Aero Enfriadores

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA INGENIERIA DE PLANTAS INDUSTRIALES

AERO ENFRIADORES

Estudiante:

BENALCAZAR ROJAS VINICIO MACIAS GABRIEL Profesor: Ing. Hugo Solís

2016-2017

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Aero enfriadores (air-cooled heat exchanger) DEFINICION Según la (Institute, 2001) -

Son equipos en los cuales se retira calor de una corriente de proceso (en una operación de enfriamiento y/o condensación) usando aire como medio refrigerante.

COMPONENETES -

Haz de Tubos o Conocido como sección, es el conjunto de cabezales, boquillas (Entradas o salidas), tubos, soportes y el armazón(marco estructural) que componen en sí al intercambiador de calor o Mazos de tubos  Cada mazo es un conjunto de tubos aletados transversalmente  Tipos según estructura  Arrolladas, incrustadas, extruídas  Cabezales de chapa soldada o en calidad del espesor según las condiciones de diseño y soportes de tubos.  Tipos según distribución  Haces rectangulares o Varias filas de tubos en un espacio triangular o Más común o Lleva una transferencia de calor en contracorriente o El fluido ingresa por la parte superior Figura 1 Componentes

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Figura 2 Componentes

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Ventiladores o flujo axial  mueven el aire en sentido perpendicular a los tubos o Tipos  tiro forzado  se ubican impulsando el aire frío a través de los mazos el equipo  tiro inducido  Se ubican encima de los mazos aspirando el aire caliente

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Pleno o Es el espacio cerrado que permite lograr un flujo de aire bien distribuido entre el ventilador y los tubos (lugar donde se instala el intercambiador, algunos equipo auxiliares y de control) o Tipos  Transición  Sección recta. Estructura: o Consta de las columnas y las vigas que soportan al resto del equipo

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Bay o Corresponde a uno o más haces de tubos servidos por dos o más ventiladores, estructura del equipo y el pleno Figura 3 Bays

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Unidad o Uno o mas haces de tubos para un servicio especifico Banco o Unidades arregladas en estructura continua

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Para (Flujo, 2011) APLICACIONES -

Condensador de tope de las columnas de destilación o Utilizado comúnmente en Refinerias Enfriar productos de salida de planta hacia tanques de almacenaje condensadores de ciclos frigoríficos como enfriadores interetapa y postenfriadores de compresores de gas

VENTAJAS -

No dependencia total de un circuito de agua de enfriamiento no generan problemas de polución térmica ni química de aguas y su impacto ambiental esmucho menor. los costos de mantenimiento e instalación también se ven reducidos Ya vienen ensambladas y basta con asegurarlas mecánicamente al sitio de destino Incluso con el ventilador apagado, pueden llegar a remover entre 15% y 35% del calor de diseño, por lo que tienden a ser bastante eficientes al implementar ventiladores adecuados

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COMPARACION CON OTROS EQUIPOS -

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Aero enfriadores o Son unidades que resultan costosas inicialmente o Ocupan mucho espacio o Bajos costos de mantenimiento(resultan atractivas a largo plazo) o Temperatura minima 40 C o Capex 3 veces mas costosos que el la torre  Capex 30 o Opex 10 Torre de enfriamitento o Incrustacion de minerales  En cañerías o Gasto de agua  5000 L / dia o Contaminacion microbiana o Temperatura minima 35 C  Capex 10 o Opex 100 Chillers (Equipo activos) o Puede obtener temperaturas de menos de 30 C o 1 0 veces mas costos que las torres  Capex 100 o Opex 50

DISEÑO o DISEÑO TERMICO  Temperatura ambiente promedio.  Temperatura del fluido a la entrada.  Temperatura del fluido a la salida (deseada).  Presión interna del sistema.  Flujo másico del fluido que pasa por los tubos.  Propiedades físico-químicas del fluido que atraviesa los tubos. o Según se enfoca a cuatro tópicos principales 

