Analiza el proceso de soplado de PET en una planta de bebidas carbonatadas mediante un estudio exergético

1. ANALISIS EXERGETICO DE SISTEMAS
INDUSTRIALES DE AIRE COMPRIMIDO
Alderetes Carlos O.*1
1 Planta Piloto de Ingeniería Química – Universidad Tecnológica Nacional (UTN)
Facultad Regional Resistencia
French 414 – (H3500CHJ)- Resistencia, Chaco
correo-e: calderetes@gmail.com
RESUMEN
El aire comprimido se usa en diversas aplicaciones comerciales, medicinales e industriales y está
considerado como el cuarto servicio auxiliar (facilities) en importancia junto a la energía, agua y
vapor. Este servicio, independiente de sus funciones operativas, representa un consumidor de
energía de relevancia, ya que se estima consume en promedio entre el 10-15% de la energía de
una planta industrial, llegando en algunos casos hasta el 20%
En el presente trabajo y tomando como referencia al Segundo Principio de la Termodinámica y
siguiendo los lineamientos del estándar ASME EA4-2010: Energy Assessment for Compressed Air
Systems, se analiza exergéticamente un sistema industrial de aire comprimido perteneciente a una
planta fabricante de bebidas carbonatadas. El análisis exergético permitirá llevar a cabo procesos
de benchmarking con plantas similares y evaluar su optimización energética
En la primera parte del trabajo se analizan las principales operaciones y equipos involucrados, se
plantean las ecuaciones principales y se determinan las principales perdidas de exergía en la
instalación. En la segunda parte, y tomando como base el diagnóstico inicial, se plantean las
reformas y/o cambios que deben implementarse en las instalaciones y operaciones a los efectos
de minimizar las pérdidas de exergía y el consumo de energía de la planta. Posteriormente, se
presentan los ahorros de energía y el aumento global de eficiencia energética y exergética del
sistema. Finalmente, el trabajo muestra la importancia de implementar estas herramientas de
análisis conjuntas para abordar la optimización exergética del proceso
Palabras Claves: aire comprimido, exergía, optimización, costos.
1. INTRODUCCIÓN
El uso racional de los combustibles y de la energía constituye una preocupación esencial de todos
los países tanto desarrollados como en vías de desarrollo. El escenario nacional muestra un
pronóstico de demanda creciente tanto de energía y combustibles como de precios también. Esta
preocupación por la racionalización energética y los problemas ambientales asociados, llevó a que
en el año 2009 la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) publicara cuatro nuevos
estándares: Energy Assessment for Industrial Systems destinados a los facilities industriales y
luego la Organización Internacional de Estandarización (ISO) publicara en el 2011 una nueva
Norma ISO 50001:2011 – Energy Management Systems al respecto 1,2

2. Es en este contexto, donde los sistemas industriales de aire comprimido adquieren particular
importancia ya que este servicio demanda entre el 10-15% en promedio de la energía total
consumida por la planta 3. Una de las industrias que presenta un gran potencial de ahorro
energético en sus servicios es la fabricación de bebidas carbonatadas. La elaboración de estos
productos demanda energía eléctrica y térmica para sus operaciones. La figura Nº 1 muestra una
típica distribución del consumo de energía eléctrica en las mismas y en la que puede observarse
que el sistema de aire comprimido demanda el 17% de la energía total de la planta 4
Las embotelladoras de bebidas carbonatadas son grandes consumidoras de aire comprimido ya
que más del 75% del volumen producido en el país se envasa en botellas de PET 5
Figura Nº1 – composición consumo energía
Con el propósito de optimizar energéticamente el sistema de aire comprimido de la planta
embotelladora, se consideraron las recomendaciones y metodología establecida en el estándar
ASME EA4-2010: Energy Assessment for Compressed Air Systems. Este estándar identifica tres
subsistemas funcionales (generación, distribución y consumo) o niveles de jerarquía a través de los
cuales se irán efectuando las mediciones y relevamiento de datos.
1.1 ANÁLISIS DEL CASO
Para este análisis se tomaron los datos de una planta embotelladora de mediana capacidad, en
donde las características operativas e instalaciones de aire comprimido se muestran en la figura
Nº2 y en la tabla Nº1

