REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Departamento de Termodinámica y Fenómenos de Transferencia TF-2314 Problemas de Ingeniería Química Prof. María Teresa Sánchez
AEROENFRIADORES
Paiva, Rafael Vilches, Penélope SARTENEJAS, ENERO DE 2013
Comisión #6 07-41305 07-41656
ÍNDICE DE CONTENIDOS
Introducción …………………………………………………………………………………… 1 Objetivos ………………………………………………………………………………………. 1 Características de los Aeroenfriadores ………………………………………………………… 2 Consideraciones de Diseño …………………………………………………………...…… 5 Tipos y Métodos de Selección ………………………………………………………………… 8 Sistemas de Control Asociados ……………………………………………………..…………
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Métodos de Dimensionamiento …………………………………………………….…………
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Proveedores ………………………………….………………………………………………..
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Costos Referenciales …………………………………………………………………………..
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Referencias Bibliográficas …………………………………………………………………….. 20
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INTRODUCCIÓN
Los intercambiadores de calor son equipos diseñados para promover el flujo de calor entre dos corrientes de un proceso a diferentes temperaturas. El objetivo de estos equipos viene dado en base a una corriente principal: se denominan calentadores cuando se busca aumentar la temperatura a la salida del intercambiador, lo que se consigue implementando una corriente de servicio a mayor temperatura que ceda calor; y se denominan enfriadores cuando la temperatura deseada a la salida es menor, que se logra retirando calor de dicha corriente. La corriente secundaria o de servicio, que calienta o enfría a la principal puede ser vapor a alta, media o baja presión, fluidos refrigerantes, agua o incluso una misma corriente del proceso que pueda recibir o ceder calor, con el fin de fomentar una mayor eficiencia energética. Cuando un intercambiador de calor implementa aire con el fin de retirar calor de una corriente del proceso sin que en ella ocurra un cambio de fase, recibe el nombre de Aeroenfriador. El aire debe fluir transversalmente, y es capaz de disminuir la temperatura a la salida debido a un proceso de convección que ocurre en la superficie de intercambio del equipo. Son unidades comúnmente utilizadas en los procesos industriales, incluyendo refinerías, debido al incremento global de la eficiencia de la planta que generan, y por el hecho de considerarse una solución ecológica al compararlos con torres de enfriamiento o intercambiadores de tubo y coraza que requieren servicios adicionales de agua: se evita la procura y la instalación de bombas y sistemas hidráulicos y además no se hace necesaria la compra de químicos para el tratamiento de dicha agua. Existen diversos tipos de aeroenfriadores que se emplean en la industria de refinación. Sus dimensiones, materiales y diseños dependen del tipo de fluido que han de enfriar, del espacio disponible, de las condiciones climatológicas de la zona, disponibilidades energéticas y demás factores claves asociados. Las normativas de PDVSA, de acuerdo al Manual de Proceso publicado por la empresa, que se rige por las normas API 661 e ISO 13706, describen detalladamente los factores que deben de tomarse en cuenta para el diseño de estos equipos, y proporcionan heurísticas para la instalación de los mismos de acuerdo a la tendencia en complejos de refinación donde ya han sido instalados. La finalidad de estos documentos es obtener un diseño óptimo de aeroenfriadores que permitan examinar su rentabilidad económica frente a intercambiadores que usan agua para el enfriamiento.
OBJETIVOS
Con este documento se pretenden concretar aspectos claves relacionados con los enfriadores que emplean aire para el proceso de transferencia de calor, en base a la normativa ya prevista por la empresa Petróleos de Venezuela S.A. establecida en el Manual de Diseño de Procesos (sección PDVSA-MDP-05-E), y respaldados por datos suministrados por fabricantes. Se enmarcarán los parámetros con que deben cumplir los aeroenfriadores que han de colocarse en una refinería, siguiendo la norma API 661.
