12 Fabricación de productos de plástico

Transcripción

12
Manual de eficiencia energética para pymes
Fabricación de productos de plástico
CNAE 22.2
present
El IDAE, como miembro del patronato de la Fundación EOI, no puede menos que felicitar a la misma por la
oportunidad en la edición del presente Manual de eficiencia energética para pymes. La volatilidad registrada
por los precios energéticos durante buena parte del año pasado ha continuado también en 2008, y a ella se ha
añadido una crisis financiera mundial que afecta al conjunto de la economía. Por ello, la mejora de la eficiencia
energética como instrumento de apoyo a la competitividad es básica en nuestro actual tejido industrial.
El tejido empresarial español cuenta con mayor presencia de las pequeñas y medianas empresas (pymes) que
en la Unión Europea, ocupando al mismo tiempo un mayor volumen de empleo: de un total de 3,3 millones
de empresas, el 99,9% son pymes que representan el 82% del empleo empresarial. La economía española es, por lo tanto, una economía de pymes, en la que, además, el tamaño medio empresarial es reducido:
6,6 trabajadores por empresa.
Si a esta situación habitual de las pymes españolas se añade la actual coyuntura económica, el resultado es un
incremento en la fragilidad de este tipo de compañías. En este contexto, mejorar su nivel de innovación, tanto
tecnológica como no tecnológica, su productividad y su competitividad se convierte en la estrategia apropiada
que permitirá la persistencia y adaptación de nuestras pymes a los nuevos entornos y desafíos planteados por
unos mercados cada día más globalizados.
La energía es un bien que incide directamente sobre el desarrollo de la sociedad. A su vez, el desarrollo constituye un factor fundamental de seguridad, en tanto que aporta estabilidad, cohesión social y una mejor o
peor posición estratégica. El sector industrial, en general, y las pymes, en particular, han venido mostrando
históricamente un gran interés en la utilización efectiva de la energía. Baste decir que desde el comienzo de
las primeras crisis energéticas, en la década de los años 70 del siglo pasado, el sector mejoró su intensidad
energética en un 7%, gasificando sus suministros energéticos en detrimento de los productos petrolíferos,
55% del consumo industrial en 1973 frente al 11% en 2007, y, en menor medida, el carbón, 19% del consumo
industrial en 1973 frente al 8% en 2007.
Pese a estas mejoras en los consumos energéticos, los primeros años del presente siglo muestran cierta saturación en lo que a incrementos de eficiencia energética se refiere. Si se añaden a la reciente evolución de la
intensidad energética, prácticamente estabilizada desde el año 2000, la actual coyuntura económica y la alta
volatilidad de los precios energéticos, se hace necesario incrementar las actuaciones que permitan continuar
aumentando la eficiencia energética de las pymes.
Las mejoras de los procesos productivos, con la incorporación de tecnologías más eficientes y sostenibles, la
renovación de equipamientos obsoletos y la adecuada gestión de los procesos y servicios productivos serán los
ejes básicos de actuación que conducirán a una disminución de las intensidades energéticas.
tación
La incorporación de estas actuaciones al mercado cuenta, desde las administraciones públicas, con un conjunto
de herramientas específicas destinadas a ayudar a las pymes a mejorar su competitividad a través de un mejor,
más racional y sostenible uso de la energía.
La Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España 2004-2012 (E4), aprobada por el Consejo de Ministros
de 28 de noviembre de 2003, establece el marco de desarrollo para las actuaciones de eficiencia energética en
el periodo 2004-2012. El desarrollo de la E4 se implementa a través de los planes de acción para el pasado periodo 2005-2007 y el actualmente vigente 2008-2012, así como el Plan de Activación 2008-2011, recientemente
aprobado por el Gobierno. En conjunto, la E4, sus planes de acción y el plan de activación tienen como objetivo
lograr un ahorro energético, en términos de energía primaria, de cerca de 88 millones de toneladas equivalentes
de petróleo, de las cuales al sector industrial le corresponden alrededor de 25. Para ello, el Plan de Acción 20082012 proveerá de unos incentivos públicos de 370 millones de euros, equivalentes a una intensidad de ayuda
del 22%, a las inversiones para la mejora de la eficiencia energética que se realicen en el sector industrial, que
se estima que alcancen un volumen de 1.671 millones de euros.
La incorporación de tecnologías renovables al mercado empresarial dispone de un instrumento adicional de
apoyo: el Plan de Energías Renovables 2005-2010, aprobado por el Consejo de Ministros de 26 de agosto de
2005. Los usos térmicos finales de las pymes y empresas de comercio y servicios cuentan en este plan con un
marco de apoyo a la diversificación energética sostenible a través, básicamente, de las tecnologías de biomasa
térmica y solar térmica de baja temperatura.
Desde el prisma de la innovación tecnológica, el instrumento por excelencia es el Plan Nacional de I+D+i
que tiene como objetivo, entre otros, situar España a la vanguardia del conocimiento, promoviendo un tejido
empresarial altamente competitivo.
A las anteriores actuaciones y herramientas se añade el presente Manual de eficiencia energética para
pymes, que deberá convertirse en una guía básica que oriente a las empresas sobre las posibles actuaciones
energéticas existentes que les permitan mejorar sus productos y procesos, aumentando la competitividad de
las mismas.
Es de agradecer la dedicación de la Fundación EOI y del Centro de Eficiencia Energética de Gas Natural Fenosa
en la elaboración de este Manual de eficiencia energética para pymes que, estamos seguros, redundará en
beneficio, no solo del tejido empresarial del país, sino también de la sociedad en su conjunto, posibilitando un
consumo energético responsable y sostenible.
índic
Contexto energético general e introducción a la situación sectorial
0. Introducción
0.1.Balance energético del sector
6
8
1. Identificación de los procesos y tecnologías aplicadas
9
1.1. Materias primas en la elaboración de plásticos
10
1.2.Síntesis de polímero
10
1.3.Incorporación de aditivos
10
1.4.Procesamiento del polímero
10
1.4.1. Proceso de extrusión
11
1.4.2. Moldeo por soplado
13
1.4.3. Proceso de inyección
15
2. Ineficencias energéticas en procesos y sistemas
16
2.1.Procesamiento por extrusión
16
2.2.Procesamiento por soplado
16
2.3.Procesamiento por inyección
16
2.4.Ineficiencias en el consumo de agua
17
2.5.Sistemas implicados
18
3. Mejoras tecnológicas y en proceso que favorezcan la eficiencia energética
19
3.1.Motores eléctricos
19
3.2.Sistemas de iluminación
20
ce
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Fabricación de productos
de plástico (CNAE 22.2)
3.3.Compresores y sistemas de aire
20
3.4.Hornos y secaderos
21
3.5.Sistemas de calefacción
21
3.5.1. Líneas de vapor y condensados
22
3.5.2. Análisis de combustión de equipos
22
3.5.3. Sustitución de combustibles
24
3.6.Uso eficiente del agua
24
3.7. Aislamiento de redes de distribución
24
3.8.Reducción del consumo de energía en el proceso
25
3.9.Otros sistemas de ahorro de energía
25
3.9.1. Refrigeración libre
25
3.9.2. Camisas aislantes en el husillo
25
3.9.3. `Conformal cooling´
25
3.9.4. Motores hidráulicos
25
3.9.4. Curado de tintas ultravioleta en atmósfera de nitrógeno
26
4. Bibliografía 26
Fabricación de productos de plástico (CNAE 22.2)
0
Introducción
La industria del sector plástico se engloba dentro del
sector de la industria química, concretamente en la
industria química básica. Un sector importante económicamente cuyo volumen de negocio a nivel (UE-25) se
situó en 2006 en los 639.000 millones de euros, representando el 30,3% de la facturación química mundial.
Alemania, cuarto productor mundial, genera la cuarta
parte del negocio químico comunitario (25,4%). Francia
se mantiene en segundo lugar (15,7%), seguida de Italia
(12,4%) y el Reino Unido (9,8%). España se sitúa como
quinto productor europeo con el 7,5%.
6
En nuestro país la industria química tiene una enorme
importancia. En el año 2006 la industria química, con
un volumen de ventas de 47.138 millones de euros,
representaba el 10% del total de la cifra de negocios
del conjunto de la industria española, que alcanzó los
484.000 millones de euros. El sector químico es el cuarto
mayor sector industrial tras los sectores de alimentación,
bebidas y tabaco (18% del total), metalurgia y productos
metálicos (16%) y material de transporte (15%). Por otra
parte, la industria química aporta casi el 10% del producto
industrial bruto español, lo que le convierte en uno de
los pilares estructurales de la economía. La aportación
al PIB industrial la lideran el sector de la metalurgia y
los productos metálicos (18%), alimentación, bebidas y
tabaco (14%) y el material de transporte (11%).
A lo largo de los últimos años la industria química ha evolucionado hacia producciones de mayor valor añadido. La química
básica representa hoy el 40% del sector (hace 30 años representaba el 60%). Mientras que han ganado peso la química
de la salud que representa hoy un 26%, y la química para la
industria y el consumo final totaliza un 34%.
