantidad de calor lo cual produce una disminución en el desempeño de toda la
máquina (ver anexo 10).
Al comparar la eficiencia de la caldera con la eficiencia de evaporación de panela,
se puede ver que siempre es mayor la de evaporación, y en algunos casos llega a
eficiencias muy altas, por lo que se puede concluir que el desempeño de esta
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
59
máquina es muy bueno en cuanto al funcionamiento del evaporador de agua
contenida en jugos de caña o en este caso en una solución de panela y azúcar.
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
60
11 CONCLUSIONES
Luego de realizar la revisión de literatura y familiarizarse con cada uno de los
elementos de la máquina y su funcionamiento, se procedió a realizar el montaje de
esta, encontrando ciertos inconvenientes que se fueron solucionando de la
manera mas rápida y adecuada posible para poder realizar las pruebas
relacionadas con el funcionamiento de la máquina y de esta manera, poder
analizar el comportamiento de los resultados y dar una opinión sobre este.
Los experimentos realizados para poder calcular el desempeño de la máquina se
realizaron con dos sustancias diferentes, en la primera parte se realizaron
experimentos para evaporar agua, y en la segunda parte se realizaron
experimentos para evaporar una solución azucarada, la cual estaba compuesta
por azúcar sin refinar, panela pulverizada y agua en cantidades diferentes para
cada uno de los experimentos, y de esta forma poder observar como se comporta
la máquina en estas condiciones de trabajo.
En los experimentos que se realizaron con agua, después de analizar los datos
recopilados durante su ejecución, se pudo observar que las eficiencias parciales
de la máquina varían de acuerdo con sus condiciones iniciales. Esto es, en la
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
61
parte de la eficiencia de la caldera, está en un rango entre 48% y 58% que no es
tan malo.
Debido a las condiciones de operación se pueden lograr eficiencias de 58% con
una estufa eléctrica, mientras que con una estufa a gas la eficiencia que se puede
lograr es mucho mayor, por que la rata de suministro de calor es mucho mayor, lo
que facilita el aprovechamiento de este para evaporar cierta cantidad de agua.
Al analizar los datos de las eficiencias de la caldera excluyendo el dato que se
obtuvo con el uso de la estufa eléctrica, se puede observar que su eficiencia es en
promedio de 50.9%, lo cual indica que por ser un sistema de transmisión de
energía por medio de calor, se concluye que las perdidas son significativas, y esto
se debe a la falta de aislamiento del recipiente en donde se evapora el agua, a las
condiciones ambiéntales tales como la temperatura, la humedad, la presión, la
velocidad del vientos, que son factores que influyen directamente para que se
transfiera calor desde el recipiente hacia los alrededores, generando una
disminución en la eficiencia de la máquina.
Entonces, se puede decir, para que la máquina funcione de forma adecuada y con
altos índices de eficiencia en la caldera, se puede mejorar algunas condiciones
como la taza de transferencia de calor con una fuente de energía mas potente, y a
su vez proporcionar un aislamiento a las paredes del recipiente en donde se
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evapora el agua, y de esta forma lograr un mínimo de perdidas de calor que se
transfieren al ambiente.