Configuración Estructural:  Tubos: o Rígidos, resistentes o Pueden o no, contener aletas de hasta 16mm de altura o Diametro minimo 25 mm 5

o los haces estándar vienen de 2.40, 3.05, 4.60, 6.10, 7.30, 10.40 y 12.20 metros 

Aletas en el Tubo o Incrustadas: Temperatura de diseño máxima de 400°C, o Forzadas: Temperatura de diseño máxima de 260°C o Pie en Tension: Temperatura de diseño máxima de 150°C o Las aletas con pegado de canto : Temperatura de diseño máxima de 120°C o Pueden ser Planas o dentadas o Coeficiente Global de transferencia o Si el área superficial del tubo descubierto es mayor que 114 W/m2°C , o viscosidad menor a 0.01 Pa-s  se usan aletas más altas que los 16mm o Si el área superficial del tubo descubierto esta entre 85-115 W/m2°C , o viscosidadentre 0.010.02 Pa-s  Se usan aletas de 8 mm o Si el área superficial del tubo descubierto esmenor a 85 W/m2°C , o viscosidad mayor a 0.025 Pa-s  No se usan aletas Figura 4 Aletas

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Cabezales o Tipos  tapón  Es el mas común  permite el acceso a cada tubo del equipo para hacerle mantenimiento  Cabezal con placa de cubierta 6

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existe una placa con bridas en lugar de tapones  presiones moderadas de alrededor 300 psi y servicios con alto ensuciamiento Cabezal tipo colector de tubos  Para presiones altas de hasta 6000 psi

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Figura 5 Cabezales

Fig. 5: Cabezales de uso común en el diseño de aeroenfriadores. 

Armazón o Tipos  Tipo A  Comúnmente utilizado  Se adapta a las unidades que van sobre el techo  susceptible a problemas de recirculación.  Tipo V  Tipo “Petalo de Flor”

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Fig. 6: Armazón de un aeroenfriador tipo A, de muy común aplicación.  Ventiladores o comúnmente tienen entre 1.2 a 5.5m (4 a 18 pies) de diámetro o Tamaño máximo del espaciado es 4.2m (14 pies) y el mínimo 1.8m (6 pies) o El tamaño determina el requisito del enfriador o Posee por lo menos 2 Ventiladores (Aseguramiento en caso de que uno falle )  Consideraciones del Proceso  Temperatura de diseño o Si se opera entre 0°C y 399°C, corresponde a la máxima temperatura esperada más 14°C, minima 66 C  Presión de diseño: o el haz de tubos debe tener una presión de diseño 10% mayor a la presión de entrada o 25 psi mayor.  Servicios con alto punto de fluidez o Para bajar la velocidad se recomienda  utilizar tubos sin aletas para aumentar la temperatura de pared  maximizar la caída de presión en las tuberías  implementar rejillas para controlar el flujo de aire. o Recirculación del aire caliente que sale  emplear ventiladores de tiro forzado provistos con una chimenea o deflectores o Elevacion  Considerar altura en base a otras unidades de proceso

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Consideraciones Mecanicas  Se compara el nivel de enfriamiento con el calor suministrado con el fin de dteterminar la cantidad de aire que se requiere. o Si la cantidad de aire es muy baja  Se debe extenderse la superficie y disminuir su profundidad o Si la cantidad de aire es muy alta  en donde pueden superponerse los haces de tubos  La máxima caída de presión en el aire que otorgan los ventiladores es 0,175 kPa, aunque lo común es que este valor sea 0,125 kPa.  Se recomienda que en los tubos haya un flujo con una velocidad mayor a 1 m/s  Se recomienda una velocidad de aire de 2 a 4 m/s  Se debe considerar : o Caída de presión permitida en el equipo. o Propiedades físicas y químicas del fluido. o Tipos de ventiladores y tamaños: o Área de construcción disponible: o Materiales: expansión térmica y de los soportes estructurales. o Estandarización de tubos y partes de repuestos. Disposición de los Equipos:  Los enfriadores deben ordenarse paralelamente con la dirección predominante del viento o Conociendo su frecuencia e intensidad previamente o Cuando se tienen múltiples bancos, deben ubicarse con igual elevación  Servicios combinados o Los haces de tubos más críticos,  Los más pequeños, son ubicados en el centro de la unidad  los haces de los extremos no reciban aire suficiente

o TIPOS DE AEROENFRIADORES (Deacuerdo a la disposición espacial) 