Figura 1. Distribución sectorial de la producción química. (2007)
2,2%
Fertilizantes
40,5%
Química básica
17,4%
MMPP plásticas
y caucho
11,5%
Orgánica
1,5%
Fibras
4,2%
Inorgánica
1,3%
Colorantes
2,4%
Gases
7,1%
MMPP farmacéuticas
9,3%
Otros
consumos
17,0%
Especialidades
6,00%
Perfumería
y cosmética
33,7%
Química para la
industria y el consumo
8,8%
Detergencia
y productos
de limpieza
25,8%
Química de la salud
1,7%
Fitosanitarios
9,6%
Pinturas
y tintas
Fuente: FEYQUE. Contabilidad Nacional..
Tabla 1. Distribución de la cifra de negocios industrial en España, 2006 (millones de euros y porcentaje).
Sector industrial
Cifra de negocios
% del total
Alimentación, bebidas y tabaco
90.590
18
Metalurgia y productos metálicos
77.360
16
Material de transporte
70.499
15
Industria química
47.138
10
Productos minerales no metálicos
36.424
8
Papel, edición y artes gráficas
30.816
6
Material y equipo eléctrico, electrónico y óptico
31.730
7
Maquinaria y equipo mecánico
30.200
6
Industria textil, confección, cuero y calzado
20.965
4
Transformado de caucho y plástico
20.451
4
Industrias manufactureras diversas
16.835
4
Madera y corcho
10.992
2
484.000
100
TOTAL INDUSTRIA
Fuente: FEYQUE. Contabilidad Nacional..
Por subsectores, destaca la importancia de la producción
de materias primas de plástico y caucho supone el 17,4%
del total, seguida por las especialidades farmacéuticas
(17,0%) y la química orgánica (11,5%).
Por otra parte, como pone de relieve la Asociación Española de Industriales de Plásticos (ANAIP), la industria de
transformación de plásticos tiene una enorme importancia en nuestros país. No en vano está integrada por
4.200 empresas que dan trabajo a más de 100.000
personas y cuyo volumen de ventas en 2007 superó los
25.000 millones de euros, alcanzado el 8% de las ventas
de productos industriales (excluyendo alimentación y
bebidas) de nuestros país.
A la hora de analizar la eficiencia energética de este
sector, conviene delimitar la figura de los plásticos.
Se trata de productos sintéticos fabricados a partir de
recursos naturales, como petróleo, gas natural, carbón
y sal común.
Los plásticos son materiales poliméricos orgánicos
(compuestos por moléculas orgánicas gigantes) que
pueden deformarse hasta conseguir una forma deseada
por medio de procesos como la extrusión, el moldeo,
la inyección, y el hilado, entre otros. Las moléculas
pueden ser de origen natural, por ejemplo la celulosa,
la cera y el caucho (hule) natural; o sintéticas, como el
polietileno y el nylon. Los materiales empleados en su
fabricación son resinas en forma de bolitas o polvo en
disolución. Con estos materiales se fabrican los plásticos terminados.
Nacen por tanto a partir de recursos naturales como
petróleo, gas natural, carbón y sal común. En términos
técnicos, la producción de plásticos es un proceso
llamado polimerización: reacción química en la que dos
o más moléculas se combinan para formar otra en la
que se repiten las estructuras de las primitivas dando
lugar al polímero. Una vez creados los compuestos
poliméricos, en forma de resina, polvos, granza, pasta,
etc., se lleva a cabo la transformación de los mismos
por muy diversos procesos como, inyección, extrusión, termoconformado, soplado, calandrado, etc. Si
se trata de productos semielaborados requieren una
manipulación posterior como mecanizado, ensamblando, encolado, etc., que darán lugar al producto
final acabado.
Los plásticos de mayor consumo son el poliestireno,
polipropileno, policloruro de vinilo y PET. Además de
estos plásticos de más consumo o comerciales hay
otros muchos plásticos en el mercado, destacando las
familias de los plásticos termoestables y de los plásticos
técnicos. Algunos de estos plásticos son: ABS, alcohol
polivinílico, aminoplastos, copolímeros EVA, fenoplastos,
polimetracrilatro, poliacetales, poliacetato de vinilo, poliamidas, polibutilentereftalato, policarbonatos, poliésteres
no saturados, polióxido de fenileno, politetrafluoretileno,
poliuretanos, resinas alcídicas, resinas epoxi, SAN, etc.
Finalmente y para modificar las propiedades de los polímeros, y adecuarlos a las necesidades del mercado y
a los requerimientos para cada aplicación, se utilizan
los aditivos. Los más comunes son: cargas, colorantes,
estabilizantes, ignifugantes, modificadores de impacto y
refuerzos.
Los plásticos se caracterizan por una relación resistencia/
densidad, propiedades excelentes para el aislamiento
térmico y eléctrico, y una buena resistencia a los ácidos y
disolventes. Las moléculas de las que están compuestos
pueden ser lineales, ramificadas o entrecruzadas, dependiendo del tipo de plástico. Las moléculas lineales y ramificadas son termoplásticas (se ablandan con el calor), mientras que las entrecruzadas son termoendurecibles (se
endurecen con el calor). Habitualmente, un determinado
polímero no es el único material que se puede emplear
en un campo de aplicación concreto. Existen materiales
alternativos y, por lo tanto, en un mercado competitivo los
polímeros deben proporcionar beneficios.
Con frecuencia, los polímeros ofrecen ventajas para
múltiples aplicaciones, como:
• Reducción del peso y ahorros de transporte y
combustible.
• Propiedades aislantes eléctricas adecuadas para
cableados, interruptores, enchufes, herramientas
eléctricas y productos electrónicos.
• Transparencia óptica adecuada para aplicaciones
de lentes, iluminación y embalajes.
• Resistencia a la corrosión. Una característica
importante para tuberías, sistemas de riego, ropa
impermeable y artículos de deporte.
• Resistencia a los productos químicos, hongos y
moho.
• Facilidad de procesamiento y, por lo tanto, posibilidad de realizar formas complicadas.
• Ahorros de coste respecto a soluciones alternativas.
7
Los materiales poliméricos se utilizan tanto en objetos
cotidianos simples, como bolsas de plástico, como en
componentes ópticos o electrónicos avanzados y aplicaciones médicas. Los campos de aplicación principales
en Europa Occidental se indican en la siguiente figura.
La cantidad consumida en Europa Occidental ascendió
a 48.788 kt.
Figura 2. Campos de aplicación principales del plástico.
5,80%
Gran industria
20,10%
Otros objetos
cotidianos/domésticos
37,20%
Embalaje
8
8,00%
Industria
automovilística
18,50%
Construcción
8,50%
Productos
eléctricos
y electrónicos
2,00%
Agricultura
Fuente: Instituto Nacional de Estadística (INE).
La aplicación de los plásticos es claramente visible en
muchos sectores, como lo pone de manifiesto ANAIP:
• Envase y embalaje: Los envases y embalajes
plásticos son ligeros, suponiendo un ahorro de
combustible en el transporte de los productos
envasados son reciclables. Polietileno y PET.
cable, se hace con plásticos. De las 5.000 piezas
que lleva un automóvil fabricado en España, 1.700
son de plástico. Polipropileno y polímeros técnicos
como el ABS o las poliamidas.
• Medicina: En España, más de 125.000 personas
disfrutan de un mejor nivel de vida gracias a un
marcapasos fabricado con plástico, según datos
facilitados por la Asociación Nacional de Cardiología. Además, otros productos del área sanitaria
tienen al plástico como principal componente. Las
jeringuillas, lentillas, prótesis, cápsulas, envases
de productos farmacéuticos, bolsas de sangre y
suero, guantes, filtros para hemodiálisis, válvulas,
tiritas, gafas, e incluso, el acondicionamiento de
cada una de las salas de un hospital se construye
con materiales plásticos. PVC.
• Electrónica: El empleo de los plásticos ha permitido mejorar sensiblemente las comunicaciones,
debido a que, su capacidad como aislante, protege
de los agentes externos. Comunicaciones por satélite, cable, ordenadores personales, telefonía fija y
móvil, etc. Todos contienen plásticos en su diseño.
El área más importante de consumo en este sector
es el de equipamientos electrónicos. PVC y polímeros técnicos como el policarbonato y ABS.
• Agricultura: Las aplicaciones más extendidas de la
plasticultura son: acolchamiento de suelos, túneles
de cultivo, invernaderos, tuberías para conducción
de agua y drenaje, filmes para ensilar, cortavientos,
láminas para embalses y cordelería. La resistencia al
impacto y al rasgado, la transparencia a la radiación
solar, la dispersión de la luz y la reducción del riesgo de
heladas, son entre otros, los beneficios que ofrecen
los plásticos en la agricultura. Poliestileno y PVC.
• Construcción: La mayoría de los edificios públicos,
nuestras viviendas, nuestros lugares de trabajo, ya
sean fábricas u oficinas, los edificios destinados al
ocio y servicios, hospitales, etc., tienen al plástico
como elemento común. La razón es que éstos,
permiten un abaratamiento de los costes en la
producción de grandes series de piezas para la
construcción, a la vez que facilitan el ahorro de
energía por su bajo peso, sus grandes prestaciones
y su alto poder aislante. PVC y poliestireno.
La industria de producción de plásticos es intensiva en
consumo de energía y agua. El consumo de energía en
los procesos de transformación del plástico depende de
múltiples factores, entre los que se encuentran el tiempo
para el secado del material, la complejidad del proceso y
el tipo y la cantidad de equipos auxiliares necesarios.