En cuanto a la eficiencia relacionada con la parte encargada de la evaporación de
agua, la eficiencia de la evaporación de agua es mucho mas alta que la eficiencia
de la caldera y esto se debe a las condiciones de operación, y a que la máquina
cuenta con una cámara de aislamiento algunas de sus paredes, y adicionalmente
está en unas condiciones en donde la evaporación de agua se realiza a menor
temperatura a la del ambiente, debido a que está conectada a un sistema de vacío
que permite tal efecto. Al analizar los datos obtenidos en las diferentes pruebas,
se puede ver claramente que la eficiencia de la máquina oscila entre 62 y 64% que
no es muy alta, pero existe un valor de esta que si es considerablemente alto que
es el de la prueba 5 en donde se alcanza una eficiencia de 72.24%, esto se debe
a que las condiciones de operación de la máquina fueron mas favorables debido a
un calentamiento previo de las paredes de la cámara en donde se evapora el
agua. Teniendo estas consideraciones en cuenta, se puede decir que para que la
máquina funcione de manera mas adecuada, es necesario, antes de introducir
agua en la cámara de vacío, realizar un calentamiento para alcanzar la
estabilización de la máquina y obtener mejores índices de desempeño. Si no se
realiza el calentamiento previo hasta alcanzar la estabilización, su eficiencia
disminuye, pero sigue siendo buena. Esto se debe a que está en un sistema de
vacío el cual facilita las condiciones de ebullición del agua cambiándolas de
evaporar a 92° Celsius en Bogotá, se evapora a 22.13° Celsius, lo cual es una
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ayuda muy favorable para el propósito. Al poner en funcionamiento la máquina con
agua adentro de la cámara de vacío, el agua por estar a una temperatura menor
absorbe el calor latente del vapor haciendo que el vapor se condense y se tome
mas tiempo en realizar el proceso de la evaporación causando un decremento en
los índices de eficiencia del sistema.
De esto se puede concluir que para que el sistema funcione a su mayor
capacidad, se debe utilizar la máquina con un precalentamiento hasta llegar al
punto de equilibrio, y luego introducir el agua o la solución a evaporar.
Esta eficiencia en la evaporación del agua se puede aumentar realizando algunas
modificaciones en el aislamiento para mejorarlo, pues cuando se estabiliza la
máquina las paredes exteriores de esta se calientan mucho, y esto genera
perdidas en el suministro de calor de la cámara de evaporación a la cámara de
vacío por la transferencia de calor que se produce entre las paredes de la máquina
y el ambiente.
Una vez se ha caracterizado el funcionamiento de la máquina al evaporar agua
contenida en la cámara de vacío, se realizaron otras pruebas para verificar su
comportamiento al evaporar una solución azucarada, obteniendo valores de la
eficiencia de evaporación de la solución azucarada muy diferentes a los obtenidos
en las pruebas con agua, esto se debe a que la concentración del azúcar en la
solución varia las condiciones de evaporación del agua, haciendo que la
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temperatura de evaporación sea mas alta, lo que genera un incremento en la
necesidad de calor suministrado, y como este suministro se mantiene constante,
esto se ve reflejado en la disminución de la taza de eficiencia de evaporación. Hay
que tener en cuenta que a pesar de esto la máquina se mantiene en una eficiencia
promedio por encima del 50% que es un valor aceptable y que se puede mejorar
realizando los cambios propuestos, como los son el aislamiento adecuado tanto
del recipiente en donde se evapora agua, como en la máquina en donde se realiza
la evaporación del agua contenida en la solución. Otro cambio propuesto es
utilizar una fuente para suministrar de energía mas potente.
Además de estas observaciones, hay que tener en cuenta un factor que es muy
importante en la evaporación de la solución azucarada o jugos de caña de azúcar,
que es la velocidad de agitación de la solución cuando se esta llevando a cabo el
proceso de evaporación de agua contenida en el jugo. En las pruebas 1 y 2 con
panela, se nota este efecto, debido a que esta pruebas se realizaron con
soluciones de concentraciones similares, pero con una variación en la velocidad
de rotación de las paletas, en la prueba 1 la velocidad era menor a la de la prueba
2. Los resultados obtenidos en estas pruebas, nos dicen claramente que la
velocidad de agitación es un factor muy influyente en el mejoramiento de la
eficiencia, ya que al tener mayor velocidad de agitación, las condiciones de
transferencia de calor son mas favorables debido a que esta agitación proporciona
una convección al jugo, facilitando la evaporación del agua ya que disminuye el
efecto de la presión hidrostática, logrando un aumento en la transferencia de calor.