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Se busca dar una revisión somera a las características de estos equipos, cuáles son los diferentes tipos que existen en la industria y cómo seleccionar el más adecuado, cómo dimensionarlos e incluso qué sistemas de control pueden tener para un óptimo funcionamiento. Han de mencionarse además los requisitos adicionales que deben cumplir al ser instalados en una refinería, los proveedores de mayor renombre a nivel mundial y algunos precios de referencia.
CARACTERÍSTICAS DE LOS AEROENFRIADORES
Un aeroenfriador (air-cooled heat exchanger) no es más que un intercambiador de calor compuesto por una serie de tubos aleteados por donde fluye la sustancia a la que se desea retirar calor, expuesto al aire que fluye por la superficie externa con un patrón de flujo transversal, otorgado por una chimenea, una torre, un ventilador o alguna otra fuente. La mayor ventaja de estos equipos frente a los refrigerados por agua es que hacen innecesario todo el equipamiento que implica un circuito de agua de enfriamiento (torre, bombas, cañerías, sistemas de tratamiento, etc). Por esto, son la opción más llamativa y ecológica para plantas donde no existe o está colmada la capacidad de enfriamiento con agua; esto claramente implica que estos equipos no generan problemas de polución térmica ni química de aguas y su impacto ambiental es mucho menor. Además los costos de mantenimiento e instalación también se ven reducidos: son unidades que ya vienen ensambladas y basta con asegurarlas mecánicamente al sitio destinado en la planta, bien sea con bases metálicas y pernos o cualquier otro tipo de mecanismo de fijación, para que puedan ser conectadas al proceso. Otros usos típicos son como condensador de tope de las columnas de destilación, para enfriar productos de salida de planta hacia tanques de almacenaje, como condensadores de ciclos frigoríficos, como enfriadores interetapa y postenfriadores de compresores de gas, etc. Al incurrir en el tema de los aeroenfriadores, la terminología básica que se debe manejar incluye los siguientes conceptos:
Haz de Tubos: también conocido como sección, es el conjunto de cabezales, tubos y el armazón que componen en sí al intercambiador de calor. No incluye los ventiladores, Bay: corresponde a uno o más haces de tubos servidos por dos o más ventiladores, e incluye también la estructura del equipo, el plenum (pleno, donde se instala el intercambiador) y algunos equipos auxiliares y de control (fig. 1).
Fig. 1: a) Un bay con 2 ventiladores (incluye el haz de tubos) b) Un bay con 4 ventiladores.
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Unidad: (ítem) uno o más haces de tubos designados para un servicio específico en particular. Banco: una o más unidades arregladas en un estructura continua.
Los equipos de intercambio de calor por enfriamiento con aire son generalmente muy grandes, por lo que se instalan sobre los tendidos de líneas del proceso, e incluso sobre algunos equipos como tambores o intercambiadores de calor. Se estima que, 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. Por lo general, los aeroenfriadores se conforman de haces rectangulares con varias filas de tubos en un espacio triangular; llevando a cabo una transferencia de calor en contracorriente en donde el fluido ingresa al equipo por la parte superior, a la vez que el aire fluye de abajo hacia arriba atravesando el conjunto de tubos. La estructura que contiene el haz de tubos tiene cuatro elementos principales: los tubos (con o sin aletas), los cabezales, las boquillas y los soportes de los tubos y marcos estructurales. En la fig. 1 se muestran los principales componentes de un equipo, haciendo énfasis en la región del cabezal para un intercambiador con dos pasos por los tubos, que es lo más común.