3. Figura Nº2 – Esquema del sistema de aire comprimido
El aire comprimido en la planta se usa principalmente para:
 Presoplado y soplado de las botellas de PET (tereftalato de polietileno)
 Transporte, acomodamiento y llenado de botellas
 Mandos neumáticos
 Instrumentación
 Usos generales en planta
Una característica interesante de este sistema es la necesidad de contar con aire comprimido a
dos niveles de presión y caudales. Estas demandas son:
 Etapa de baja presión (0.8 MPa) para el presoplado de las preformas de PET mediante
compresores a tornillo (FAD = 1x16 Nm3/min x 110 Kw + FAD = 1x10 Nm3/min x 75 Kw)
 Etapa de alta presión (4 MPa) para el moldeo del material PET mediante compresores a
pistón de tres (3) etapas (FAD = 1x25 Nm3/min x250 Kw + FAD = 1x17 Nm3/min x200 Kw)
Esta condición debe ser satisfecha con dos equipos de compresión tecnológicamente diferentes
que a su vez tienen eficiencias termodinámicas distintas. El reto es buscar la mejor combinación
que otorgue confiabilidad operativa al menor costo energético. Estas operaciones en plantas de
gran capacidad y modernas son realizadas en equipamiento de soplado que permiten usar
solamente compresores de alta presión con recupero de aire en baja presión

4. Tabla Nº1 – Datos principales de las instalaciones
Datos de producción Datos de las instalaciones
Volumen producción 240.000.000 lit. / año Capacidad de soplado 8000 botellas /h
Días de operación 330 días / año FAD en alta presión* 42 Nm3 / min
Tiempo efectivo operación 22 horas / día Tanque de alta presión 10.000 litros
Consumo energía 0.38 MJ / lt.bebida FAD en baja presión* 26 Nm3/ min
Líneas de producción PET 4 Tanque de baja presión 5000 litros
*FAD: free air delivery
1.2 BALANCE DE MASAS Y ENERGÍA
En la figura Nº 3 se esquematiza el sistema de aire comprimido a través del cual se plantearán los
balances de masas, energía y exergía
El balance de masas está dado por: Gau = Ge – (Gac + Gc +ƩGp) (1)
El balance de energía es: Ee + Eaf + Es = Eu + Ep + Qc + Qaf + Qs (2)
Eficiencia global del sistema (%):  = Eu / (Ee +Eaf + Es)] 100 (3)
Donde:
 Ge, Gac, Gc, Gau y Gp representan respectivamente los flujos másicos de aire aspirado,
aire comprimido, condensado, aire utilizado y aire de fugas en [kg/sec]
 Eu, Ee, Eaf, Es, y Ep representan respectivamente, la energía útil en el sistema, la energía
suministrada al compresor, aftercooler, al secador frigorífico y pérdidas varias de energía
en [kwh] y Qc, Qaf,v Qs indican el calor eliminado en el proceso de compresión,
postenfriamiento y secado del aire en [kwh]
Figura Nº3 – Balance de masas y energía

