ESTUDIO DE AHORRO ENERGÉTICO EN REVESTIMIENTOS

DE VAGONETA

OBJETIVO

El objeto del presente estudio es cuantificar el ahorro energético obtenido al cambiar de diseño las piezas de refractario de las vagonetas. Se trata de comparar la diferencia de calor acumulado en la salida del horno, entre dos tipos de vagoneta diferentes:
   1. Vagoneta realizada con placas de solera macizas, realizada con material prensado que en adelante la denominaremos como VAGONETA MACIZA.
   2. Vagoneta realizada con placas de solera aligeradas, obtenidas por extrusión de Forgestal/Campo. Con estas piezas se han equipado un cierto número de vagonetas.
Se realiza un experimento con vagonetas reales para averiguar las temperaturas de del refractario a la salida del horno.
Los datos básicos de la instalación son los siguientes:

  • Ciclo del horno: 14 horas

  • Cadencia del horno: 30 min/vag

  • Producción 48 vag/día.

  • Tamaño de la vagoneta: Ancho 4,3m, largo 3,98 m

  • Ladrillo hueco

INTRODUCCION
En un horno túnel para la cocción de material cerámico, se utiliza combustible para calentar el material a una temperatura suficiente para que se produzca la ceramización.
Para alcanzar una mayor eficiencia energética, al cabo de un tiempo de haber alcanzado la temperatura máxima el material se enfría, aprovechando el calor obtenido para calentar el nuevo material entrante.
En esta fase de enfriamiento del horno, no sólo es conveniente enfriar el material cocido sino también la vagoneta. Dentro del horno, la vagoneta se va calentando a medida que avanza acumulando energía en forma de calor. En la fase de enfriamiento se
recupera parte de esta energía para calentar las nuevas vagonetas entrantes. Para ahorrar energía, se trata de recuperar la mayor parte posible de esta energía, ya que una vez fuera del horno el calor acumulado se va a perder en el ambiente de la fábrica.
Hay varias estrategias para reducir este calor que la vagoneta literalmente "saca" del horno y "vierte" en el ambiente de la fábrica:

  1. Mejorando la efectividad de la zona de enfriamiento del horno. Ya sea alargando el tiempo de enfriamiento (aumentando longitud de este tramo del horno), o bien aumentando la eficiencia del intercambio (el coeficiente de convección), aumentando la velocidad del aire, la turbulencia etc.

  2. Disponiendo de un diseño de vagoneta optimizado de manera que:

  • Acumule el mínimo de energía en la fase calentamiento

  • Favoreciendo su refrigeración en la fase de enfriamiento

  • Tenga un calor específico ponderado bajo, de manera que a igualdad de temperaturas, tenga un calor acumulado menor

 

El punto 1 afecta sólo a la configuración del horno. Por tanto vamos a centrarnos en el punto 2 donde el diseño de la vagoneta entra en juego. En este punto, la mejor forma de cuantificar la eficiencia global de los aspectos descritos es MEDIR EL CALOR ACUMULADO en la vagoneta a la salida del horno.
Comparando el valor entre las dos vagonetas de diseños diferentes, en las mismas condiciones, podemos cuantificar la ventaja de una vagoneta con respecto a la otra en cuanto al ahorro energético.

Hay que puntualizar, no obstante, que cuando hablamos de calor acumulado, tomamos como valor de partida o referencia la temperatura de la vagoneta a temperatura ambiente.

CÁLCULO DEL CALOR PERDIDO EN EL AMBIENTE DE LA FÁBRICA

El calor perdido en el ambiente de la fábrica, será la diferencia entre el calor acumulado a la salida del horno, y el calor acumulado en la entrada del horno.
El calor acumulado de cualquier elemento físico depende de tres magnitudes físicas:

  1. Masa (kg)

  2. El calor específico {kcal/kg!!C). que refleja la capacidad de almacenar calor de un material determinado. El producto de la masa por el calor específico, nos da la inercia térmica (kcal/!!C), que representa el calor necesario (kcal) para aumentar (o disminuir) un grado centígrado la temperatura de un cuerpo.

  3. Temperatura

En el presente estudio, se comparan dos tipos diferentes de vagonetas. Los parámetros 1 y 2 dependen exclusivamente del diseño y material de la vagoneta, y por tanto son analíticamente calculables.
Las temperaturas se obtienen por medición con un sensor infrarrojo, que proporciona una lectura instantánea de la temperatura de la superficie de los cuerpos. Con este lector se mide la temperatura superficial de las placas de solera, tanto las del centro
como las del contorno, en varios puntos (en el contorno por ejemplo, en el borde exterior, medio e interior).
Para simplificar la operativa, se considerará que toda la placa está a la misma temperatura (media) que la cara superior. Esta simplificación es admisible ya que en realidad la parte inferior de la pieza estará aún más caliente (el enfriamiento empieza por la parte superior), y por tanto los resultados de ahorro calculados serán valores mínimos. Es decir, que los ahorros reales serán superiores a los aquí calculados.