• Transporte y telecomunicaciones: La fabricación
de aviones, barcos, cohetes, trenes, motocicletas,
globos, coches, bicicletas, teléfonos, antenas
parabólicas, cámaras e incluso las nuevas redes de
En Europa, el consumo de energía de la industria del
plástico se cifra en nueve billones de euros. Existen
27.000 empresas europeas que transforman 40 millones
de toneladas de plástico, con un consumo medio de
0.1. Balance energético del sector
energía específica de 2.87 kW/kg de plástico transformado y un coste medio de energía de 0,08 €/kW.
Según datos del Instituto Nacional de Estadística (INE,
2006), en el sector del plástico, el tipo de energía más
demandado es la eléctrica, alcanzando un 77% sobre
todos los consumos energéticos de la industria. No
obstante, conviene aclarar que los porcentajes en
demanda de energía dependen del producto que se
fabrique, existiendo diferencias dentro del sector.
Figura 3. Consumos energéticos del sector plástico.
10%
Productos petrolíferos
10%
Gas
3%
Otros
En unidades monetarias el total de consumos energéticos
es de 338.055.000 €. El gasto en energía eléctrica asciende
a 260.062.000 €, seguido del gas con un coste total de
33.268.000 €, gasóleo 20.780.000 €, otros consumos
energéticos 10.697.000 €, otros productos petrolíferos
9.747.000 € y por ultimo el fueloil con 3.501.000 €.
Pero el consumo de energía no es solamente un problema
económico para las empresas, sino que, además, repercute de manera negativa sobre el medio ambiente.
La utilización de fuentes de energía y materias primas no
renovables y las emisiones de CO2 generan un problema
medioambiental que afecta al conjunto de la sociedad.
1
Identificación de los procesos
y tecnologías aplicadas
La fabricación de los plásticos y sus manufacturados
implica cuatro pasos básicos:
• Obtención de las materias primas.
• Incorporación de los aditivos
77%
Electricidad
Fuente: Instituto Nacional de Estadística.
• Síntesis del polímero básico.
• Procesamiento del polímero.
9
Figura 4.
MONÓMETRO, COMONÓMERO,
CATALIZADOR, DISOLVENTE...
MATERIAS PRIMAS
EFLUENTES GASEOSOS
POLIMERIZACIÓN
AGUAS RESIDUALES
ACABADOS
RESIDUOS
ENERGÍA
AGUA
PROCESAMIENTO
POLÍMERO
10
1.1. Materias primas en la elaboración
de plásticos
Las materias primas utilizadas en la producción de
plásticos han variado mucho a lo largo del tiempo. En
un principio, la mayoría de los plásticos se fabricaban
con resinas de origen vegetal, como la celulosa (del
algodón), el furfural (de la cáscara de la avena), aceites
(de semillas), derivados del almidón o el carbón. La
caseína de la leche era uno de los materiales no vegetales utilizados. En la actualidad, la mayoría de los
plásticos se elaboran con derivados del petróleo. Las
materias primas derivadas del petróleo son baratas,
pero dado que las existencias mundiales de petróleo
tienen un límite, se están investigando otras fuentes
de materias primas.
1.2. Síntesis del polímero
El primer paso en la fabricación de un plástico es la polimerización. Los dos métodos básicos de polimerización
son las reacciones de condensación y las de adición, que
pueden llevarse a cabo de varias formas. En la polimerización en masa se polimeriza solo el monómero, por lo
general en una fase gaseosa o líquida, si bien se realizan
también algunas polimerizaciones en estado sólido.
Mediante la polimerización en disolución se forma una
emulsión que seguidamente se coagula. En la polimerización por interfase, los monómeros se disuelven en dos
líquidos inmiscibles y la polimerización tiene lugar en la
interfase entre los dos líquidos.
1.3. Incorporación de los aditivos
Con frecuencia se utilizan aditivos químicos para conseguir una propiedad determinada. Por ejemplo, los antioxidantes protegen el polímero de degradaciones químicas
causadas por el oxígeno o el ozono. De una forma parecida, los estabilizadores ultravioleta lo protegen de la
intemperie. Los plastificantes producen un polímero
más flexible, los lubricantes reducen la fricción y los
pigmentos colorean los plásticos. Algunas sustancias
ignífugas (sustancias combustibles ininflamables) y
antiestáticas se utilizan también como aditivos.
Muchos plásticos se fabrican en forma de material
compuesto, lo que implica la adición de algún material de
refuerzo, normalmente fibras de vidrio o de carbono. Los
materiales compuestos tienen la resistencia y la estabilidad de los metales, pero por lo general son más ligeros.
Las espumas plásticas, un material compuesto de plástico y gas, proporcionan una masa de gran tamaño, pero
muy ligera.
1.4. Procesamiento del polímero
Las técnicas empleadas para conseguir la forma final y
el acabado de los plásticos dependen de tres factores:
tiempo, temperatura y fluencia (conocido como deformación). La naturaleza de muchos de estos procesos es
cíclica.
• Inyección: proceso de soplado empleado cuando
se desea producir recipientes de boca ancha.
• Mandril: parte central del dado.
Una de las operaciones más comunes es la extrusión.
Una máquina de extrusión consiste en un aparato
que bombea el plástico a través de un molde con la
forma deseada. Los productos extrusionados, como
los envases, tienen una sección llamada matriz con la
forma del envase que se desea fabricar. Otros procesos
utilizados son el moldeo por compresión, en el que la
presión fuerza al plástico a adoptar una forma concreta,
y el moldeo por transferencia, en el que un pistón
introduce el plástico fundido a presión en un molde. El
calandrado es otra técnica mediante la cual se forman
láminas de plástico. Algunos plásticos, y en particular
los que tienen una elevada resistencia a la temperatura,
requieren procesos de fabricación especiales.
Una clasificación más específica de los procesos de transformación se basa en los cambios de estado que sufren
los plásticos dentro de la maquinaria. Así, se distinguen:
• Matriz: dispositivo empleado en el moldeado
del plástico que contiene la forma del producto
deseado. Sinónimo de dado.
• Párison: sinónimo de forma previa o preforma en
el proceso de soplado.
• Ramo: tipo de marcado que abarca la producción
de una empresa, conocido también como giro.
• Soplado: proceso de soplado empleado para
producir recipientes de boca delgada.
• Torque: giro realizado bajo presión realizado por
máquinas o estructuras.
1.4.1 Proceso de extrusión
• Procesos primarios: el plástico es moldeado a
través de un proceso térmico donde el material
pasa por el estado líquido y finalmente se solidifica. Contempla los siguientes procedimientos:
extrusión, inyección, soplado, calandreo, inmersión y rotomoldeo.
• Procesos secundarios: utilizan medios mecánicos o neumáticos para formar el artículo final
sin pasar por la fusión del plástico. Consta de los
siguientes procesos de transformación: termoformado, doblado, corte, torneado y barrenado.
Los procesos más conocidos y utilizados en la transformación de los diferentes tipos de polímeros son: la
extrusión, moldeo por soplado y proceso por inyección.
De cara a los procesos, conviene delimitar ciertos
conceptos que intervienen:
• Dado: dispositivo empleado en el moldeado del
plástico para darle una forma determinada de tubo.
Sinónimo de matriz.
• Filete: dispositivo que recorre el husillo de un
extremo a otro e impulsa la materia prima a través
del extrusor.
• Husillo: eje metálico central que contiene la mayor
tecnología dentro de una máquina de extrusión.
Es un proceso continuo, en el que la resina, fundida por
la acción de temperatura y fricción, es forzada a pasar
por un dado que le proporciona una forma definida y es
enfriada finalmente para evitar deformaciones permanentes. Se fabrican por este proceso: tubos, perfiles, películas, manguera, láminas, filamentos y pellets. Presenta
alta productividad y es el proceso más importante de
obtención de formas plásticas en volúmenes de producción elevados. Su operación es de las más sencillas, ya
que una vez establecidas las condiciones de operación,
la producción continúa sin problemas siempre y cuando
no exista un disturbio mayor. El coste de la maquinaria
de extrusión es moderado, en comparación con otros
procesos como inyección, soplado o calandreo, y con
una buena flexibilidad para cambios de productos sin
necesidad de hacer inversiones mayores.
La restricción principal es que los productos obtenidos
por extracción deben tener una sección transversal constante en cualquier punto de su longitud (tubo, lámina) o
periódica (tubería corrugada), quedando excluidos todos
aquellos con formas irregulares o no uniformes.
La mayor parte de los productos obtenidos de esta forma
requieren de procesos posteriores con el fin de habilitar
adecuadamente el artículo, como en el caso del sellado
y cortado, para la obtención de bolsas a partir de película
tubular o la formación de la unión o socket en el caso de
tubería.
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En el mercado se pueden encontrar los siguientes
productos transformados por el proceso de extrusión:
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• Película tubular: bolsa, película plástica para uso
diverso, película para arropado de cultivos, bolsa
para envase de alimentos y productos de alto
consumo.
• Tubería: tubería para conducción de agua y
drenaje, manguera para jardín y manguera para
uso médico.
• Recubrimiento: alambre para uso eléctrico y telefónico.
• Perfil: hojas para persiana, cerrajería de ventanas y
canales de flujo de agua.
• Lámina y película plana: rafia, manteles para
mesa e individuales, cinta adhesiva.
• Monofilamento: alfombras.
La extrusión, por su versatilidad y amplia aplicación,
suele dividirse en varios tipos, dependiendo de la forma
del dado y de los productos extruidos, así la extrusión
puede ser:
• De tubo y perfil.
• De película tubular.
• De lámina y película plana.
• Recubrimiento de cable.