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65
También hay que tener en cuenta que el efecto de la agitación de los Jugos es un
factor muy influyente en las características físicas y químicas obtenidas en estos
experimentos debido que al aumentar la velocidad de agitación se obtienen
muestras de panela con un color más claro y un tamaño de grano mas pequeño
como se puede ver en las muestras 1 y 2 que se realizaron con la solución de
panela.
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66
12 BIBLIOGRAFIA
HUGOT, Emile Manual para ingenieros azucareros; [traducido y revisado del
original en francés por Carlos Ruiz Contino], Compañía editorial Continental.1963.
VARGAS, Gabriel. Caracterización y optimización de un sistema de vacío par la
industria azucarera. Proyecto de Grado, Universidad de Los Andes, 2002.
DEL RISCO, Cristian. Diseño e implementación de un prototipo para evaporación
de jugos de caña de azúcar con generación de vacío por medio de un eyector a
chorro de agua. Proyecto de grado, Universidad de Los Andes, 2001.
INCROPERA, Frank. Fundamentos de transferencia de calor; traducción: Ricardo
Cruz ; revisión técnica: Enrique Muñoz Díaz ; asesoría técnica: Lourdes Delgado
Núñez., Prentice Hall 1999.
VAN WYLEN, SONNTAG, BORGNAKKE. Fundamentos de termodinámica;
colaboradora en la traducción: Ma. Cristina Sanginés Franchini ; revisión: Griselda
Zetina Vélez. Wiley, 5ª edición, 1998.
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
67
FONSECA A., Saul E. Guia ambiental para el subsector panelero; Federación
nacional de productores de panela FEDEPANELA; 2002.
SPENCER, Guilford Lawson Cane sugar handbook : a manual for cane sugar
manufacturers and their chemists, John Wiley & sons, 8a edición. 1945.
GORDILLO, Gerardo. Procesos agroindustriales de la caña para la elaboración de
panela. Universidad de Los Andes, departamento de Ingeniería mecánica. 2001.
SANDOVAL G, GARCÍA H. Manual para la selección montaje y operación de los
equipos de molienda para la producción panelera. CIMPA. 1991
GORDILLO G, GARCÍA H. Manual de diseño y operación de hornillas paneleras.
ICA CIMPA. 1992.
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECICAS Y CERTIFICACIÓN. Tesis y
otros trabajos de grado. Bogotá D. C.: ICONTEC, NTC 1486, 1997.
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68
ANEXO 1. Relación entre la presión y la temperatura del vapor de agua saturado
seca a presiones inferiores a la atmosférica1.
1 HUGOT, Emile Manual para ingenieros azucareros; [traducido y revisado del original en francés
por Carlos Ruiz Contino].1963. Pág. 340
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69
ANEXO 2. Incremento del punto de ebullición para soluciones azucaradas (Boiling
Point Rise BRP).2
2 SPENCER, Guilford Lawson Cane sugar handbook : a manual for cane sugar manufacturers and
their chemists, 1858-1925. Pág. 150.
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70
ANEXO 3. Elevación del punto de ebullición de soluciones azucaradas y jugos de
caña de azúcar a una presión de 760 mm de mercurio (según Claassen y
Thieme).3
3 HUGOT, Emile Manual para ingenieros azucareros; [traducido y revisado del original en francés
por Carlos Ruiz Contino].1963. Pág. 341
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71
ANEXO 4. Nomograma de Othmer y Silvis4
4 HUGOT, Emile Manual para ingenieros azucareros; [traducido y revisado del original en francés
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
72
ANEXO 5. Perdidas por presión hidrostática5
por Carlos Ruiz Contino].1963. Pág. 342
5 SPENCER, Guilford Lawson Cane sugar handbook : a manual for cane sugar manufacturers and
their chemists, 1858-1925. Pág. 146.