Una vez tenemos los datos, aplicamos la siguiente formula: 

                                                  ∆Q acumm= ∑ [ (Tfi – Tii) · c· mi]
Donde:
∆Q
acumm
 = Calor acumulado
T
fi = Temperatura final elemento i
T
ii = Temperatura inicial i
C
 i = Calor específico del material de i
m
= Masa del elemento
A continuación, vamos a comparar estos parámetros entre los dos tipos de vagoneta estudiados:

TEMPERATURAS

Como se puede observar el cuadro adjunto, las temperaturas a la salida del horno son muy diferentes. Mientras que en la vagoneta tipo Forgestal/Campo las temperaturas a la salida son de 140ºC en la zona de las placas centrales, y 111 ºC en las placas de contorno, las temperaturas en la vagoneta maciza son respectivamente 225ºC y 121 ºC.

En el cuadro anterior se ha considerado una temperatura de entrada en el horno de 35ºC en ambos casos. Esta situación corresponde a un enfriamiento total de la vagoneta, que requiere un largo tiempo y que se produce en las vagonetas que a la salida del horno se almacenan en una vía de reserva.

Por otra parte, hay el caso de las vagonetas que justo después de salir del horno, se descargan directamente, se cargan y vuelven a entrar en el horno en un espacio relativamente corto de tiempo. Se ha medido la temperatura de entrada de estas vagonetas: 65ºC:

ENFRIAMIENTO COMPLETO

Solera Forgestal/Campo

Placa central

Placa contorno (med)

Solera Maciza

Placa central

Placa contorno (med)

Temperaturas

Salida

140

111

Entrada

35

35

225

121

35

35

ENFRIAMIENTO PARCIAL

Solera

Forgestal/Campo

Placa central

Placa contorno (med)

Solera Maciza

Placa central

Placa contorno (med)

Temperaturas

Salida

140

111

Entrada

65

65

225

121

65

65

En este segundo caso el calor perdido en el ambiente es obviamente menor.

MASA

La cantidad de masa que debe calentarse es fundamental, ya que la energía será proporcional a ésta. En este estudio. sólo se ha considerado el calor acumulado en las placas, despreciando el calor acumulado en capas inferiores de la vagoneta.
Esto obedece a dos razones: por un lado, porque operativamente es complicado conocer las capas más profundas de la vagoneta. Por otro lado, las variaciones de temperatura en esas capas son inferiores y también su densidad es menor, por lo que
las diferencias son de un orden de magnitud inferior. En el cuadro inferior podemos ver la comparación de pesos/masas de ambas soleras.

En el caso de la vagoneta maciza, el peso es un 37% superior al de la vagoneta de Forgestal/Campo.

SOLERA

Forgestal/Campo

Placa central

Placa contorno

Total Forgestal/Campo

Vagoneta Maciza

Placa central

Placa contorno

Total vagoneta maciza

Piezas

kg/p

cant/vag

peso/vag

1.678

1.065

1

1.678

1

1.065

2.743

31,8

32,8

77

2.449

40

1.314

3.762

CALOR ESPERCÍFICO

En ambos casos se ha considerado el mismo valor, ya que las variaciones del calor específico entre materiales de la misma naturaleza es muy pequeño. El valor tomado es de 0,29 kcal/kgºC.

CALOR PERDIDO EN EL AMBIENTE DE LA FÁBRICA

Aplicando la fórmula descrita, con los valores expuestos, obtenemos los siguientes resultados:

SOLERA-ENFRIAMIENTO COMPLETO

Vagoneta

Energia (kcal/vag)

Coste/vag

Ciclo Horno

min/vag

vag/día

Vagoneta Forgestal/Campo

Placa central

Placa contorno

51.095

23.507

2,57€

30

52

1,18€

52

30

TOTAL Forgestal/Campo

Vagoneta Maciza

Placa central

Placa contorno

TOTAL vagoneta maciza

74.602

3,75€

134.918

32.825

6,79€

30

52

1,65€

30

52

167.743

8,44€

Total día

Energia (kWh)

3.089

1.421

4.511

8.158

1.985

10.143

Ahorro diario (solo placas)

5.632

AHORRO ANUAL

2.055.590

SOLERA-ENFRIAMIENTO PARCIAL

Vagoneta

Energia (kcal/vag)

Coste/vag

Ciclo Horno

min/vag

vag/día

Vagoneta Forgestal/Campo

Placa central

Placa central

36.497

14.241

1,84€

30

52

0,72€

52

30

TOTAL Forgestal/Campo

Vagoneta Maciza

Placa central

Placa contorno

TOTAL vagoneta maciza

50.738

2,55€

113.615

21.396

5,71€

30

52

1,08€

30

52

135.011

6,79€

Total día

Energia (kWh)

2.207

861

3.068

6.870

1.294

8.163

Ahorro diario (solo placas)

5.096

AHORRO ANUAL

1.859.896

En el caso del enfriamiento completo, vemos que hay un ahorro de 167.743 - 74.602 = 93.141 kcal por vagoneta. Considerando un ciclo en el horno que de 52 vagonetas día se obtiene un ahorro diario de 5.632 kWh y un ahorro anual de 2.055.590 kWh.
En el caso de enfriamiento parcial el cálculo es análogo.