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Lámina de tubos Lámina del conector Refuerzos de tope y de fondo Refuerzo final Tubos División de paso
7. Soporte para rigidez 8. Conector 9. Boquilla 10. Marco lateral 11. Espaciador de tubos 12. Soporte de tubos
Fig. 2: Haz de tubos y sus componentes
13. Estabilizador de tubos 14. Ventila 15. Drenaje 16. Conexión a instrumentos 17. Lámina de cobertura 18. Gasket
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Los aeroenfriadores usados en las refinerías en la mayoría de los casos son diseñados con ventiladores, y en base a la colocación de estas piezas pueden clasificarse como intercambiadores de tiro inducido o intercambiadores de tiro forzado. Las partes que componen al aeroenfriador en sí se presentan en ambos arreglos, aunque no de la misma manera: el haz de tubos y las boquillas de entrada y salida, el ventilador (con su respectivo anillo protector), el ensamblaje del motor del ventilador, el plenum y las columnas y vigas de soporte que generalmente son de acero (fig. 3)
a)
b) 1.Haz de Tubos 2.Cabezal 3.Plenum
4. Ventilador 5. Engranaje 6. Motor
7. Anillo venturi 8. Soporte del Ventilador 9. Vigas/ columnas
Fig. 3: Componentes básicos de un aeroenfriador común. a) Tiro Forzado. b) Tiro Inducido.
El diseño de los aeroenfriadores destinados a la industria de refinación de crudo depende de una serie de factores que deben registrarse, de acuerdo a las necesidades de la planta a instalar y a las corrientes de proceso que han de enfriarse. Como todo intercambiador, su diseño viene dado básicamente por la termodinámica que rige el flujo de calor entre dos corrientes, por lo que los factores elementales que deben conocerse para el diseño térmico son:
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.
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Consideraciones de Diseño: El diseño se enfoca, de acuerdo al Manual de Diseño de Proceso de PDVSA, en cuatro tópicos principales: la configuración estructural, las consideraciones del proceso, las consideraciones mecánicas y la disposición de los equipos. Cada una de ellas se desglosará a continuación: I.
Configuración Estructural: i.
Tubos: deben ser rígidos, resistentes y deben diseñarse para manejare como un conjunto. Pueden contener aletas de hasta 16mm de altura o pueden ser sin aletas. El diámetro mínimo del tubo es de 25mm (1 pulgada). La longitud más común para los proyectos de refinerías en Venezuela es de unos 9m, aunque los haces estándar vienen de 2.40, 3.05, 4.60, 6.10, 7.30, 10.40 y 12.20 metros. El ancho de estos haces puede llegar a los 3.60m con unas 8 filas de profundidad, aunque son dimensiones que dependen necesariamente del proceso de transporte llevado a cabo.
ii.
Aletas: existen diferentes formas de disponer las aletas fig 4. Las aletas incrustadas son permitidas para una temperatura de diseño máxima de 400°C, las forzadas hasta 260°C, las de pie en tensión hasta 150°C, y las aletas con pegado de canto hasta 120°C. Las aletas pueden ser planas o dentadas. a. Cuando el coeficiente global de transferencia de calor basado en el área superficial del tubo descubierto es mayor que 114 W/m 2°C o si la viscosidad del fluido es menor a 0.01 Pa-s se usan aletas más altas que los 16mm. b. Cuando el coeficiente global de transferencia de calor basado en el área superficial del tubo descubierto está comprendido entre 85 y 115 W/m 2°C o si la viscosidad del fluido es entre 0.01 y 0.02 Pa-s se usan alteas de unos 8mm. c. Cuando el coeficiente global de transferencia de calor basado en el área superficial del tubo descubierto es menor a 85 W/m 2°C o si la viscosidad del fluido es mayor a 0.025 Pa-s no se usan aletas.
Fig. 4: Tipos de tubos aletados usados en aeroenfriadores.
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iii.
Cabezales: el más común es el cabezal tipo tapón, que permite el acceso a cada tubo del equipo para hacerle mantenimiento. También es muy usado el cabezal con placa de cubierta, donde existe una placa con bridas en lugar de tapones cuando se tratan presiones moderadas de alrededor 300 psi y servicios con alto ensuciamiento. Para presiones altas de hasta 6000 psi se usa el cabezal tipo colector de tubos.
Fig. 5: Cabezales de uso común en el diseño de aeroenfriadores. iv.
Armazón: generalmente se emplea el tipo A, que se adapta a las unidades que van sobre el techo. También son comunes el tipo V o el tipo “pétalo de flor”. El tipo A es susceptible a problemas de recirculación.