5. En el sistema de aire comprimido, el término Ep incluye pérdidas varias tales como, las pérdidas
por caídas de presión en la distribución, en los elementos de filtración y regulación, las pérdidas
por fugas y por presión en exceso. Se obtienen por medición directa y estimaciones en base a
datos de los fabricantes de equipos [6], [7], [8]
1.3 BALANCE DE EXERGÍA
Para este balance es preciso definir las condiciones de referencia del medio ambiente y se fijaron
las siguientes: presión atmosférica Po = 0.1 MPa y temperatura ambiente To = 298 ºK (25ºC). El
balance exergía consiste en determinar las pérdidas en los siguientes procesos:
 Compresión del aire (estado de carga y vacío según el duty cycle de cada equipo)
 Cambios en las condiciones de aspiración y/o descarga
 Post enfriador y secado del aire
 Procesos transitorios de carga y descarga de los tanques amortiguadores de la demanda
 Fugas de aire por falta de estanqueidad
 Caídas de presión en la distribución del aire
 Caídas de presión en los elementos de tratamiento y regulación del aire
Despreciando los cambios de exergía cinética y potencial, la exergía específica del aire comprimido
para un sistema cerrado está dada por la ecuación siguiente [9-13]
a = (u – uo) + P (v – vo) – To (s – so) (4)
a = R.To.ln + R.T. + R.To (5)
donde: u, v, s: representan la energía interna, volumen y entropía específica del aire en [kJ/kg] en
las condiciones de proceso y a las del medio ambiente de referencia. Las variables P y T
representan la presión y temperatura absoluta del aire en las condiciones de proceso y de
referencia en [MPa] y [ºK] respectivamente y R la constante del aire en [kJ /kgºK]
Analizando la ecuación (5) y calculando los coeficientes de sensibilidad de la exergía específica
respecto a la presión y temperatura del aire comprimido y respecto de la temperatura ambiente,
esto es:
∆p = , ∆t = , ∆to = (6)

6. Haciendo un análisis de sensibilidad vemos que, dando un aumento del 1% para cada variable
manteniendo constante las demás, la exergía aumenta en mayor proporción en el siguiente orden y
cuando:
 sube la presión del aire
 aumenta la temperatura ambiente
 baja la temperatura del aire
Por lo contrario, la exergía específica disminuye cuando:
 baja la presión del aire
 baja la temperatura ambiente
 aumenta la temperatura del aire
Despreciando los cambios de exergía cinética y potencial, la exergía específica del aire comprimido
para un sistema abierto está dada por:
b = h – ho – To (s – so) = cp (t – to) – To (cp.ln - R.ln (7)
Donde: b, h y s: representan la exergía, entalpía y entropía específica del aire en [kJ/kg], en las
condiciones de proceso (P y T) y a las del medio ambiente de referencia (Po, To)
El balance de exergía para un sistema abierto se puede escribir como
ƩGi.bi = ƩGs.bs+ ƩEp (8)
ƩEp = ƩGi.bi - ƩGs.bs = ToƩ∆Sirr (9)
Donde: Gi, Gs, bi, bs representan los flujos másicos y exergías específicas de las corrientes que
ingresan y egresan del sistema en [kg/sec] y [kJ/kg] respectivamente. El término ƩEp representa la
exergía perdida en el sistema y el factor ∆Sirr representa el aumento de entropía del sistema
analizado [kJ/sec.ºK]. A partir de las ecuaciones generales veremos las pérdidas de exergía en
cada componente del sistema en función del potencial que cada uno representa.
1.4 BALANCE EXERGETICO DEL SISTEMA
 El balance de exergía del compresor y after cooler está dado por:
compresor: Gi.bi + Nc = Gs.bs + Ep (10)
Nc = (h1 – h2) / ηad.ηmec.ηv (11)

7. rend.exergético: c = [Gi (bs- bi) / Nc] 100 (12)
aftercooler: Naf + Gs.be = Gs.bs + Ep (13)
Figura Nº 4 – Esquema del compresor y aftercooler
 La exergía perdida en el secador de aire está dada por
Secador frigorífico: Gs.be + Ns = Gs.bf + Ep (14)
Rendimiento secador frigorífico: s = [Gs (bs- bi) / Ns] 100 (15)
Figura Nº 5 – Esquema del secador frigorífico
.
La exergía perdida en los tanques de amortiguación y ecualización de la demanda de aire
constituyen sistemas abiertos en estado transitorio y se aplican tanto en los procesos de carga
como descarga de los mismos. La pérdida está dada por el proceso de mezcla entre la corriente
que ingresa y la masa acumulada en el tanque. Depende de la acumulación en el tanque, de la
diferencia de presión entre las corrientes y de la frecuencia del proceso de llenado y vaciado
El balance de exergía en los tanques de aire comprimido viene dado por