• De monofilamento.
• Para pelletización y fabricación de compuestos.
Independientemente del tipo de extrusión que se quiera
analizar, todos guardan similitud hasta llegar al dado
extrusor. Básicamente, una extrusión consta de un eje
metálico central con álabes helicoidales llamado husillo
o tordillo, instalado dentro de un cilindro metálico revestido con una camisa de resistencias eléctricas.
En un extremo del cilindro se encuentra un orificio de
entrada para la materia prima donde se instala una tolva
de alimentación, generalmente de forma cónica; en ese
mismo extremo se encuentra el sistema de accionamiento del husillo, compuesto por un motor y un sistema
de reducción de velocidad. En la punta del tornillo, se
ubica la salida del material y es el dado quien forma finalmente al plástico.
1.4.1.1. Equipos empleados
El proceso de extrusión utiliza electricidad para el motor,
para los auxiliares de la línea de extrusión y en los útiles
generales tales como el agua de refrigeración, vapor
o aire comprimido. Los equipos que intervienen en el
proceso son los siguientes:
• Tolva. Es un depósito de materia prima donde
se colocan los pellets de material plástico para la
alimentación continua del extrusor. Se utiliza para
instalar de manera perfectamente concéntrica las
partes componentes del dado, lo cual es indispensable después de una labor de desensamble para
su limpieza y mantenimiento.
• Anillo de Enfriamiento. Lleva el material fundido
al estado sólido; estabiliza la burbuja en diámetro
y forma circular; reduce la altura de la burbuja;
proporciona claridad a la película, deteniendo la
cristalización del polímero, y mejora la productividad.
En el anillo de enfriamiento es importante controlar
el volumen, la velocidad y la dirección, así como
la temperatura del aire. Los diseños de anillos de
enfriamiento son variados, dependiendo del tipo
de material que se vaya a procesar. Los diseños
más complicados son los anillos con una y dos
etapas de enfriamiento, que se eligen según los
requerimientos de enfriamiento del proceso.
En la operación de equipos con enfriamiento
interno, el área de contacto se duplica, permitiendo aumentos de productividad del 30%
al 59%, aunque presenta el inconveniente de
requerir un dado especial y un segundo compresor
para abastecer el enfriamiento interno. Una
ventaja adicional en la circulación interna de aire
es la reducción de la tendencia de la película a
adherirse o bloquearse internamente, gracias a la
remoción de ciertos volátiles emitidos por el polímero caliente.
• Unidades de calibración. Las unidades de calibración son dispositivos que controlan el diámetro
de la burbuja cuando se trabaja con la opción de
enfriamiento interno. Estas unidades constan de
pequeños rodillos soportados por ejes curvos
dispuestos alrededor de la burbuja y mantienen
constantemente las dimensiones de ésta. Adicionalmente, un censor de diámetro colocado justo
arriba de la línea de enfriamiento, manda una señal
para aumentar o reducir el volumen de aire; con
ellos se puede lograr diferencia de ± 2 mm en el
diámetro.
• Unidad de tiro. Incluye un marco para el colapsamiento de la burbuja y un rodillo de presión y jalado
de la película, que, al igual que el embobinador,
son partes que no influyen en la productividad de
una línea de extrusión, pero tienen influencia en la
calidad de formado de la bobina de película.
• Rodillos de tiro. Influyen en la calidad de la película final, ya que deben tirar uniformemente para
no provocar variaciones en el espesor. La película
debe oprimirse con la firmeza necesaria para evitar
la fuga de aire que pueda causar un descenso en el
diámetro final. Para el logro de esta última función,
uno o ambos rodillos son de acero recubierto con
hule y uno de ellos está refrigerando.
• Embobinadores. Las unidades de embobinado de
película son dispositivos para la capacitación del
material producido para suministrarlo a máquinas
de procesado final como impresoras, cortadoras, selladoras, etc.. Pueden ser de contacto o
centrales.
1.4.2 Moldeo por soplado
El moldeo por soplado es un proceso discontinuo de
producción de recipientes y artículos huecos. Durante
el mismo una resina termoplástica es fundida, transformada en una preforma hueca y llevada a un molde final en
donde, por la introducción de aire a presión en su interior,
se expande hasta tomar la forma del molde, finalmente
es enfriada y expulsada como un artículo terminado.
Para la producción de la preforma se puede considerar la
mitad del proceso como conjunto utilizando el proceso de
extrusión, permitiendo que el proceso de soplado se divida
en dos grupos distintos: inyección o soplado y extrusión.
Este proceso tiene la ventaja de ser el único para la
producción de recipientes de boca angosta y, además,
los moldes requeridos no son muy costosos. También,
permite cambios en la producción con relativa sencillez.
Como restricciones del proceso se puede mencionar que
se producen artículos huecos que requieren de grandes
espacios de almacenaje y dificultan la comercialización a
regiones que no estén próximas a la planta productora. Y
que, además, en cada ciclo se obtiene material residual
que debe ser molido y retornado al material virgen para
su recuperación, lo que reduce la relación producto obtenido/material alimentado.
Respecto de las aplicaciones, prácticamente el moldeo
de cualquier recipiente se puede lograr por medio del
proceso de soplado, siendo el único para la producción de
recipientes de cuello angosto de alto consumo en industrias como la alimenticia, cosmética y química, aunque en
envases de cuello ancho, puede encontrar cierta competencia en algunos otros procesos. El proceso se encuentra
en franco crecimiento, bajo la necesidad de abastecer a
un mercado de alimentos también en constante auge.
Ejemplos de la diversidad de aplicaciones son:
• Sector cosmético-farmacéutico
- Envases de tratamiento tipo ampolletas.
- Envases pequeños para muestras médicas.
13
- Recipientes para medicamentos en pastillas.
- Recipientes para jarabes, soluciones y suspensiones.
- Recipientes grandes para suero.
- Recipientes para shampoo y cremas.
- Recipientes para lociones y perfumes.
• Sector de alimentos
- Botellas para aceite comestible.
- Botellas para agua potable.
- Botellas para bebida carbonatadas con o sin
retorno.
- Botellas para bebidas alcohólicas.
- Envases pequeños para golosinas.
- Envases para bebidas refrescantes no carbonatadas.
- Envases para condimentos.
- Envases para bebidas en polvo.
14
En cuanto al proceso en sí, para la obtención de artículos
huecos por esta vía, la resina polimérica es alimentada en
la tolva de un extrusor, de ahí pasa al interior del cañón,
se plastifica y homogeneiza por medio del husillo con los
pigmentos y otros aditivos, siendo únicamente restringido
el uso de cargas o refuerzos, ya que estos últimos generalmente provocan la ruptura de las paredes del artículo
cuando está en la etapa de soplado.
El material ya homogéneo y completamente plastificado
pasa al dado que, de manera similar a la extrusión de
tubería, produce una preforma tubular con dimensiones
de pared controladas para que la pieza final cumpla con
las dimensiones de espesor requeridas. La producción de
esta preforma (párison) debe ser invariablemente vertical
y descendente, ya que no existe ninguna guía que pueda
ofrecerle alguna otra orientación, mientras que el tiempo
empleado desde que comienza a salir del dado hasta que
tiene la dimensión precisa para continuar con el ciclo está
limitado al momento en que la primera porción de plástico extruido se enfríe, perdiendo características para ser
moldeado. Llegando a la longitud de preforma óptima, que
es ligeramente mayor a la longitud del molde que forma
la pieza final, entra en acción el mecanismo que cierra
las dos partes del molde para dejar confinado el párison
(preforma) en éste. Durante su movimiento, el molde,
además, de rodear al párison, lo prensa por uno de sus
extremos, provocando el sellado de las paredes del tubo,
debido a que el plástico se encuentra aún por encima de
su temperatura de reblandecimiento. El diseño del molde
puede incluso cortar el material sobrante por debajo de
éste, formando así la característica línea o costura en la
base de todo recipiente obtenido por extrusión-soplo.
El otro extremo del párison permanece abierto, pues es
necesario para las etapas posteriores. En la tercera fase
del proceso se introduce una boquilla por el extremo
abierto del molde y en el interior del párison se inyecta
aire a presión, obligando a la preforma a extenderse
hasta alcanzar las paredes del molde, donde se enfría y
conserva la forma interior de éste. La boquilla de inyección
del aire crea al mismo tiempo la estructura final de la boca
y cuello del recipiente. Es importante señalar que durante
el proceso de expansión de la preforma hacia las paredes
del molde, el espesor de la pared sufre una reducción por
el aumento del área superficial.
En la última fase del ciclo de soplado, el molde se separa
exponiendo al recipiente terminado a una temperatura
en que es estable dimensionalmente, para ser entonces
expulsado por su propio peso o por el aire a presión que
aún se encuentra en su interior.
Finalmente, la última etapa del ciclo corresponde a la
expulsión de la pieza terminada con la apertura de los
moldes que dieron forma al cuerpo y cuello del recipiente
y la salida del vástago central del interior del producto.
1.4.3.1. Equipos empleados
1.4.3 Proceso de inyección
Se utiliza cuando se quiere obtener recipientes de boca
ancha, con un cuerpo aún más ancho o de forma tal que
no pueda obtenerse por un proceso simple de soplado.
También es adecuado cuando la resina requerida para la
obtención del recipiente tenga una fluidez y viscosidad
que no permitan la extrusión de una preforma o se tenga
muchos problemas para su control.