Fig. 6: Armazón de un aeroenfriador tipo A, de muy común aplicación. v.
Ventiladores: comúnmente tienen entre 1.2 a 5.5m (4 a 18 pies) de diámetro. El mayor usado es de unos 30 pies (9m). Tamaño máximo del espaciado es 4.2m (14 pies) y el mínimo 1.8m (6 pies). El tamaño lo determina el requisito del enfriador, y por lo general un banco de tubos tiene al menos 2 ventiladores, para asegurar que se mantenga un enfriamiento temporal en caso que alguno falle.
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II.
III.
Consideraciones del Proceso: Temperatura de diseño: para intercambiadores que operan entre 0°C y 399°C, corresponde a la máxima temperatura esperada más 14°C, siendo la mínima temperatura de diseño 66°C. Los cabezales, los tubos y las placas de los tubos deben diseñarse de acuerdo a esta temperatura. Presión de diseño: el haz de tubos debe tener una presión de diseño 10% mayor a la presión de entrada o 25 psi mayor a la misma, en caso que no sea un valor especificado. Servicios con alto punto de fluidez: con el fin de que los fluidos no alcancen velocidades muy bajas dentro de las tuberías, se recomienda utilizar tubos sin aletas para aumentar la temperatura de pared; maximizar la caída de presión en las tuberías, usar serpentines para precalentar el aire que pasa por los haces de tubos, y también implementar rejillas para controlar el flujo de aire. Recirculación del aire caliente: con el fin de evitar que el aire que sale una unidad ingrese de nuevo a ella o a alguna unidad cercana, se recomienda emplear ventiladores de tiro forzado provistos con una chimenea o deflectores, cambiar el tipo de armazón si el problema radica en el diseño del mismo; evitando a toda costa el rocío de agua como solución final, pues daña considerablemente las partes de la unidad. Elevación: se debe considerar la altura a la que se dispondrá el equipo en base a otras unidades de proceso, como tambores de separación. Diseño para climas fríos: existen regulaciones estrictas para regiones donde los cambios climáticos en temporadas invernales son importantes. En Venezuela no es el caso, por lo que este punto no necesita mayor explicación. Consideraciones Mecánicas: Economía de la superficie vs la potencia requerida por el ventilador: se compara el nivel de enfriamiento con el flujo total de calor en el intercambiador con el fin de determinar la cantidad de aire que se requiere. Existen dos casos básicos que se deben tener en cuenta: cuando la cantidad de aire es muy baja para la superficie a enfriar, en el cual debe tratar de extenderse la superficie y disminuir su profundidad; cuando la cantidad de aire es alta para la superficie, 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. Configuración de los tubos durante la operación: se recomienda que en los tubos haya un flujo con una velocidad mayor a 1 m/s, y la del aire de 2 a 4 m/s. Para ello deben estructurarse el número de filas de forma tal que se consiga un equilibrio entre la temperatura conseguida a la salida del intercambiador, y la caída de presión generada. Caída de presión permitida en el equipo. Propiedades físicas y químicas del fluido. Tipos de ventiladores y tamaños: Área de construcción disponible: Materiales: expansión térmica y de los soportes estructurales. Estandarización de tubos y partes de repuestos.
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IV.
Disposición de los Equipos: Orientación respecto a la dirección del viento: los enfriadores deben ordenarse paralelamente con la dirección predominante del viento, conociendo su frecuencia e intensidad previamente. Cuando se tienen múltiples bancos, deben ubicarse con igual elevación o, en su defecto, con elevación decreciente según indique el requisito e temperatura (mientras más fría se requiera la temperatura, se colocarán vientos arriba). Servicios combinados: se debe tener en consideración la ubicación de los distintos haces que forman parte de una unidad de servicios combinados. Los haces de tubos más críticos, o los más pequeños, son ubicados en el centro de la unidad. Se deben tener en cuenta las posibilidades de que los haces de los extremos no reciban aire suficiente; y se debe tener una buena identificación de las rejillas, para poder controlar individualmente cada servicio.