8. Acumulación: Ga = Gi - Gs (16)
Ep = (Gi – Gs)( bs – bi) (17)
Las pérdidas de exergía por pérdidas de carga en las cañerías de transporte y distribución y en los
elementos de tratamiento del aire y su regulación (ciclones, filtros, reguladores, etc.) se pueden
considerar como sistemas adiabáticos. Esta pérdida se calcula como:
Ep = - To.R ln (18)
Las pérdidas de exergía por fugas se calculan teóricamente como la descarga a través de un
orificio en la que el aire comprimido se expande hasta equilibrarse con la atmósfera. En la práctica
puede valorizarse como igual al flujo de exergía que se fuga al exterior en el punto donde tiene
lugar, esto es:
Ep = Gax.bx (19)
A partir de las ecuaciones planteadas y de los relevamientos de planta se ha calculado las
pérdidas de exergía en el sistema cuyos resultados se resumen en la tabla Nº2 y la figura Nº6
Balance exergético Línea 0.8 MPa Línea 4 MPa
Exergía ingresada 155 kw 439 kw
Exergía recuperada sistema AC 89 kw 259 kw
Exergía útil en el soplado 174 kw
Exergía perdida sistema AC 66 kw 180 kw
Exergía perdida en el soplado 174 kw
Rendimiento exergético proceso 29.30%
Índice pérdida del proceso 70.70%
Rend. exergético compresor 62.70% 64%
Rend. exergético aftercooler 96.72% 93%
Rend. exergético secador 96.70% 97.65%
Tabla Nº2 – Balance exergético sistema aire comprimido

9. Figura º6 – composición de pérdidas exergéticas – línea de 0.8 MPa
Como se observa en el gráfico, la mayor pérdida exergética está centrada en los equipos de
compresión principalmente, en donde se focalizarán las acciones de mejora
El Ciclo de Vida de los Costos (LCC) de los sistemas de aire comprimido, muestra que el consumo
de energía eléctrica representa alrededor del 75% de los costos totales, razón por la que es
imperativo reducir las pérdidas de exergía en el proceso 15
1.5 OPTIMIZACIÓN EXERGÉTICA
Los compresores a tornillo trabajan con un ciclo de 80% del tiempo en marcha y de 20% en vacío,
mientras que los compresores a pistón lo hacen a razón de 70 a 30% (duty cycle). La marcha en
vacío implica un rendimiento exergético nulo, es decir pura pérdida de exergía. En la tabla Nº3 se
resume la situación de los compresores en estos dos estados de carga
Parámetro Línea de 0.8 MPa Línea de 4 MPa
Potencia en carga 143 kW 430 kW
Potencia en vacío 37 kW 126 kW
Potencia promedio 122 339
Rendimiento exergético a plena carga 62,70% 64%
Rendimiento exergético promedio 58.36% 53.48%
Tabla Nº3 – variación del rendimiento exergético en estado de carga / vacío
Para evitar el deterioro exergético que implica la marcha en vacío, se propone:

10.  Reemplazo del sistema actual de control (carga /descarga) por un sistema de velocidad variable
con control maestro computarizado, que permita regular el flujo conforme a la demanda y evitar la
marcha en vacío, ordenando la parada y arranque de los equipos. Con un sistema de control de
velocidad variable puede ahorrarse según las experiencias implementadas, hasta un mínimo de
20% de la energía requerida por el sistema, lo que significa un ahorro de 620 MWh anuales
 En el aftercooler se podrá recuperar 54 kWh para calentar 900 kg/h agua de 20 a 70ºC para usos
diversos en planta tales como limpieza de tanques, preparación de jarabe o simplemente para
precalentar el agua de alimentación a calderas. Esto significa un ahorro de 392 MWh / año que
contribuye a reducir el consumo de energía térmica
 Otra alternativa es fraccionar el proceso de compresión en la línea de alta presión, instalando una
etapa de compresión como booster de (0.1- 0.8 MPa) mediante compresores a tornillo y alimentar
a un compresor que eleve la presión desde estos valores hasta los 4MPa. Con esta disposición, se
reemplaza en la primera etapa de compresión el consumo específico de 8-9 kW /Nm3.min de un
compresor a pistón, por otro de 5-6 kW /Nm3.min dada por el compresor a tornillo. De esta forma
se obtiene una reducción del consumo de unos 100 Mwh anuales
 Para evitar el arranque de los compresores debido a las fugas en el sistema durante los períodos
no productivos, deberá instalarse a la salida de los tanques una válvula pilotada y temporizada por
reloj que asegure la estanqueidad del mismo. Limitamos así la pérdida por fuga y se ahorran otros
10 MWh anuales
 Resumiendo, con una demanda de energía de 3100 Mwh anuales en los compresores, es posible
ahorrar en estos ítems, unos 1100 Mwh anuales, lo que implica una reducción del 35% en los
costos energéticos
Otros sectores de pérdidas tales como el secado del aire, pueden ser optimizados. Los secadores
de masa térmica dan una mejor performance energética que los secadores frigoríficos estándares.
Cada mejora deberá valorizarse financieramente a los efectos de juzgar la conveniencia de la
inversión, más aún en un contexto de precios en alza e importación de energía y combustibles
como el que tiene lugar en el país
El sistema analizado es típico en plantas embotelladoras de capacidad pequeña o mediana en las
que las soluciones propuestas pueden tener lugar, ya que en las plantas de gran capacidad y de
buen nivel de modernización, la planta de soplado opera solamente en alta presión y recupera
parte del aire comprimido en baja presión (0.6 o 0.8 MPa) para las etapas posteriores, teniendo en
estos casos un bajo consumo específico y una mejor eficiencia energética que las instalaciones
citadas

11. 2. CONCLUSIONES
Las plantas embotelladoras de bebidas carbonatadas son importantes consumidoras de energía
eléctrica en sus instalaciones de soplado PET. Utilizando la evaluación energética estandarizada
por la Norma ASME E4-4-2009 junto al análisis exergético, es posible identificar y valorar las
pérdidas energéticas en los sistemas de aire comprimido y enfocar las acciones de mejora continua
tendientes a reducirlas y optimizar la performance exergética de los mismos. En el caso analizado
es posible reducir hasta un 35% el consumo de energía eléctrica mediante la aplicación de las
herramientas citadas
3. REFERENCIAS
[1] ASME EA4-2010: Energy Assessment for Compressed Air Systems. Published by the American
Society of Mechanical Engineers, NY- 2009
[2] ISO 50001-2011: Energy Management Systems. Published by ISO
[3] Improving Compressed Air System Performance. Published by the U.S. Department of Energy,
2003. Website: www.eere.energy.gov/industry
[4] Gangj Ahmad. Energy Conservation Opportunities in Carbonated Soft Drink Canning / Bottling
Facilities. Houston, Texas, 2002. Disponible en: www.baseco.com
[5] Ablin Amalie – Revista Alimentos Argentinos, Nº 58. http:// www.alimentosargentinos.gov.ar
/contenido/revista/pdfs/58/bebidaoriginal.pdf
[6] Scales W. et al – Best Practices for Compressed Air Systems. Second Edition, 2007 Published
by Compressed Air Challenge, U.S.
[7] Screw Compressors – Kovacevik & Stocik. Edit.Springer Verlag, 2007
[8] Bloch Heinz – A Practical Guide to Compressors Technology. Edit by John Wiley Sons, 2006
[9] Baehr H._Kabelac – Thermodynamik. Edit. Springer Verlag, 2006
[10] Mayinger Franz – Thermodynamik. Edit. Springer Verlag, 2006
[11] Bejan Adrian – Advanced Engineering Thermodynamics. Edit by John Wiley Sons, 2006
[12] Andrianova T. et al – Problemas de Termodinámica Técnica. Editorial Mir Moscú, 1977
[13] Carranza Alberto, et.al – Exergía del aire comprimido. Revista Scientia et Technica, Año 10,
Nº25, 2004 – Colombia
[14] Baehr.H – Ein exergie-entropie diagramm für luft. Revista Chemie-Ing.Tech.Nº33, 1961 / Nº5,
página 335-338
[15] 7th International Conference on Compressors and their Systems. City University London, 2011.
Edit. Woodhead Publishing Limited. UK