En esta variante del proceso de soplado, en la primera
etapa la resina es alimentada a la tolva de una máquina
de inyección, de donde pasa el cañón y por la acción del
husillo y de la resistencia calefactora es fundida, homogeneizada y transportada hacia la punta de la unidad de
inyección, quedando ahí acumulada temporalmente.
Al reunirse la cantidad de material suficiente para inyectar
la pieza y teniendo el molde listo para la recepción del
material, el husillo de la unidad de plastificación avanza,
expulsando el material plastificado hacia la cavidad del
molde para producir la preforma, con un perfil de espesores que puede ser uniforme o variable dependiendo de
la forma del artículo final.
El plástico inyectado es ligeramente enfriado para que
la preforma pierda fluidez y conserve un estado reblandecido. En el momento que alcanza la temperatura
adecuada, la parte del molde correspondiente al cuerpo
de la preforma se aparta para ser sustituida por otro molde
que tiene la forma exterior del recipiente deseado.
En esta etapa, las partes del molde que formaron el cuello
y la parte interna de la preforma se conservan inmóviles. La
preforma, ubicada ahora en un molde de mayor volumen,
es expandida por la inyección de aire introducido por el
vástago metálico central usado durante la inyección de
ésta. La expansión implica una reducción en el espesor de
las paredes del recipiente, de manera similar al proceso de
extrusión soplo, pero, en este caso, la línea de costura en
la base del producto no aparece, siendo reemplazada por
una discreta prominencia que indica el punto de inyección
de la preforma. El plástico, ahora en contacto nuevamente
con las paredes interiores del molde final, transfiere su
calor rápidamente hacia el metal, que a su vez es enfriado
con fluidos refrigerantes.
• Torre de refrigeración. Cede a la atmósfera el
calor transportado por un caudal de agua que refrigera máquinas o procesos que desarrollan calor.
Está compuesta básicamente por un cuerpo de
contacto, agua, aire y los elementos auxiliares
necesarios para trasladar el aire y el agua a través
de ella. La torre de refrigeración es un dispositivo
utilizado para disminuir la temperatura de un líquido,
por lo general agua, al mantenerlo en contacto con
una corriente de aire, de manera que una pequeña
parte se evapora y la mayor parte se enfría. Se
utilizan en instalaciones de aire acondicionado a
gran escala y en otras muchas aplicaciones industriales, en este caso para la obtención de botellas de plástico por el proceso de soplado. Estas
torres encarecen mucho el coste de las centrales,
pero su uso se ha hecho necesario al comprobar
el perjuicio ambiental que producen éstas en el
vertido de agua caliente a ríos y lagos.
El agua y el aire se ponen en contacto intensivo,
para lo cual un ventilador aspira el aire a contracorriente del agua; como consecuencia una parte
de ésta se evapora. El calor necesario para ello,
aproximadamente 597 kcal por cada litro de agua,
se toma del propio circuito produciendo así su refrigeración. Para el enfriamiento se utiliza, además,
la caída de temperatura entre el agua caliente y la
temperatura exterior del aire.
• Compresor. Para tener la presión de aire necesaria
para el inflado del plástico se utiliza un compresor
de aire. El aire comprimido posee una gran energía
potencial, ya que si eliminamos la presión exterior, se expandiría rápidamente. El control de esta
fuerza expansiva proporciona la fuerza motriz de
muchas máquinas y herramientas, como martillos
neumáticos, taladradoras, limpiadoras de chorro
de arena y pistolas de pintura. En general, hay
dos tipos de compresores: alternativos y rotatorios. Para el caso de las pequeñas empresas,
se utiliza un compresor alternativo o de desplazamiento, el cual se usa para generar presiones
altas mediante un cilindro y un pistón. Cuando el
pistón se mueve hacia la derecha, el aire entra
15
al cilindro por la válvula de admisión; cuando se
mueve hacia la izquierda, el aire se comprime y
pasa a un depósito por un conducto muy fino. El
aire, al comprimirlo, también se calienta. Las moléculas de aire chocan con más frecuencia unas con
otras si están más apretadas y la energía producida por estas colisiones se manifiesta en forma
de calor. Para evitar este calentamiento hay que
enfriar el aire con agua o aire frío antes de llevarlo
al depósito. La producción de aire comprimido a
alta presión sigue varias etapas de compresión;
en cada cilindro se va comprimiendo más el aire y
se enfría entre etapa y etapa.
2.2.Procesamiento por soplado
Dentro de este proceso de tratamiento del plástico
existen varios aspectos que influyen en el consumo
energético de éste, identificarlas proporcionará la oportunidad de reducir el consumo y aumentar los beneficios. Tales aspectos son los siguientes:
• Temperatura del polímero fundido.
• Control del párison.
• Cierre del molde.
16
• Molino. Durante el proceso de fabricación de
las botellas se generan ciertos excedentes que
quedan unidos a éstas, conocidas como rebabas,
las cuales son cortadas y depositadas en un bulto
junto con las botellas que no cumplen con los
requisitos de calidad. Todo este plástico es reprocesado para volver a usarse mediante un molino.
Este aparato recibe el plástico por la parte superior, va cayendo poco a poco hasta llegar a su
centro, y consta de un espacio de aproximadamente 10 dm3 con una pieza giratoria de acero
aleado que al girar rápidamente hace la función
cuchilla, cortando el plástico en pequeños pedazos
listos para ser usados y procesados nuevamente.
• Refrigeración del producto.
• Desbarbado
rebabas.
del
producto.
Eliminación
de
• Aire comprimido como soporte del soplado y del
párison.
• Tiempo de funcionamiento de la máquina.
• Refrigeración del producto.
• Compresores y sistema de aire.
• Sistema de suministro de aire.
2
Ineficiencias energéticas en
procesos y sistemas
Se examinan a continuación algunas de las ineficiencias
manifestadas en los procesos descritos, como equipamiento de aplicación susceptible de mejorar.
2.1. Procesamiento por extrusión
Los componentes principales responsables del consumo
de energía en el proceso de extrusión son los motores,
los calentadores, los sistemas de refrigeración y los
sistemas de iluminación.
En cualquier proceso de extrusión, la eficiencia del
husillo es esencial para obtener la máxima producción, así como para mantener un buen producto. La
mayor parte de la energía usada durante este proceso
se relaciona directamente con el funcionamiento de
la extrusora.
En estas etapas destaca el alto consumo de electricidad
en los equipos y los requerimientos térmicos en las
operaciones.
2.3.Procesamiento por inyección
El uso de energía en el moldeo por inyección se puede ver
como si tuviera lugar en dos fases: una demanda alta de
energía en un corto espacio de tiempo entre que el polímero
se inyecta y se expulsan las piezas, y una demanda baja en
un tiempo más prolongado mientras se enfría la pieza.
La energía se requiere, no solo para fundir el polímero y
volverlo a enfriar, sino para generar la presión necesaria
para introducir el polímero en el molde. La energía se
utiliza, además, para abrir, cerrar y mantener el molde
bajo presión mientras se forma y enfría la pieza.
El siguiente gráfico muestra la participación de los diferentes
aportes energéticos en el procesamiento por inyección.
Figura 5. Ejemplo del consumo de energía en una planta de inyección (%).
Maquinaria
Iluminación
Torre de refrigeración
Trituradores
Otros
0
20
40
60
80
100
Fuente: Reducción de Eneergía en la Industria del Plástico (Recipe).
2.4.Ineficiencias en el consumo de agua
El agua se presenta como otro de los consumos importantes a la hora de producir materiales plásticos. El agua
es utilizada por la industria de diferentes maneras: para
limpiar, calentar y enfriar; para generar vapor; como
materia prima; como disolvente, y como parte constitutiva del propio producto. El agua puede provenir tanto
de redes de suministro de agua potable como de captaciones propias (pozos, sondeos o tomas de aguas superficiales). En la tabla siguiente se recogen las principales
redes de suministro que proporcionan agua a la industria
manufacturera.
Tabla 2. Agua utilizada por la industria manufacturera (año 2005).
Actividades económicas
Redes de suministro
Captación propia
Industria de alimentación, bebidas y tabaco
73.154
124.204
Industria textil y de la confección, cuero y calzado
15.283
119.267
2.458
23.146
Industria del papel, edición y artes gráficas
15.390
273.026
Refino del petróleo y tratamiento
de combustibles nucleares
50.354
20.087
Industria química
87.481
428.974
Industria de la transformación del caucho
y materias plásticas
52.164
31.433
Industria de otro productos minerales no metálicos
32.154
38.637
Metalurgia y fabricación de productos metálicos
41.680
179.437
11.982
2.703
12.154
2.349
36.541
12.106
11.154
74.629
441.949
1.329.998
Industria de la madera y el corcho
Industria de la construcción de maquinaria
y equipo mecánico
Industria de material y equipo eléctrico,
electrónico y óptico
Fabricación de material de transporte
Industrias manufactureras diversas
TOTAL SUMINISTROS
Fuente: INE.
17
2.5.Sistemas implicados
• Motores eléctricos. Los motores son grandes
consumidores de energía, contabilizando más de
dos tercios de la energía usada en la industria. Por
tanto, las ineficiencias en estos sistemas tienen
una elevada repercusión en los costes energéticos.
La eficiencia de los motores se puede ver reducida por el número de horas de funcionamiento,
la antigüedad de la máquina y por condiciones
climatológicas extremas de funcionamiento. En
estos casos, se puede medir su rendimiento
actual a través de los analizadores de redes que
nos permiten obtener el voltaje, la intensidad y el
factor de potencia.