TIPOS Y MÉTODOS DE SELECCIÓN
Los intercambiadores de calor que emplean aire pueden clasificarse principalmente de acuerdo a la manera en que es impulsado el aire a través de los haces de tubos, y de acuerdo a su disposición espacial. Dentro de la primera clasificación surgen cinco categorías: Tiro natural: no emplea ventiladores, y el flujo transversal de aire proviene de corrientes de viento naturales, o por corrientes creadas cuando el aire caliente asciende y éste es reemplazado por aire más fresco. Tiro forzado: se emplean ventiladores debajo de los haces de tubo, que empujan el aire a través del banco (fig. 7) Tiro inducido: se colocan ventiladores sobre el sistema de tubos, que inducen el paso del aire por los mismos mediante succión. Recirculación: se emplea cuando las condiciones ambientales de temperatura bajan de un nivel determinado, y consiste en la recirculación del aire expulsado con el fin de calentar un poco el aire que atraviesa el banco de tubos. Se usa en zonas donde hay cambios climáticos bruscos con el paso de las temporadas. Recirculación cerrada (shoe-box): representa el estilo más complicado y costoso de aeroenfriador. Se trata de un sistema totalmente cerrado, donde ocurre una circulación totalmente controlada por el equipo con el uso de deflectores. Su uso se restringe a zonas con inviernos muy fuertes, que requieren un riguroso control para disminuir costos de mantenimiento. Su costo inicial es el más alto, pero su alto control y eficiencia en climas adversos lo convierten en una alternativa viable.
Como se ha mencionado con anterioridad, los enfriadores con aire más comunes consisten en un haz de tubos, que pueden tener aletas que aumentan la transferencia de calor, y un banco de ventiladores que impulsan el aire a través de los tubos. Los motores eléctricos (impulsores más comunes), los soportes estructurales y la cámara impelente son componentes básicos en estos intercambiadores. Son unidades que resultan costosas inicialmente y ocupan mucho espacio, pero resultan atractivas a largo plazo por los bajos costos de mantenimiento que implican al usar aire.
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Las configuraciones que han sido mejor aceptadas en la industria son las de tiro forzado y tiro inducido, y la elección de uno u otro tipo dependerá del uso que se le vaya a designar, del espacio que esté reservado para el equipo, de condiciones ambientales, y otros aspectos de importancia. Ambos cuentan con sus ventajas y desventajas, y es decisión del equipo de diseño cuál es el mejor sistema para unas condiciones determinadas (tabla 1).
Fig 7: Aeroenfriadores (a) Tiro Forzado (b) Tiro inducido
Adicionalmente, en la selección del diseño debe considerarse que las unidades de tiro inducido deben ser usadas siempre que la recirculación de aire caliente sea un problema potencial; mientras que las unidades de tiro forzado deben ser usadas siempre que el diseño requiera protección por fluidos o congelación, o acondicionamiento para el invierno (este último requerimiento no es aplicable en Venezuela dadas las condiciones climáticas de país). Tabla 2. Ventajas y desventajas de configuraciones con tiro inducido o con tiro forzado.
Ventajas
Diseño por Tiro Inducido
Diseño por Tiro Forzado
Requiere menor potencia cuando la elevación de temperatura es menor a los 30°C Menor posibilidad de recirculación del aire caliente.
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
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
El control de temperaturas en la salida del equipo es mejor que en tiro forzado. 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. Buena distribución del aire por toda la sección de los tubos.
Como no hay equipos mecánicos expuestos al aire caliente, no hay limitaciones a la temperatura de salida del aire. La instalación es muy sencilla y no es necesario desarmarlo para reemplazar los haces. Generalmente son el diseño de menor costo en el mercado.
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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.
Desventajas
El control de temperaturas a la salida tiende a ser deficiente respecto a otro arreglo.