Tiro Natural:  El flujo transversal de aire proviene de corrientes de viento naturales

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Tiro forzado  emplean ventiladores debajo de los haces de tubo 9

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empujan el aire a través del banco deben ser usadas siempre que el diseño requiera protección por fluidos o congelación, o acondicionamiento para el invierno

Figura 7: Aeroenfriadores (a) Tiro Forzado (b) Tiro inducido

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Tiro inducido  se colocan ventiladores sobre el sistema de tubos  inducen el paso del aire por los mismos mediante succión  Deben ser usadas siempre que la recirculación de aire caliente sea un problema potencial  Comparacion entre tiro forzado e inducido Ventajas

Tabla 1 Diseños de Tiros Diseño por Tiro Forzado Diseño por Tiro Inducido Requiere menor potencia cuando la elevación de temperatura es mayor a los 30°C. Mejor acceso al ventilador para el mantenimiento y ajuste de las aspas

Requiere menor potencia cuando la elevación de temperatura es menor a los 30°C Menor posibilidad derecirculación del aire caliente. Menor impacto por los cambios climáticos, ya que el 60% de los bancos de tubos está cubierto.

Requieren un menor soporte estructural que los de tiro inducido Como no hay equipos mecánicos expuestos al aire caliente, no hay limitaciones a la temperatura de salida del aire.

El control de temperaturas en la salida del equipo es mejor que en tiro forzado.

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La instalación es muy sencilla pero hay que desarmarlo para reemplazar los haces. El costo en el mercado es bajo, pero ligeramente mayor a tiro forzado.

La instalación es muy sencilla y no es necesario desarmarlo para reemplazar los haces. Generalmente son el diseño de menor costo en el mercado.

Buena distribución del aire por toda la sección de los tubos.

Desventajas Tabla 2 Diseños de Tiros Desventajas Diseño por Tiro Inducido

Diseño por Tiro Forzado

Difícil acceso al ventilador para el mantenimiento y el ajuste de las aspas.

Deficiente distribución del aire por toda la sección de los tubos.

Hay una limitación a la temperatura de salida del aire a 120°C máximo.

Total exposición de los tubos a cambios en las condiciones ambientales.

Los ventiladores son menos accesibles para su mantenimiento.

Mayor posibilidad de recirculación del aire caliente. El control de temperaturas a la salida tiende a ser deficiente respecto a otro arreglo.

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Recirculación  cuando las condiciones ambientales de temperatura bajan  Consiste en la recirculación del aire expulsado con el fin de calentar un poco el aire que atraviesa el banco de tubos Recirculación cerrada (shoe-box)  Estilo más complicado y costoso de aeroenfriador.  sistema totalmente cerrado, donde ocurre una circulación totalmente controlada por el equipo con el uso de deflectores  zonas con inviernos muy fuertes  riguroso control 11

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Su costo inicial es el más alto

SISTEMAS DE CONTROL o Control en la maquina  Control usando arreglos de haces en paralelo que hacen posible retirar los haces y dejarlos fuera de servicio  el desvío del fluido de proceso que puede ser automático o manual. o Control en el aire  Configurar un arreglo de ventiladores de tal manera que se puedan prender y apagar individualmente  manual o automática si se emplean sensores de temperatura  Incrementar o disminuir el flujo del aire variando la velocidad de los ventiladores  Espaciado entre los ventiladores  Manipulacion de rejillas (Llamadas persianas)  Tipos de Rejillas o Rejillas de hoja paralela, o De hoja opuesta  No presentan fugas  Mejor control del flujo de aire  descarga de aire vertical  minimiza los posibles efectos de recirculación de aire o De acción progresiva

Según (DUTCH/SHELL, 1993), (NORMA API 661, 2002) Los intercambiadores de calor refrigerados por aire se considerarán recipientes a presión -

El principal código de diseño mecánico será ASME Boiler and Pressure Vessel Code Sección VIII, División 1 o 2.

