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ALMACENAMIENTO ALMACENAMIENTO Y DESPACHO DE LPG
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Memoria de cálculo torre de enfriamiento CT 100 Número de documento:
2009/02-R-MC-141
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MEMORIA DE CÁLCULO TORRE DE ENFRIAMIENTO CT 100........................................................1 3.1 DEFINICIÓN DE CONCEPTOS........................................................................................................................2 3.2 ENFRIAMIENTO DE AGUA............................................................................................................................5 3.2.1 Torres de enfriamiento........................................... ................................. ................. ...... ...... ....... . 5
6.1 HOJAS DE DATOS...................................................................................................................................16
1. Alcance Este documento tiene como finalidad la explicación y desarrollo del diseño de las torres de enfriamiento de agua de servicio utilizada para realizar la condensación del fluido refrigerante en los procesos de enfriamiento y almacenamiento de propano y butano. 2. Documentos de referencia -GPSA Engineering Data Book 11 th Edition, version digital, 1998. -ASHRE Handbook, 2001. 3. Introducción teórica
3.1 Definición de conceptos •
•
•
Aire húmedo: se refiere a una mezcla de aire seco y vapor de agua en la cual el aire seco se trata como un componente puro. Aire saturado: una mezcla de aire seco y vapor de agua saturado. La cantidad de vapor de agua en el aire húmedo varía desde cero hasta un máximo que depende de la presión y de la temperatura, cuando la mezcla está saturada. Humedad absoluta molar ( ): moles de vapor de agua por mol de aire seco
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Humedad absoluta ( ): definida como la masa de vapor por unidad de masa de aire seco
•
Humedad de saturación (
): humedad del aire en equilibrio con agua a la temperatura
del aire
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Humedad relativa porcentual ( ): es el cociente entre la fracción molar de vapor de agua en una muestra de aire húmedo determinada y la fracción molar en una muestra de aire húmedo saturado a la misma temperatura y presión
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•
Temperatura de bulbo seco (T): es aquella temperatura medida con un termómetro común Temperatura de rocío (Tr): es la temperatura a la cual un dado aire húmedo se vuelve saturado cuando se enfría a humedad y presión constante. Enfriamientos posteriores producen condensación. Temperatura de bulbo húmedo (Tw): cuando una masa de aire no saturado entra en contacto con una pequeña cantidad de agua en condiciones adiabáticas y estacionarias, el agua alcanza la temperatura de bulbo húmedo. En régimen estacionario el calor evacuado por vaporización es igual al recibido por convección. Diagrama Psicrométrico: es un gráfico que representa la temperatura de bulbo seco en función de la humedad absoluta molar o bien humedad absoluta a presión constante.
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Para una dada temperatura y humedad absoluta, la temperatura de bulbo húmedo se encuentra sobre la curva de saturación a entalpía constante. Para una dada temperatura y humedad absoluta, la temperatura de rocío se alcanza sobre la curva de saturación a humedad absoluta constante. Temperatura fría del agua: es aquella temperatura que alcanza el agua a la salida de la del sistema de enfriamiento Temperatura caliente del agua: es aquella temperatura que posee el agua en la entrada del sistema de enfriamiento •
•
3.2 Enfriamiento de agua La operación de enfriamiento de agua se logra poniendo en contacto este fluido con aire no saturado de manera que éste se humidifica perdiendo calor latente y sensible. En general, aproximadamente el 80% de la transferencia de calor es debido al calor latente. La condición límite que puede alcanzar el agua en la sección de salida es la temperatura de bulbo húmedo del aire Existen ciertos parámetros característicos y consideraciones que se definen en el enfriamiento de agua: Grado de enfriamiento: es la diferencia entre la temperatura caliente y fría del agua. Viene determinado por las condiciones del proceso Se suponen propiedades medias tanto del agua como del aire para la realización de los cálculos pertinentes en el sistema de enfriamiento Aproximación de bulbo húmedo: es la temperatura del agua en la salida del sistema de enfriamiento. Esta debe ser de 2°C a 5°C mayor que la máxima temperatura histórica de bulbo húmedo del aire de la zona Evaporación despreciable: se supone que el caudal másico de agua de enfriamiento no se modifica apreciablemente en el proceso de enfriamiento. En la práctica el caudal evaporado ronda valores del 3% al 5% Número adimensional de Lewis: toma el valor unitario para la mezcla aire seco-vapor de agua •
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•
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3.2.1 Torres de enfriamiento Las torres de enfriamiento son estructuras para refrigerar agua y otros medios a temperaturas próximas a las ambientales. El uso principal de grandes torres de refrigeración industriales es el de rebajar la temperatura del agua de refrigeración utilizada en plantas de energía, refinerías de petróleo, plantas petroquímicas, plantas de procesamiento de gas natural y otras instalaciones industriales. Con relación al mecanismo utilizado para la transferencia de calor los principales tipos son: torres de refrigeración húmedas: funcionan por el principio de evaporación (transferencia de masa y calor simultánea) 2. torres de refrigeración secas: funcionan por transmisión del calor a través de una superficie que separa el fluido a refrigerar del aire ambiente (no consideraremos este tipo de torres en nuestro análisis). 1.