En cuanto a su disposición espacial, los aeroenfriadores pueden estar colocados horizontal o verticalmente (fig. 8). Esto aplica tanto para tiro natural como para tiro forzado e inducido. Las ventajas y desventajas no varían; sin embargo, pueden ser más difíciles de ensamblar al ser colocados verticalmente, y puede que se dificulte más la circulación del aire, ya que no existe la ventaja de que el aire pase por los tubos mientras asciende.
a)
b)
Fig. 8. a) Aeroenfriadores de tiro forzado e inducido horizontales. b) Aeroenfriadores de tiro forzado e inducido verticales La selección de los aeroenfriadores depende principalmente de la disponibilidad económica a la hora de la procura, tras haber comparado su eficiencia con la de un enfriador con agua. Como se ha mencionado anteriormente, resultan ideales cuando no se dispone de un amplio servicio de aguas o cuando éstas requieren un sistema completo para su tratamiento, cuando las regulaciones ambientales para el agua resultan muy estrictas y cuando las condiciones climatológicas son adversas al uso del nombrado líquido.
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SISTEMAS DE CONTROL ASOCIADOS
Para cualquier tipo de proceso es de vital importancia mantener un control de magnitudes físicas ya que la falta de conocimiento de los mismos puede traer consecuencias catastróficas. Existen varios métodos para controlar enfriadores de aire, estos pueden ser en el lado del proceso en el lado del aire, o en ambos. Del lado del proceso: el control usando arreglos de haces en paralelo que hacen posible retirar los haces y dejarlos fuera de servicio, y el desvío del fluido de proceso que puede ser automático o manual. Del lado del aire, por su parte: se puede optar por ventiladores múltiples y configurar un arreglo de tal manera que se puedan prender y apagar individualmente, bien sea de forma manual o automática si se emplean sensores de temperatura; se puede incrementar o disminuir el flujo del aire variando la velocidad de los ventiladores; el espaciado entre los ventiladores, que puede ser ajustable de forma automática o manual; y se pueden colocar rejillas (persianas) en la parte superior de la unidad. Existen tres tipos de rejillas: rejillas de hoja paralela, de hoja opuesta y de acción progresiva; de las cuales las de hojas opuestas son las más atractivas porque permiten mejor control del flujo de aire que las rejillas paralelas y no presentan problemas de fugas o escapes como los hacen las rejillas de acción progresiva. Adicionalmente, las de hojas opuestas permiten que la descarga de aire sea vertical, lo cual impide o minimiza los posibles efectos de recirculación de aire, que pueden perjudicar al proceso. Generalmente existen dos sistemas de control independientes en los enfriadores: el sistema de control central, el cual no sólo proporciona lecturas de distintas variables medidas sino que además cuenta con los interruptores de encendido y apagado de los equipos , y el sistema de control de cada enfriador el cual se particulariza para cada uno. Las magnitudes más importantes que se deben registrar en los ya mencionados aeroenfriadores son:
Temperatura ambiente. Temperatura del aire de entrada y salida de los tubos. Temperatura de salida del aire. Presión interna de los tubos. Caudal de aire. Potencia del equipo. Control de ruido (opcional).
Un buen sistema de control automatizado debe ser capaz de registrar la temperatura de salida del fluido que pasa por los tubos del intercambiador (fig. 9) y, por medio de un lazo de retroalimentación en base a un valor estándar dado por el operador, ajustar la potencia que se suministra a los motores de los ventiladores. Puede verse acompañado por lazos de alimentación adelantada cuando las temperaturas en la alimentación del equipo o en el ambiente tienen un efecto considerable en el proceso.
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Fig. 9: Diagrama de instrumentación y tuberías asociado al haz de tubos de un aeroenfriador.
El sistema de control de los ventiladores (fig. 10) generalmente se enfoca en aumentar o disminuir la velocidad del flujo en base a las señales dadas por los controladores de temperatura, y las rejillas en redirigir la dirección del flujo o en cerrarse en casos de fallo en el suministro de aire.
Fig. 10: Diagrama de instrumentación asociado a los ventiladores y el sistema de rejillas automáticas en un sistema de tiro forzado..