18
Los motores, generalmente, están en su máxima
eficiencia cuando su carga es igual o ligeramente
superior a la capacidad establecida. Si el extrusor
es más grande de lo necesario, el motor no alcanzará la carga establecida y no funcionará en su
punto óptimo de eficiencia.
• Compresores. Para tener la presión de aire
necesaria para el inflado del plástico se utiliza un
compresor de aire, que disminuye el volumen de
una determinada cantidad de aire y aumenta su
presión por procedimientos mecánicos.
El aire comprimido posee una gran energía potencial, ya que si elimináramos la presión exterior, se
expandiría rápidamente. El control de esta fuerza
expansiva proporciona la fuerza motriz de muchas
máquinas y herramientas, como martillos neumáticos, taladradoras, limpiadoras de chorro de arena
y pistolas de pintura.
• Equipos de aire comprimido. La producción de
aire a presión en la industria es un proceso muy caro
desde un punto de vista energético, ya que gran
parte de la energía consumida por el compresor se
pierde en forma de calor. Una mala utilización de
este servicio o un mal mantenimiento de la instalación (sobre todo en lo que concierne a la detección de fugas) suponen un despilfarro energético (y,
por supuesto, económico). El caudal de calor que
se elimina en el compresor puede emplearse como
una corriente residual de baja temperatura, bien
para sistemas de calefacción, para el precalentamiento del aire de alimentación a calderas o para su
utilización como foco frío en una bomba de calor.
• Sistemas de iluminación. La iluminación en las
instalaciones industriales es un tema complejo
debido a la gran diversidad de equipos disponibles
en el mercado, sus aplicaciones y las diferencias
individuales de percepción.
Desde un punto de vista energético, el gasto en
iluminación puede representar un porcentaje
muy elevado de la factura energética, llegando a
superar en muchos casos el 10% en instalaciones
industriales y el 50% en oficinas.
• Medidas de acondicionamiento de edificios. La
energía que se utiliza para el acondicionamiento
de edificios tiene como objetivo mantener la
temperatura en los niveles adecuados para tener
una sensación de confort (mediante sistemas de
calefacción y aire acondicionado) y para mantener
unos niveles de renovación de aire adecuados
(mediante sistemas de ventilación).
Un sistema perfecto para el acondicionamiento de
edificios supondría que, una vez alcanzada la temperatura deseada en su interior, no habría que realizar
ningún otro aporte energético para mantenerlo.
Sin embargo, incluso en el mejor de los casos, la
mayoría de los edificios tienen pérdidas de calor
hacia el exterior, lo que hace que deba realizarse
un aporte continuo de energía para compensarlas.
Cuanto menores sean esas pérdidas, menor gasto
energético se realizará. En muchas ocasiones, la
factura energética del acondicionamiento es muy
elevada, sin que las empresas tengan conciencia
clara de ello. De hecho, suele ser uno de los
puntos que más oportunidades ofrece a la mejora
de la eficiencia energética.
• Hornos y secaderos. Los secaderos son equipos de
intercambio en los que un agente secante absorbe
la humedad del producto a secar. El agente secante
suele ser o aire caliente cuya temperatura se ha
elevado gracias a la combustión de un fuel o directamente los gases producto de la combustión.
• Calderas. Las calderas son los equipos más
empleados para el aprovechamiento energético de
los combustibles. A diferencia de los equipos eléctricos, son sistemas que no suelen tener eficiencias térmicas muy elevadas. En estos casos, las
ineficiencias mayores se producen por malas condiciones de funcionamiento y por un mantenimiento
inadecuado de las mismas.
• Torres de refrigeración. El rendimiento de una
torre de refrigeración depende, principalmente,
de la superficie de intercambio de calor que se
ha montado, de la buena distribución del agua,
de la cantidad de aire aspirado y del estado del
aire exterior. La diferencia entre la temperatura de agua fría deseada y la temperatura del
termómetro húmedo (llamada distancia límite de
enfriamiento) es significativa para el tamaño de la
torre. Cuanto mayor sea dicha distancia límite de
enfriamiento, más pequeña se hace la torre y, por
consiguiente, más económica. La distancia límite
debe ser, como mínimo, de 3 ºC - 4 ºC.
3
Mejoras tecnológicas y en proceso
que favorezcan la eficiencia energética
Un aspecto de vital importancia para el ahorro energético
es el conocimiento del funcionamiento y características
de los equipos productivos por parte del personal que
los va a utilizar, para evitar que la maquinaria funcione
durante más tiempo del necesario y en condiciones no
óptimas. Por otro lado, es crucial para alcanzar un mejor
aprovechamiento de los equipos, y consecuentemente
un ahorro energético, el mantenimiento y limpieza de los
equipos. El correcto mantenimiento y limpieza de piezas
esenciales en el desarrollo de la cadena de valor, como
calderas, hornos, secaderos, etc., evita la acumulación
de depósitos de hollín en la maquinaria, optimizando los
rendimientos energéticos, lo cual puede suponer ahorros
de combustible entre el 1% y el 4% de media en las
instalaciones, si bien pueden darse casos de ahorro muy
superiores.
3.1. Motores eléctricos
Para mejorar la eficiencia en los motores eléctricos se
deben tener en cuenta los siguientes aspectos:
• Revisión y optimización de los procesos industriales: un correcto programa de mantención
preventiva es de gran ayuda, ya que cada vez que un
motor eléctrico sale a reacondicionamiento general,
su eficiencia global baja en alrededor de un 2%.
• Sustitución de motores antiguos por otros más
eficientes. Los nuevos motores que se comercializan actualmente son más eficientes que los
antiguos y demandan menos energía, lo que se
traduce en ahorros de energía eléctrica. Estos
motores producen la misma potencia mecánica
que los motores estándar con un menor consumo
eléctrico, llegando a reducir las pérdidas energéticas en un 45%, teniendo una vida útil mayor y
operando a temperaturas más bajas por la incorporación de ventiladores y sistemas de enfriamiento
más eficientes. Adicionalmente, utilizan diseños y
materiales aislantes de mayor calidad.
19
• Dimensionamiento adecuado: Es recomendable
no utilizar maquinaria sobredimensionada. Como
norma general se recomienda que la potencia
nominal esté sobredimensionada del 5% al 15%
respecto a la potencia necesaria para el proceso
productivo en la que se emplea.
• Arranque de motores. Para evitar las sobreintensidades eléctricas y los sobreesfuerzos mecánicos
se han desarrollado dispositivos de arranque suave.
Estos permiten ajustar en incrementos pequeños
los esfuerzos mecánicos y la corriente utilizada en
el arranque.
3.2.Sistemas de iluminación
20
Una adecuada iluminación es muy importante para garantizar el confort de las personas y está relacionada con
aspectos motivacionales y de seguridad en el trabajo.
Por tanto, además del ahorro energético que se pueda
conseguir es importante no olvidar que la iluminación del
entorno de trabajo debe ser el adecuado para las actividades a las que se dedican.
• En el mercado existen diversidad de lámparas;
incandescentes, de descarga y LED o lámparas
de diodo. Las lámparas incandescentes son las de
menor rendimiento debido a que gran parte de la
energía que consumen se convierte en calor. Las
de descarga requieren para su correcto funcionamiento la incorporación de cebadores y balastos.
Por último, la tecnología LED presenta importantes
ventajas frente a las dos anteriores, como son:
ahorros de energía eléctrica y en mantenimiento y
reposición, así como en emisiones de CO2.
• Siempre que sea posible es conveniente la utilización de la luz natural, para lo que se pueden
colocar claraboyas en las instalaciones.
• Es posible además de mejorar la utilización de la
iluminación a través de detectores de presencia de
luz natural.
3.3.Compresores y sistemas de aire
Se estima que aproximadamente el 60% del coste energético para el proceso de estirado-soplado se puede atribuir al sistema de aire comprimido. Un uso eficiente de
estos sistemas depende de tres factores:
• Seleccionar el tipo y el tamaño correctos del compresor
o de la bomba para igualar los niveles de uso.
• Trabajar a la presión adecuada para una producción
correcta.
• Establecer procedimientos rigurosos de mantenimiento para reducir al mínimo los escapes.
Los sistemas de control avanzados permiten que los
compresores se pueden localizar en diversas zonas del
circuito y conectarse desde un interruptor central. Éste
es un método para controlar sistemas de aire comprimido más económico y eficiente energéticamente que
trabajar con un solo compresor grande durante largos
periodos de tiempo.
3.4.Hornos y secaderos
El procesado de plásticos a altas temperaturas implica
necesariamente un precalentamiento y un gran aporte
de calor para conseguir que los componentes clave
estén a la temperatura requerida antes de que el proceso
comience. Además, el periodo de preparación es, a
menudo, más largo que el necesario para cerciorarse de
que las temperaturas sean aceptables. La introducción
de medidas que permitan una mayor eficiencia energética de los equipos que intervienen en los diferentes
procesos productivos del plástico depende, en gran
medida, de las características de las materias primas que
se consuman en el proceso de elaboración, así como de
las condiciones de tratamiento de esas materias primas.