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73
ANEXO 6. Plano de eyector BARNES No 160956
6 DEL RISCO, Cristian. Diseño e implementación de un prototipo para evaporación de jugos de
caña de azúcar con generación de vacío por medio de un eyector a chorro de agua. Proyecto de
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ANEXO 7. Cálculos de las eficiencias en las pruebas con agua
grado, Universidad de Los Andes, 2001. PLANOS
CALDERA
PRUEBA Qa (KJ/s) Te (°C) Ts (°C) m2 (Kg) t2 (s)he-hs
(KJ/Kg)Qa (KJ/s) T (°C) m3 (Kg) t3 (s)
h fg 3 (KJ/Kg)
Qp (KJ/s)
1 1,17 93,2 70,1 0,519 1800 2371,6 0,68 22,13 0 4500 2449,13 0,002 2,27 92,1 34,4 0,787 1800 2518,8 1,10 22,13 1,032 3600 2449,13 0,703 2,27 93 35 3,778 7680 2518,3 1,24 22,13 0,855 2700 2449,13 0,784 2,27 92,3 35 1,416 3000 2517,3 1,19 22,13 0,918 3000 2449,13 0,755 2,27 93,4 41,6 1,23 2430 2491,8 1,26 22,13 0,904 2430 2449,13 0,916 2,27 92,5 46 4,14 10260 2471,4 1,00 22,13 0,87 3300 2449,13 0,65
PRUEBA CalderaEvaporación
aguaTotal
1 58,53% 0,00% 0,00%2 48,47% 63,75% 30,90%3 54,52% 62,60% 34,13%4 52,29% 63,07% 32,98%5 55,51% 72,24% 40,10%6 43,89% 64,75% 28,42%
PROM 52,20% 65,28% 33,31%DESV 0,05 0,27 0,14
EVAPORACIÓN AGUA EVAPORACIÓN AGUA EN VACÍO
EFIFIENCIAS
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75
ANEXO 8. Datos tomados en las pruebas con panela
7868 gr3728 gr
Masa agua evaporada: 4140 gr1765 gr
00:45:00 hh mm ss 01:06:06 hh mm ss 01:00:00 hh mm ss
02:51:06 hh mm ss
92,2 °C91 °C18 °C10 RPM
Vacio: 55 cm Hg
40,5 °Br500 gr250 gr
1015 gr
T in (°C) T out (°C)PROMEDIO 92,2 57
PRUEBA 1
flujo masicoMasa agua inicial:Masa agua final:
Masa panela:
tiempos de trabajotiempo establiliazacion:tiempo evaporacion panela:tiempo extra:timpo total:
Condiciones InicialesTemperatura entrada (T in):Temperatura salida (T out):Temperatura panela (T pa):Velocidad motor:
Propiedades Panela
Panela:Agua:
PH: 6,51@18°CGrados BrixAzúcar:
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
76
ANEXO 8 (CONTINUACIÓN). Datos tomados en las pruebas con panela
8229 gr4519 gr
Masa agua evaporada: 3710 gr1795 gr
01:43:00 hh mm ss 01:07:00 hh mm ss
02:50:00 hh mm ss
93 °C91,2 °C18,2 °C
15 RPMVacio: 55 cm Hg
40,4 °Br500 gr250 gr
1045 gr
tiempo (min) T in (°C) T out (°C)0 93,0 64,05 93,1 55,9
10 93,2 48,515 93,1 44,020 93,1 43,027 93,1 42,530 93,0 42,735 92,9 42,940 93,0 44,145 93,0 48,750 92,9 66,955 92,8 79,360 92,8 91,065 93,0 91,067 93,0 91,0
PROMEDIO 93,0 59,7DESVIACION 0,11 19,44
Agua:
PH: 6,58@20°CGrados BrixAzúcar:
Temperatura panela (T pa):Velocidad motor:
Propiedades Panela
Panela:
timpo total:
Condiciones InicialesTemperatura entrada (T in):Temperatura salida (T out):