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MÉTODOS DE DIMENSIONAMIENTO
El modelo manual de cálculo implica el uso de una serie de ecuaciones que se listarán a continuación, que requiere información que debe ser suministrada claramente en la Hoja de Datos para Enfriadores de Aire (fig. 11).
Fig. 11: Hoja de Datos para Enfriadores de Aire del Manual de Diseño de Proceso de PDVSA.
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El modelo automatizado de cálculo se hace mediante softwares de simulación compatibles con el diseño y evaluación de intercambiadores de calor por aire. Los más populares para este propósito son HTRI Xchanger Suite y PROII.
Balance térmico.
Si se conoce el gasto masa del fluido que cede calor, sus temperaturas de entrada y salida se tiene:
Para enfriamiento
Dónde:
Q = Calor transferido en BTU/hr. W = Gasto masa en lb/hr. Cp = Calor específico del fluido a temperatura promedio en °F.
T = Diferencia de temperaturas del fluido caliente en °F.
Seleccionar el valor del coeficiente global de transferencia de calor apropiado E
Por lo general los coeficientes son tabulados por por los proveedores, y dependerán del fluido que se quiera enfriar. En la siguiente tabla se muestran alguno de los más comunes
15 Ux = Coeficiente global de transferencia de calor para tubos aletados en BTU/hr pies2 °F. Ub = Coeficiente global de transferencia de calor para tubos lisos en BTU/hr pies2 °F.
Temperatura de diseño del aire a la entrada del aeroenfriador
A la temperatura promedio del aire, a condiciones ambientales, se debe añadir un mínimo de 3°F debido a que el equipo puede recircular parte del aire caliente y añadir 6°F considerando los aumentos de temperaturas que se puedan presentar en los meses más calientes del año.
Cálculo aproximado del aumento de la temperatura del aire
Para determinar el cambio de temperatura del aire a la salida del aeroenfriador.
Dónde:
()( )
T1 = Temperatura de entrada del fluido en °F. T2 = Temperatura de salida del fluido en °F. = Temperatura de entrada del aire en °F. = Variación de la temperatura del aire en °F.
Cálculo aproximado del aumento de la temperatura del aire
Se obtiene mediante la sustitución de
Cálculo de la media logarítmica de la diferencia de temperaturas (LMTD)
Para el cálculo de DTMe se asume, que los fluidos se encuentran en contracorriente y tomando en cuenta las temperaturas de entrada y salida al intercambiador
16 Para el cálculo del factor de corrección Ft :
( ) ( )
Fig. 12. Gráfica para hallar el factor de corrección F en función de R y P Cálculo de la superficie requerida
La superficie requerida para la transferencia de calor se determina por medio de la siguiente ecuación, donde el calor y la media logarítmica de la diferencia de temperaturas ya son datos calculados anteriormente
( )
En dónde el factor APSF es la relación del área externa del tubo aletado y el área de flujo de la unidad. Fa = Área del banco de tubos, necesaria para el arreglo en pies2. APSF = Área de transferencia de calor por pie2 del área del banco de tubos.
() ) (
Cálculo del número de tubos del aeroenfriador
El factor APF, es el área externa total por pie de tubo aleteado (pie2/pie). Un ejemplo puede verse en la siguiente tabla, válida para tubos aletados de 1 pulgada.
17 Cálculo de la velocidad másica en los tubos
La velocidad másica en los tubos se determina según el número de pasos del fluido por los tubos y el tipo de tubo.
() () ( )
Wa = Gasto masa de aire en lb/hr. Ga = Masa velocidad de aire en lb/hr pie2
Gt = Masa velocidad del fluido caliente (tubos) en lb/hr pie 2 At = Area del fluido por tubo en pulg2 G = Carga de aire en lb/hr pie lineal. Cálculo del Número de Reynolds
El número de Reynolds para el lado de los tubos
Coeficiente de transferencia de calor convectivo en los tubos
Para este cálculo se utilizaron los promedios de las propiedades físicas del gas y se determina el factor de transferencia de calor J H para el fluido en los tubos mediante gráficos.