En una torre de refrigeración húmeda el agua caliente puede ser enfriada a una temperatura inferior a la del ambiente, si el aire es relativamente seco.
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En relación al patrón de flujo las torres de enfriamiento se clasifican en: 1. Flujo cruzado 2. Flujo contracorriente Con respecto al tiro del aire en la torre existen dos tipos de torres de refrigeración: 1. Tiro natural 2. Tiro mecánico 3.2.1.1 Torres de enfriamiento de tiro natural Las torres de enfriamiento de tiro natural se caracterizan por el hecho de que el aire no es impulsado a circular por el sistema mediante ningún dispositivo mecánico sino que lo hace de manera espontánea. Todas la torres que se encuentran dentro de esta clasificación poseen como ventaja que no consumen energía (ya que no poseen impulsores mecánicos) y requieren escaso mantenimiento. En contraposición la principal desventaja radica en que son muy dependientes de las condiciones atmosféricas (velocidad y dirección del viento) •
•
Torres spray atmosféricas: son utilizadas cuando se requieren pequeñas capacidades rendimientos son admitidos
Torres hiperbólicas: se utilizan para procesar grandes capacidades de agua de servicio (hasta 70 000 m3/h)
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3.2.1.2 Torres de enfriamiento de tiro mecánico Estos sistemas impulsan la circulación del aire a través de ventiladores, que según su ubicación se dividen en de tiro inducido y forzado. Poseen gran estabilidad ya que debido a su diseño no se ven sensiblemente influenciadas por las variables atmosféricas. Los ventiladores proveen un sistema para la regulación del caudal de air e. En términos generales estas torres se utilizan para capacidades pequeñas a moderadas (aproximadamente hasta 9000 m3/h) y en condiciones donde las condiciones climáticas no son favorables. Las principales desventajas son los altos costos de operación y mantenimiento (para ventiladores, motores, líneas de distribución, etc.), el ruido generado (por lo que deben ubicarse lejos de otros procesos y oficinas) y problemas de recirculación de aire húmedo de salida. En cuanto a los aspectos destacables podemos citar que estas torres son en general más baratas de que las de tiro natural debido a los materiales con los cuales se construyen (se debe contemplar el costo de los ventiladores) y no son susceptibles a variaciones en las variables atmosféricas. •
Torres de tiro inducido: el patrón de flujo puede ser tanto cruzado como contracorriente. Los ventiladores se encuentran localizados en la corriente de descarga de aire que deja la torre. Así se evita la recirculación de aire húmedo a la misma. El flujo de aire es más uniforme que en las torres de tiro forzado. Requieren de aproximadamente 1 KW de energía por cada 18 000 m3/h de aire
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Torres de tiro forzado: los ventiladores se encuentran ubicados en la corriente del aire de entrada a la torre. Se caracterizan por altas velocidades de aire a la entrada y bajas a la salida, lo que ocasiona problemas de recirculación de aire húmedo. Este fenómeno puede hacer disminuir sensiblemente el rendimiento del sistema. Los ventiladores también pueden ser suceptibles a congelación en condiciones de baja temperatura y alta humedad.