CÁLCULO ECONÓMICO

Para la valoración económica de los ahorros se han tomado los siguientes datos:

  • Precio gas: 3.4 c€/kWh

  • Rendimiento Instalación: 80%

  • Coste energfa efectiva: 5.029x10E-05 €/kcal

Con estos datos. obtenemos los siguientes ahorros:

SOLERA-ENFRIAMIENTO COMPLETO

Vagoneta

Energia (kcal/vag)

Coste/vag

Ciclo Horno

min/vag

vag/día

Vagoneta Forgestal/Campo

Placa central

Placa contorno

51.095

23.507

2,57€

30

52

1,18€

52

30

TOTAL Forgestal/Campo

Vagoneta Maciza

Placa central

Placa contorno

TOTAL vagoneta maciza

74.602

3,75€

134.918

32.825

6,79€

30

52

1,65€

30

52

167.743

8,44€

Día

Coste

133,62€

61,74€

195,09€

352,83€

85,84€

438,67€

Ahorro diario (solo placas)

244€

AHORRO ANUAL

88.904€

SOLERA-ENFRIAMIENTO PARCIAL

Vagoneta

Energia (kcal/vag)

Coste/vag

Ciclo Horno

min/vag

vag/día

Vagoneta Forgestal/Campo

Placa central

Placa contorno

36.497

14.241

1,84€

30

52

0,72€

52

30

TOTAL Forgestal/Campo

Vagoneta Maciza

Placa central

Placa contorno

TOTAL vagoneta maciza

50.738

2,55€

113.615

21.396

5,71€

30

52

1,08€

30

52

135.011

6,79€

Día

Coste

95,44€

37,24€

132,69€

297,12€

55,95€

353,07€

Ahorro diario (solo placas)

220€

AHORRO ANUAL

80.441€

El ahorro final anual será un valor entre 80.441 y 88.904 C en función de la proporción entre vagonetas con enfriamiento parcial y vagonetas con enfriamiento total (vagonetas que rápidamente entran de nuevo en el horno y vagonetas que permanecen un
tiempo en las vías de reserva}.

SOBRESOLERAS

Análogamente al estudio de temperaturas y calor acumulado en las placas de solera. se ha estudiado también las diferencias entre las sobresoleras macizas en comparación con las sobresoleras aligeradas de Forgestal/Campo.
En este estudio, se ha considerado solamente el calor acumulado en las sobresoleras. despreciando el calor acumulado también en el material cocido que está en contacto con las sobresoleras y que por tanto está a unas temperaturas similares. Esta simplificación hace que el ahorro real será aún superior al calculado teóricamente.
El cuadro de cálculo para las sobresoleras es el siguiente:

SOBRESOLERAS-ENFRIAMIENTO COMPLETO

Sobresol. Forgestal/Campo

Sobresoleras Macizas

Vagoneta

Energia (kcal/vag)

Coste/vag

SPA

28.397

Cerradas

42.178

1,43€

2,1€

Ciclo Horno

min/vag

vag/dia

30

52

30

52

Día

Coste

74,26€

110,30€

Ahorro diario

AHORRO ANUAL

36€

13.154€

El ahorro es relativamente menor a las placas ya que si bien hay una diferencia de peso considerable, las temperaturas de las sobresoleras a la salida del horno son notablemente más bajas ya que la proporción masa/superficie expuesta al aire es mucho menor y por tanto se enfrían más rápidamente en la zona de enfriamiento del interior del horno.
Las enormes ventajas de las sobresoleras aligeradas hay que buscarlas en las prestaciones para la cocción del material, más que por su baja acumulación de energía a la salida del horno. En este estudio no se valora la menor rotura de material cocido con las
sobresoleras aligeradas de Forgestal, ni el ahorro que representa su mayor durabilidad.

CONCLUSIÓN

El ahorro de energía que se obtiene de cambiar las placas de solera macizas a placas de solera de Forgestal/Campo aligeradas es considerable, del orden de los 85.000 € anuales.
A esta cifra habría que añadir los 13.154 € adicionales en el caso de cambiar también las sobresoleras.
Teniendo en cuenta que el coste del material refractario para realizar este cambio es de 476.000 €, se demuestra que solamente el ahorro energético obtenido es capaz de amortizar la inversión.

© 2020 FORGESTAL S.L.   Camí Ral, 104 | Polígon Industrial Sud | 08292 ESPARREGUERA | Tel. +34 937 778 707 | Fax. +34 937 787 714 | forgestal@forgestal.com

  • LinkedIn - Grey Circle