Dónde:
hi = Coeficiente de película interior del tubo. k = Conductividad térmica del fluido en BTU/hr pie 2 oF/pie. = Factor de corrección.
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PROVEEDORES
GEA Heat Exchangers / GEA Rainey Corporation: compañía multinacional con sede en China, India, varios países de Europa, Brasil, Estados Unidos.
Hudson Products Corporation: fabricantes de intercambiadores de calor con sede en Texas, Estados Unidos.
Hamon: compañia que diseña y fabrica intercambiadores de calor, con sede en Francia.
Amercool Manufacturing Inc.: empresa estadounidense con sede en Tulsa, Oklahoma.
Inditer: empresa española con sede en Córdoba que fabrica intercambiadores a nivel industrial y comercial.
Intercal: empresa chilena dedicada a la fabricación de intercambiadores de calor y equipos de refrigeración.
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COSTOS REFERENCIALES
Se obtuvieron los costos referenciales desde la página web www.matche.com, en base a un aeroenfriador sin aletas en los tubos. Las variables requeridas por el sitio web fueron el material, el área de intercambio (mínima: 150 ft 2, máxima 150.000 ft2) y la presión interna de los tubos. Los resultados de la manipulación de las variables se presentan a continuación, para tres áreas diferentes, de acuerdo a tamaños estimados de intercambiadores reales reportados en la bibliografía. Todos los precios son F.O.B. y corresponden a dólares estadounidenses (USD). A=20.000 ft2 Material Acero al Carbón Coraza A.C. / Tubos A.I 304 Acero inoxidable 304 Coraza A.C. / Tubos A.I 410 Acero inoxidable 410 A=75.000 ft2 Material Acero al Carbón Coraza A.C. / Tubos A.I 304 Acero inoxidable 304 Coraza A.C. / Tubos A.I 410 Acero inoxidable 410 A=150.000 ft2 Material Acero al Carbón Coraza A.C. / Tubos A.I 304 Acero inoxidable 304 Coraza A.C. / Tubos A.I 410 Acero inoxidable 410
150 psi 134.800 398.700 506.300 473.400 536.400
300 psi 155.000 458.500 582.200 544.400 616.800
150 psi 300 psi 227.400 261.600 800.000 918.900 1.014.700 1.166.900 948.800 1.091.100 1.075.000 1.236.200 150 psi 299.300 1.150.500 1.461.000 1.366.200 1.547.900
300 psi 344.200 1.323.100 1.680.200 1.571.100 1.780.000
Presión 450 psi 168.400 498.300 632.800 591.700 670.400 Presión 450 psi 284.300 998.800 1.268.300 1.186.000 1.343.700 Presión 450 psi 374.100 1.438.200 1.826.300 1.707.700 1.934.800
600 psi 195.400 578.100 734.100 686.400 777.700
900 psi 235.800 697.700 886.000 828.400 938.600
600 psi 329.800 1.158.600 1.471.300 1.375.700 1.558.700
900 psi 398.000 1.398.300 1.775.700 1.660.400 1.881.200
600 psi 434.000 1.668.300 2.118.500 1.981.000 2.244.400
900 psi 523.700 2.013.400 2.556.800 2.390.800 2.708.800
De acuerdo con la empresa Hudson, un intercambiador industrial común tiene un valor aproximado de 200.000 USD (precio F.O.B.). De acuerdo a la página www.alibaba.com, el precio máximo al que puede llegar un aeroenfriador industrial de acero al carbón o de acero inoxidable es 1.000.000 USD (precio F.O.B.).
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Manual de Diseño de Proceso PDVSA-MDP-05-E-01: Intercambiadores de calor: Principios básicos. Manual de Diseño de Proceso PDVSA-MDP-05-E-03: Intercambiadores de calor: Procedimientos de diseño para enfriadores por aire API Standard 661, fifth edition. Marzo 2002 “Air Cooled Heat Exchangers for General Refinery service”
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