No obstante, existen aspectos, que independientemente
del proceso productivo que se aplique, se deben tener
en cuenta para conseguir que los equipos funcionen de
forma eficiente:
• Aislamiento de hornos y secaderos. La diferencia de temperatura entre el interior del horno y
el ambiente determina las pérdidas de energía por
conducción. Por ello, la calidad del aislamiento ha
de ser mayor cuanto más elevada sea la temperatura interior de trabajo del equipo. Los defectos de
aislamiento son un importante foco de pérdidas.
Conviene, por tanto, revisar periódicamente el
estado de la capa aislante y hacer mediciones
de la temperatura superficial de las paredes para
asegurar que las pérdidas por este concepto se
mantienen dentro de un margen aceptable.
• Régimen de funcionamiento. El modo carga y
descarga de los equipos, así como el tiempo entre
tratamientos sucesivos, influyen en las pérdidas de
calor a través de puertas y aberturas. En equipos
discontinuos, la apertura de puertas conlleva el
escape de cierta cantidad de aire caliente de su
interior que es necesario calentar posteriormente.
En los hornos continuos estas pérdidas son inferiores y son más adecuados cuando se procesan
cantidades elevadas de producto.
• Sistemas de recuperación de energía. En los
equipos de combustión es posible acoplar un recuperador de calor de los gases de combustión para
precalentar el aire de entrada a los quemadores
e incluso dotarlos de quemadores especiales que
permitan integrar esta recuperación de calor. En
cuanto a los equipos eléctricos, se puede recuperar, por ejemplo, la energía del agua de refrigeración de hornos de inducción. Mediante un
sistema de intercambiadores de calor y ajustando
la temperatura de salida del agua se puede conseguir una recuperación de energía de hasta el 12%
de la energía disipada.
• Regulación de temperatura. Un buen sistema de
regulación de temperatura en el interior de los equipos
asegura un consumo energético ajustado a las necesidades del proceso. En este sentido, se ha producido
un enorme avance gracias al desarrollo de las aplicaciones electrónicas de control de temperatura.
21
3.5.Sistemas de calefacción
La calefacción puede ser una parte significativa de los
consumos energéticos, aunque se pueden conseguir
ahorros de hasta un 10% mejorando el aislamiento
e instalando calderas eficientes. No obstante, otras
mejoras que pueden introducirse en los equipos afectarían al tratamiento de combustibles y fluidos térmicos,
se incluyen las siguientes:
• Conexión de la caldera. Es recomendable
conectar las calderas lentamente, y nunca inyectar
agua fría a un sistema caliente, ya que los cambios
bruscos de temperatura pueden dañar la caldera.
• Operación de la caldera. Hacer operar a la caldera
en condiciones normales o máximas, según
la carga demandada por el proceso. Con esta
medida evitamos que la caldera opere en exceso y
consuma energía de forma innecesaria.
• Sistema de combustible. Asegurar que el
sistema de combustible funciona correctamente y
sin fugas. Purgar las calderas antes de encender el
quemador, para prevenir explosiones en ellas.
• Relación aire/combustible. Verificar por parte del
técnico de mantenimiento la relación aire/combustible manteniendo los quemadores bien ajustados y
limpios. Con esta medida se consigue una combustión más eficiente y un menor consumo de combus-
tible. Para monitorizar este aspecto se puede llevar
a cabo análisis de los gases de escape.
• Alimentación del agua. Cuidar extremadamente
el sistema de alimentación de agua de la caldera,
encargado de bombear la alimentada en el sistema
de vapor hasta la caldera. Si renovamos el aceite
de los elementos de la bomba de agua, mantendremos un buen funcionamiento.
• Aislamiento. Revisar la temperatura superficial de
las paredes de los equipos y verificar el estado de
su aislamiento. Una temperatura superficial superior a los 35 ºC es inadecuada por motivos de seguridad (quemaduras) y por las elevadas pérdidas
energéticas que supone.
22
• Controladores de velocidad. Usar dispositivos
controladores de velocidad en los motores de las
bombas de agua de alimentación. Esto permite
variar la frecuencia de la alimentación al motor
y, por lo tanto, modificar su velocidad para adaptarla al caudal de agua adecuado a la demanda del
proceso al que abastece.
• Recuperación de condensados de vapor:
Existen instalaciones en que se evacúa sin aprovechar la totalidad de la mezcla de condensado
y vapor de expansión. En general, sólo se suele
aprovechar un máximo del 75% de la energía
contenida en el vapor, mientras el 25% restante
está contenido en el condensado evacuado. Por
consiguiente, el objetivo es evitar las pérdidas
de energía. Otro parámetro básico para minimizar las pérdidas por condensados es reducir su
caudal de origen: los purgadores son elementos
mecánicos que pueden fallar y dejar pasar vapor
que se pierde en el circuito de condensados. Un
correcto diseño, elección de tipo, inventariado
y revisión periódica de los purgadores ayudará
enormemente a reducir el consumo de vapor
notablemente; asimismo, dispositivos como
estaciones de comprobación y colectores de
retorno de condensados facilitan la labor de revisión y/o modificación. La consideración de la red
de purgadores como equipos de instrumentación
de la planta, en lugar de parte de la red de tuberías, permite aplicar criterios más estrictos para
evaluar su operación. Cabe indicar también que la
tecnología de fabricación de estos dispositivos ha
evolucionado notablemente en los últimos años.
3.5.1 Líneas de vapor y condensados
De igual forma deben optimizarse las líneas de vapor y
condensados, teniendo en cuenta aspectos como:
• Reducción de la presión del vapor: Un aspecto
importante a controlar es la presión del vapor. A
cada presión de vapor corresponde una determinada temperatura de vapor saturado o húmedo.
Cuanto mayor es la presión mayor será la temperatura. Los cambiadores de calor suelen diseñarse
de manera que sólo se transmite el calor latente
del vapor. Para calcular la superficie de caldeo
es preciso que exista un gradiente de temperaturas entre el vapor y el producto. Si el gradiente
de temperaturas es alto, la superficie de caldeo
puede ser reducida. A menudo se parte de este
planteamiento, pero en otros casos la presión de
vapor viene prefijada, y toda reducción supone un
gasto. También el calor latente (calor de evaporación o de condensación) del vapor depende de
la presión. Cuanto menor sea ésta, tanto mayor
será el calor. Por tanto, si se utiliza vapor a baja
presión se aprovecha más energía en el intercambiador que con vapor a alta presión, siempre que
la presión alcance un nivel mínimo para asegurar el
retorno del condensado sin problemas.
• Mejora del aislamiento de las tuberías: Permite
minimizar el calor que se pierde durante el transporte de calor.
3.5.2 Análisis de combustión de equipos
Todo programa de mejora energética debe tener entre
sus objetivos el aumento de la eficiencia de los equipos
de combustión tanto en lo relativo a la reducción de la
temperatura de la salida de humos como a la reducción
del exceso de aire.
Según las diversas normativas legales existentes, es
obligatorio realizar análisis de la combustión en los
generadores de calor (calderas, hornos). Estos análisis
son fundamentales a la hora de conocer el estado
y el funcionamiento de los equipos con el objeto
de encontrar acciones que permitan optimizar los
sistemas de combustión y, por tanto, obtener ahorros,
tanto en términos energéticos como económicos.
Los análisis de los gases de combustión permiten
calcular el rendimiento energético de la combustión.
Los parámetros que se tienen en cuenta suelen ser
el exceso de aire y el contenido de ciertos gases
(O2, CO2 y CO).
• Quemador que actúa en periodos de tiempo cortos
o mal regulado.
Con la medición de los parámetros anteriormente
mencionados se pueden detectar problemas o ineficiencias que disminuyan el rendimiento de la combustión.
Así, las temperaturas de humos altas pueden deberse a
alguno de los siguientes aspectos:
• Boquilla de pulverización deteriorada, sucia o incorrectamente seleccionada.
• Exceso de tiro que disminuya el tiempo de contacto
de los gases con las superficies de intercambio.
• Defectos de distribución de aire (defectos en el
ventilador y conductos de aire).
• Suciedad en las superficies de intercambio de
calor que dificulten dicho intercambio.
• Mala atomización.
• Deterioro de la cámara de combustión.
• El quemador no es apropiado para el combustible
utilizado.
• Equipo de combustión desajustado.
• Presión del combustible incorrecta.
• Cámara de combustión mal diseñada.
• Recorrido insuficiente de los humos.
La salida de humos opacos se suelen producir por:
• Mal diseño o ajuste incorrecto de la cámara de
combustión.
• Exceso de combustión.
• Llama que incide en superficies frías.
Una baja proporción de CO2 puede deberse a:
• Mal funcionamiento del quemador.
• Exceso de aire.
• Tiro insuficiente.
• Acusado defecto de aire.
• Falta de estanqueidad en la cámara de combustión
(filtraciones de aire).
• Mezcla no homogénea de combustible y aire.
Mal suministro de combustible.
• Boquilla defectuosa o inadecuada.
• Mal funcionamiento del regulador de tiro.
• Filtraciones de aire.
• Cámara de combustión defectuosa.
• Relación aire/combustible inadecuada.
• Llama desajustada.
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• Hogar defectuoso.
3.7. Aislamiento de redes de distribución
• Regulador de tiro mal ajustado.
Las tuberías de vapor, válvulas y cambiadores de calor
deben tener el más correcto aislamiento posible para
evitar pérdidas de calor por radiación y convección,
máxime cuando el aislamiento figura entre los métodos
más eficaces de ahorro energético.
3.5.3 Sustitución de combustibles
La sustitución de productos petrolíferos (fuelóleo, coke)
por gas natural supone, además de una notable reducción de emisiones de CO2 y contaminantes, una mejora
significativa del rendimiento de combustión.