Diseño -

El diseño se basa en la norma API 661 tercera edición, abril de 1992 Los aero enfriadores se consideran recipientes a presión Se debe tener siempre cuidado para indicar si la presión absoluta o la presión manométrica l uso de unidades SI en las hojas de datos El código se lo pone mediante el DEP 31.10.03.10

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La Identificacion se lo realiza mediante : E: Aero enfriador 101: Numero de equipo A,B,C : Motor

REQUISITOS -

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Para servicios de Refineria se usan los AeroEnfriadores horizontales Si un aero enfriador posee un sistema de control(frecuencia de velocidad ) no se debe compartir este en otros usos. o Se debe tomar en cuenta que:  la disposición del ventilador debe ser simétrica  Al poner 2 ventiladores, el ventilador controlado estará en el extremo más caliente del haz Tiro Forzado o Aplicaciones en condiciones no criticas  Condiciones criticas solo cuando se excede la temperatura durante 40 horas al año o Se usa cuando la diferencia entre la temperatura de salida y la temperatura de diseño del aire en la entrada es de 15 ° C o superior o Restricciones de ruido estrictas máximo de 80 dB o Aplicaciones en condiciones Criticas  Cuando la Temperatura de salida es inferior a 15 C Selección del tipo de cabeza o Cabezas desmontables para Presiones hasta 30 bar o Cabezas de coneccion para prasiones superiores a 30 bar o En la cabeza las conexiones son con bridas para un lavado, limpieza química etc Selección del tipo de aleta o Aluminio o acero galvanizado (Temperatura máxima 360 C) Ventiladores de Velocidad Variable Vs Ventiladores de paso variable automatico o Ventiladores de Velocidad Variable  Ahorro de energía  Menos ruido  Se puede disminuir la velocidad en la noche para un menor flujo

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Diseño o Los métodos de diseño se los pueden encontrar en el (HTRI) Heat Transfer Research Institute y en el (HTFS) Servicio de Transferencia de Calor y Flujo de Flujo o Los soportes de zinc no se deben utilizar en combinación con acero inoxidable  Los tubos de acero, utilizaran soportes de aluminio o Tomar en cuenta la dilatación térmica de la tubería o El numero máximo de aletas por longitud del tubo sera 10 Aletas por pulgada o Para evitar ensusiamiento no se utiliza tubos segmentados

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Según ( MANUAL NOISE CONTROL DEP 31.10.00.31-Gen.)

Area description

Maximum allowable sound pressure level dB(A)

• Areas in workshops and machinery buildings where communication is required. • Workshops for light maintenance

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Motores eléctricos deacuerdo a DEP33.66.05 31-Gen. Arrnque DEP 33.66.05.31-Gen accionamiento de velocidad variable DEP 33.66.05.33-Gen Estructura y soporte DEP 34.00.01.30-Gen , con acero DEP 34.19.20.31Gen Pruebas de Vibraciones DEP 31.21.70.31-Gen Fotos Figura 8 Aero enfriador Industrial

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Fotos Figura 8 Transporte de Aero enfriador

Bibliografía DUTCH/SHELL, C. O. (1993). AIR-COOLED HEAT EXCHANGE EQUIPMENT(AMENDMENTS/SUPPLEMENTS TO API STANDARD 661). DEP 31.21.70.31-. Flujo, (. S. (2011). Air-cooled heat exchanger. Institute, (. H. (2001). Air cooled heat exchanger. https://www.htri.net/. NORMA API 661. (2002). API STD 661 Petróleo, Petroquímica y Gas natural.

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