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4. Requerimientos de agua de enfriamiento 4.1 Sistema de Propano Para la determinación de los requerimientos de enfriamiento del sistema de enfriamiento y almacenamiento de propano nos remitimos a las condiciones establecidas en la simulación y descripta en el documento Balance de Masa y Energía Caudal másico de agua de servicio requerida: 732 300 Kg/h Temperatura fría del agua (corriente): 30°C Temperatura caliente del agua (corriente): 37 °C • • •
4.2 Sistema de Butano Para la determinación de los requerimientos de enfriamiento del sistema de enfriamiento y almacenamiento de propano nos remitimos a las condiciones establecidas en la simulación y descripta en el documento Balance de Masa y Energía Caudal másico de agua de servicio requerida: 154 400 Kg/h Temperatura fría del agua (corriente A21): 30°C Temperatura caliente del agua (corriente A22): 37°C • • •
4.3 Requerimiento total El caudal total a enfriar será la suma de los caudales de agua de enfriamiento requeridos en ambos procesos Caudal másico de agua de servicio requerida: 886 700 Kg/h Temperatura fría del agua (corriente A21): 30°C Temperatura caliente del agua (corriente A22): 37°C Densidad media del agua (34.5°C): 994.1 kg/m3 Caudal volumétrico de agua de servicio: 891.97 m3 /h • • • • •
5. Condiciones climáticas Un parámetro clave para la selección del sistema de enfriamiento y la capacidad del mismo es la temperatura de bulbo húmedo del aire de entrada ya que esta limita la temperatura fría del agua. Se deberá determinar a partir de datos estadísticos la máxima temperatura de bulbo húmedo del aire en la zona. Para ello recurrimos los datos del Sistema Meteorológico Nacional (citados en el documento Bases de Diseño):
Datos Estadísticos (Período 1981-1990)
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Temperatura (°C)
Humedad relativa Viento medio Número de días con Precipitación (km/h) Máxima media Media Mínima media (%) Cielo claro Cielo cubierto Precipitación mensual (mm)
Ene
30.8
23.3
16.2
55
25.3
9
7
8
73.7
Feb
29.9
22.5
15.4
61
24.2
10
4
5
44.3
Mar
25.8
18.7
12.8
68
21.6
9
7
9
90.9
Abr
21.4
14.6
9.2
73
20.5
9
8
8
59.9
May
17.0
10.5
5.3
76
21.1
8
9
6
36.6
Jun
13.9
7.8
2.9
77
21.6
7
9
5
16.6
Jul
13.5
7.3
2.6
77
21.3
8
11
6
30.6
Ago
16.0
9.2
3.8
73
21.2
8
10
6
38.4
Sep
17.9
11.1
5.2
69
22.6
8
8
6
50.5
Oct
21.5
14.5
7.9
67
21.9
7
9
9
80.9
Nov
26.0
18.9
11.4
60
23
8
6
7
41.6
Dic
29.6
22.3
14.6
55
26
9
4
7
49.7
A partir de los datos estadísticos anteriormente citados observamos que la máxima temperatura de bulbo húmedo es de 25°C, correspondiente a la máxima media de 30.8°C de con humedad relativa del 55%. 6. Selección del sistema de enfriamiento A partir de las clasificaciones anteriormente mencionadas de las torres de enfriamiento, seleccionaremos una torre de tiro mecánico de tiro inducido. La elección se debe a varios factores, entre otros; su funcionamiento no se ve afectado sensiblemente por factores climáticos, los ventiladores permiten regular el flujo de aire, la distribución del mismo es más uniforme (respecto a las de tiro natural y forzado) con lo cual se logran mayores rendimientos y la recirculación de aire húmedo a la entrada es menor respecto de las torres de tiro forzado. Para la selección de la capacidad y tamaño del sistema de enfriamiento se utilizará el programa on line proporcionado por el fabricante Marley (SPX Cooling Technologies). A partir de los caudales volumétricos manejados se realiza un preselección del modelo de torre de enfriamiento a utilizar, los que entran en la categoría de tiro inducido son los siguientes modelos: •
MARLEY NC STEEL: de flujo cruzado tiene como característica principal que el mantenimiento es posible de realizarse durante la operación del sistema. Posee ventiladores de alto rendimiento y altamente silenciosos. Capacidades de hasta 9 000 m3/h. Materiales de diseño: acero inoxidable o galvanizado.
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MARLEY MD: de flujo en contracorriente, tiene como principal característica la versatilidad de su tamaño. Al ser el flujo contracorriente ocupan menores espacios y su peso es relativamente menor. Ventiladores silenciosos vienen incorporados con este modelo. Capacidades de hasta 5 000 m3/h. Materiales de diseño: acero inoxidable o galvanizado.
Debido a la cualidad distintiva que posee la serie Marley NC Steel de poder realizar el mantenimiento en operación optamos por realizar la selección de dicho modelo. Una vez seleccionada la serie (en nuestro caso Marley NC Steel) ingresamos los datos de proceso al software online de cálculo del proveedor para determinar el tamaño y el dimensionamiento de la misma.
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Una vez ingresados los datos de proceso hacemos click en el botón select y el programa nos entrega una lista con los posibles diseños:
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Se busca seleccionar una torre que cumpla con un sobrediseño de entre el 20% al 30%, que satisfaga las condiciones de diseño (los símbolos y no verifican), diseños certificados por el Cooling Tower Institute (simbología ), que posean elevada performance gpm/HP (mayor a 90 gpm/HP), que no posean más de 3 módulos o celdas. Los diseños preseleccionados son los siguientes:
NC8413SLN2
2
29.5 59.0 122.0% 1.56
94.8
NC8409QLN3
3
20.0 60.0 124.7% 1.73
96.0
NC8409QLS3
3
20.0 60.0 128.4% 1.80
98.8
NC8412RLS2
2
24.8 49.6 125.1% 1.82 115.8
A partir de los diseños preseleccionados podemos ver que el de menor relación de costos es el primero (1.56), además posee dos módulos y su eficiencia no es muy inferior al de los demás equipos (exceptuando el último).
6.1 Hojas de datos Así seleccionamos dos módulos del modelo Marley NC8413SLN2. A continuación se detalla la hoja de datos (en el sistema inglés y SI) del equipo proporcionada por el proveedor.
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