24
Es conveniente seguir las siguientes pautas de mantenimiento y revisión de los elementos que configuran los
sistemas de distribución:
Los gases producidos por este tipo de combustibles
no pueden enfriarse por debajo de 175 ºC - 200 ºC, en
función de su contenido en azufre. Sin embargo, en la
combustión del gas natural puede bajarse sin riesgo esta
temperatura hasta los 120 ºC -130 ºC, lo que supone un
mayor aprovechamiento del poder calorífico contenido.
Además, combustibles como el fuelóleo requieren una
importante cantidad de energía para su trasvase y precalentamiento hasta las condiciones de utilización.
• Tuberías calorifugadas. Asegurar que las pérdidas
de calor de las tuberías sean lo más pequeñas
posibles, comprobando que se encuentren calorifugadas y que su aislamiento está en perfecto
estado. Con esto podemos reducir las pérdidas a
0,5 kg/m2h - 1 kg/m2h.
• Evitar fugas. Evitar pérdidas de energía por fugas
de vapor. Todas las fugas de vapor se repararán tan
pronto como sea posible para no mantener una
fuga de vapor hasta que la instalación pare. Una
fuga puede suponer pérdidas de calor, por lo que
se encarece el coste energético.
Finalmente hay que considerar la posibilidad de emplear
la biomasa como combustible.
3.6.Uso eficiente del agua
Como hemos señalado anteriormente, el agua se
presenta como una materia prima muy utilizada a la par
que imprescindible en el proceso de fabricación de toda
variedad de plásticos. Por ello, es conveniente realizar un
análisis de la calidad del agua. Algunos procedimientos
empleados son los siguientes:
• El control de agua bruta se realiza con el fin de
adecuar el proceso de tratamiento del agua a sus
características. Cuanta mayor sea la calidad del
agua, menores serán los costes de tratamiento.
• Si observamos que los datos obtenidos del análisis
de agua de alimentación no corresponden a valores
adecuados, puede que sea necesaria la corrección
del tratamiento de agua a fin de evitar incrustaciones calcáreas y purgas excesivas.
• Si los parámetros medidos del agua del interior de los equipos no son los adecuados, es
necesario actuar sobre el tratamiento del agua
o sobre el sistema de purgas de la caldera para
evitar problemas de seguridad y calidad del
vapor.
• Inspección de las líneas de vapor. Realizar,
al menos una vez por año, una inspección de
las líneas de vapor, identificando el daño físico,
grietas; bandas y cintas de sujeción rotas; juntas
rotas o dañadas, y/o cubiertas dañadas. Con esta
medida mantenemos un adecuado rendimiento de
la caldera.
Un aislamiento de espesor óptimo para disminuir las
pérdidas por las paredes reduce éstas al 2% - 3% de
las que se producirían sin aislamiento. La instalación
de aislamiento de espesor óptimo es una buena práctica energética y la amortización se realiza en plazos
muy cortos, del orden de semanas. Cuanto mayor sea
el espesor del aislamiento, mayor será su coste, pero
disminuirá el valor de las pérdidas. Hay que buscar, por
tanto, aquel espesor que haga mínimo el coste total
de la instalación, ya que un aumento del coste en el
aislamiento por encima del valor óptimo puede no
quedar justificado por la disminución de pérdidas que
se pueden conseguir se pueden aislar y tapar depósitos
abiertos para disminuir las pérdidas de calor a través de
la superficie libre de líquidos calientes, cubriéndolas con
tapas o, si no es posible, disponiendo bolas flotantes
de polipropileno (se reducen las pérdidas hasta en
un 80%).
3.8.Reducción del consumo de energía
en el proceso
En cualquier proceso de extrusión, la eficiencia del husillo
es esencial para obtener la máxima producción, así como
para mantener un buen producto. La mayor parte de la
energía usada durante el proceso se relaciona directamente con el funcionamiento de la extrusora.
• Es conveniente optimizar y controlar la cantidad
de agua y la temperatura en la zona de alimentación de la extrusora para obtener la máxima
eficacia.
• Asegurarse que el husillo está convenientemente
aislado.
• Dimensionamiento y control del motor eléctrico
para ajustar el esfuerzo de torsión requerido por el
husillo.
• En la calefacción de boquilla se pueden conseguir
ahorros de energía fijando la temperatura de la
boquilla, lo más baja posible, pero asegurando que
el flujo de material fundido es uniforme.
• Comprobación que la presión esté fijada en el
mínimo en el suministro de aire comprimido.
• Utilización del “enfriado libre” siempre que sea
posible.
• El dimensionamiento de los motores de ventilación, bobinado y otros deben ser adecuados a la
capacidad de la extrusora.
• Mantener una buena ventilación en la parte alta
para la refrigeración del ventilador.
• Optimizar el sistema de circulación de agua en
los rodillos en el proceso de calentamiento-enfriamiento.
• Se debe controlar la temperatura de agua para
enfriamiento del perfil para asegurar que no se
está enfriando más de lo necesario.
• Siempre que sea posible se deben desconectar
los calentadores y los ventiladores.
• Es recomendable el uso de los ventiladores para
eliminar el agua en lugar de aire comprimido.
3.9.Otros sistemas de ahorro de energía
3.9.1 Refrigeración libre
Estos sistemas se activan cuando la temperatura ambiente
cae 1 ºC por debajo de la temperatura del agua de retorno.
Antes de llegar al refrigerador, el agua de retorno se desvía
automáticamente al refrigerador libre. Esto prerrefrigera el
agua, reduce la carga en el refrigerado y la energía consumida por los compresores. Cuanto más cae la temperatura ambiente por debajo de la temperatura del agua de
retorno, mayor es el efecto de la refrigeración libre. Estos
sistemas suelen tener un retorno de la inversión muy
rápida y el ahorro de energía es elevado.
3.9.2 Camisas aislantes en el husillo
Las camisas aislantes en el husillo son un método económico para reducir el consumo de energía y disminuir el
coste de los elementos de calefacción aproximadamente
un 50%. Trabajan como el revestimiento termoaislante
de un termo de agua caliente, reflejando el calor.
3.9.3 ‘Conformal cooling’
En el procesamiento por inyección, el calor del material
fundido debe ser eliminado de la cavidad del molde para
que la pieza solidifique y pueda ser expulsada. El tiempo
necesario para moldear una pieza viene definido por la velocidad de apertura y cierre del molde. Generalmente, la parte
más larga del ciclo es la fase de enfriamiento y es donde el
conformal cooling puede establecer mejoras importantes.
El método tradicional para refrigerar moldes consiste en
establecer canales interiores en el molde y hacer circular
agua por ellos. El conformal cooling es la capacidad de
crear canales en el molde que sigan los contornos de la
cavidad de la pieza. El objetivo es enfriar la pieza rápida
y uniformemente, y la reducción del tiempo de enfriamiento obtenida respecto al método convencional puede
ser del 20% - 50%. Además, una reducción del tiempo
de ciclo y de los niveles de residuos da lugar a una reducción significativa del coste.
3.9.4 Motores hidráulicos
Las máquinas de inyección hidráulicas utilizan menos
energía para el funcionamiento básico de la máquina que
25
la máquina hidráulica equivalente, ya que las máquinas
eléctricas utilizan energía sólo cuando se requiere movimiento. Además de ahorros de energía, consiguen una
eficiencia más alta del sistema y lo más importante, alta
repetibilidad de todos los movimientos de la máquina.
En comparación con las máquinas hidráulicas, las eléctricas tienen la delantera especialmente en aplicaciones rápidas. Por ejemplo, cuando se requiere de un
disparo rápido de inyección para la fabricación de piezas
de paredes delgadas, con alta resistencia y aspecto
atractivo.
• Instituto Nacional de Estadística (INE).
• Disminución de costes energéticos en la
empresa. Fundación Confemental.
• Guía de ahorro energético en instalaciones
industriales. Comunidad de Madrid.
• Diagnóstico energético en plásticos Gamoz.
Pesic.
• Plan de ahorro y eficiencia energético. Sociedad
para el Desarrollo Energético de Andalucía.
3.9.5 Curado de tintas ultravioleta en atmósfera
de nitrógeno
26
La tecnología ultravioleta permite una mayor productividad y elimina la contaminación por ozono, además
de conseguir en el aspecto de calidad superficies
más brillantes, mayor resistencia química y a la abrasión, y obertura sin olores.
4
Bibliografía
• Energía en el procesado de plásticos. Informe
euRecipe (2006).
• Mejores técnicas disponibles en la producción
de polímeros. Comisión Europea (2007).
• Manual de eficiencia energética 2007.
Eficiencia y ahorro energético en la Industria.
Gas Natural Fenosa.
• Observatorio del Plástico
(www.observatorioplastico.com).
• Revista de la Asociación Valenciana de
Empresarios de Plásticos (www.avep.es).
• Programa enerpyme (www.enerpyme.es).
• Observatorio Industrial Sector Químico: (www.mityc.es/Observatorios/Observatorios/
SectorQuimico).
• Asociación Española de Industriales de
Plásticos (Anaip) (www.anaip.es).
• Artículos varios de web del sector (www.plast21.com).
12 Fabricación de productos de plástico
Daniel Blázquez
Marta del Olmo
Colaboradores de EOI
Obra realizada por:
Con la colaboración del Centro de Eficiencia Energética de:
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