Masa panela:
tiempos de trabajotiempo establiliazacion:tiempo evaporacion panela:
PRUEBA 2
flujo masicoMasa agua inicial:Masa agua final:
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
77
ANEXO 8 (CONTINUACIÓN). Datos tomados en las pruebas con panela
8520 gr5326 gr
Masa agua evaporada: 3194 gr1326 gr
00:51:25 hh mm ss 01:05:00 hh mm ss
01:56:25 hh mm ss
92,3 °C91,8 °C
18 °C15 RPM
Vacio: 55 cm Hg
0 gr500 gr826 gr
tiempo (min) T in (°C) T out (°C)5 90,9 60,1
10 92,4 52,015 92,8 47,120 92,3 41,825 92,2 41,130 92,5 40,235 92,6 39,640 92,6 40,545 92,1 44,950 92,2 61,755 93,0 78,060 93,0 90,865 92,1 92,1
PROMEDIO 92,4 56,1DESVIACION 0,54 19,25
PRUEBA 3
flujo masicoMasa agua inicial:Masa agua final:
Masa panela:
tiempos de trabajotiempo establiliazacion:tiempo evaporacion panela:timpo total:
Condiciones InicialesTemperatura entrada (T in):Temperatura salida (T out):
Agua:
Azúcar:
Temperatura panela (T pa):Velocidad motor:
Propiedades Panela
Panela:
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ANEXO 8 (CONTINUACIÓN). Datos tomados en las pruebas con panela
3618,9 grgr
Masa agua evaporada: 3618,9 gr1132,7 gr
00:52:50 hh mm ss hh mm ss
00:52:50 hh mm ss
92,3 °C91 °C20 °C15 RPM
Vacio: 55 cm Hg
0 gr250,1 gr882,6 gr
tiempo (min) T in (°C) T out (°C)5 92,2 67,510 92,4 56,815 92,6 50,620 92,1 45,825 91,4 42,730 92,5 39,635 92,6 4040 92,6 40,245 92,5 40,450 92,6 41,155 92,5 41,660 92,6 5965 92,5 79
PROMEDIO 92,4 49,6DESVIACION 0,34 12,55
PRUEBA 4
flujo masicoMasa agua inicial:Masa agua final:
Masa panela:
tiempos de trabajotiempo establiliazacion:tiempo evaporacion panela:timpo total:
Condiciones InicialesTemperatura entrada (T in):Temperatura salida (T out):Temperatura panela (T pa):Velocidad motor:
Propiedades Panela
Panela:Agua:
PH: 6,87@18°CAzúcar:
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
79
ANEXO 8 (CONTINUACIÓN). Datos tomados en las pruebas con panela
3616,8 gr100,0 gr
Masa agua evaporada: 3516,8 gr2118,9 gr
00:41:06 hh mm ss 01:30:00 hh mm ss 00:00:00 hh mm ss
02:11:06 hh mm ss
92,2 °C90,9 °C
18 °C15 RPM
Vacio: 55 cm Hg
255,3 gr502,7 gr
1360,9 gr
tiempo (min) T in (°C) T out (°C)5 92,2 60,8
10 92,4 50,915 92,6 46,320 92,6 44,125 92,6 43,330 92,5 4335 92,6 43,240 92,5 43,645 92,6 44,250 92,6 44,655 92,7 4560 92,7 45,565 92,7 45,770 92,7 46,275 92,8 47,780 92,7 53,785 92,8 71,190 92,6 79,295 92,6 90,9100 92,6 90,9
PROMEDIO 92,6 54,0DESVIACION 0,14 15,95
Azúcar:Panela:Agua:
Temperatura salida (T out):Temperatura panela (T pa):Velocidad motor:
Propiedades Panela
tiempo extra:timpo total:
Condiciones InicialesTemperatura entrada (T in):
Masa panela:
tiempos de trabajotiempo establiliazacion:tiempo evaporacion panela:
PRUEBA 5
flujo masicoMasa agua inicial:Masa agua final:
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
80
ANEXO 8 (CONTINUACIÓN). Datos tomados en las pruebas con panela
3665 gr275 gr
Masa agua evaporada: 3390 gr3360 gr
00:50:10 hh mm ss 01:15:00 hh mm ss
02:05:10 hh mm ss
92,2 °C91,4 °C17,3 °C
15 RPMVacio: 55 cm Hg
2010,0 gr512,5 gr837,5 gr
tiempo (min) T in (°C) T out (°C)0 92,2 91,45 92,4 65,7
10 92,5 61,215 92,6 54,520 92,5 49,525 92,4 47,930 92,4 46,135 92,4 46,240 92,3 48,945 92,2 52,850 92,2 59,755 92,3 68,760 92,3 74,765 92,2 84,670 92,3 90,875 92,2 91,1
PROMEDIO 92,3 64,6DESVIACION 0,13 17,01
PRUEBA 6
flujo masicoMasa agua inicial:Masa agua final:
timpo total:
Condiciones InicialesTemperatura entrada (T in):
Masa panela:
tiempos de trabajotiempo establiliazacion:tiempo evaporacion panela:
Panela:Agua:
Azúcar:
Temperatura salida (T out):Temperatura panela (T pa):Velocidad motor:
Propiedades Panela
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
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ANEXO 9. Tabla de las propiedades del agua a las temperaturas obtenidas
AGUA
PRUEBA T in (°C) T out (°C) T m (°C)T agua
(°C)flujo agua
(kg/s)Volumen
(Lt)Peso jarra
(kg)Peso
agua (kg)Presión (cmHg)
tiempo (s)
RPM
1 1 02 1 03 2 04 2 05 3 06 1 107 1 108 2 109 2 1010 3 1011 1 1512 1 1513 2 1514 2 1515 3 1516 1 2017 1 2018 2 2019 2 2020 3 2021 1 2522 1 2523 2 2524 2 2525 3 2526 1 3027 1 3028 2 3029 2 3030 3 30
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
82
ANEXO 10. Cálculos de las eficiencias en las pruebas con panela
CALDERA
PRUEBA Qa (KJ/s) Te (°C) Ts (°C) m2 (Kg) t2 (s)he-hs
(KJ/Kg)Qa (KJ/s) T (°C) m3 (Kg) t3 (s)
h fg 3 (KJ/Kg)
Qp (KJ/s)
1 2,27 92,7 57 4,14 10266 2425,4 0,98 22,13 1,025 3966 2449,13 0,632 2,27 93 59,7 3,71 10200 2415,1 0,88 22,13 1,055, 4020 2449,130, 0,643 2,27 92,4 56,1 3,194 6985 2429,2 1,11 22,13 0,846 3420 2449,13 0,614 2,27 92,4 49,6 2,6118 8330 2456,4 0,77 22,13 0,89264 3780 2449,13 0,585 2,27 92,6 54 3,5168 8466 2438 1,01 22,13 1,381008 5400 2449,13 0,636 2,27 92,3 64,6 3,39 8160 2393,6 0,99 22,13 0,858 3660 2449,13 0,57
PRUEBA CalderaEvaporación
PanelaTotal
1 43,05% 64,71% 27,86%2 38,66% 73,17% 28,29%3 48,89% 54,54% 26,66%4 33,90% 75,09% 25,45%5 44,57% 61,85% 27,57%6 43,76% 57,74% 25,27%
PROM 42,14% 64,52% 26,85%DESV 0,05 0,08 0,01
EVAPORACIÓN AGUA EVAPORACIÓN PANELA EN VACÍO
EFIFIENCIAS
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
83
FOTOGRAFÍA 1. Vista frontal del sistema montado en el CITEC
IM – 2002 – II – 02 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
84
FOTOGRAFÍA 2. Sistema montado (vista lateral)
