TECNOLOGIA DE LA ENERGIA TERMICA

Transcripción

1 TECNOLOGIA DE LA ENERGIA TERMICA AEROENFRIADORES Mariano Manfredi Tecnología de la Energía Térmica 1 1

2 AEROENFRIADORES Indice 1. Objetivos 2. Alcance 3. Desarrollo Geometría Códigos constructivos Elementos constitutivos Configuraciones Fuerza impulsora Cálculo de coeficientes peliculares Cantidad de tubos Corrección de coeficientes peliculares Verificación del equipo Pérdida de carga Ventiladores Control de temperatura Aerocondensadores Aplicaciones Tecnología de la Energía Térmica 2 2

3 OBJETIVOS Empleo de correlaciones para cálculo de coeficientes peliculares Empleo de la ecuación de diseño como herramienta de verificación Cálculo de pérdida de carga Conocer los criterios para el diseño Conocer las aplicaciones y limitaciones del equipo Tecnología de la Energía Térmica 3 3

4 ALCANCE Aspectos constructivos Verificación térmica Verificación Hidráulica Tecnología de la Energía Térmica 4 4

5 Geometría Tecnología de la Energía Térmica 5 5

6 Geometría Tecnología de la Energía Térmica 6 6

7 Códigos constructivos Institutos normalizadores Normas ASTM ASME API (661) Materiales de construcción Diseño mecánico de recipientes a presión (Sec. VIII) Aspectos constructivos de Aeroenfriadores (Air-Cooled Heat Exchangers for General Refinery Service) Tecnología de la Energía Térmica 7 7

8 Elementos constitutivos Conjunto general Video Air Cooled - Operacion - Animacion Tecnología de la Energía Térmica 8 8

9 Elementos constitutivos Haz de tubos 1. Placa portatubos 2. Placa portatapones 3. Placa superior e inferior del cabezal 4. Placa lateral del cabezal 5. Tubos 6. Placa de partición 7. Rigidizador 8. Tapones (roscados) 9. Entrada/salida fluido de tubos 10. Marco lateral 11. Espaciador de tubos 12. Soporte de tubos 13. Sujetador de tubos 14. Conexión de venteo 15. Conexión de drenaje 16. Conexión de instrumentos (P,Tº) Videos Air Cooled - Construccion - Plenos y soportes Air Cooled - Construccion - Haz de tubos Air Cooled - Construccion - Ventiladores Air Cooled - Construccion - Plataformas y escaleras Tecnología de la Energía Térmica 9 9

10 Elementos constitutivos Aletas Material Aluminio Fijación de las aletas a los tubos Vista exterior Tecnología de la Energía Térmica 10 10

11 Configuraciones Tipos de tiro Tiro inducido Tecnología de la Energía Térmica 11 11

12 Configuraciones Tipos de tiro Tiro forzado Tecnología de la Energía Térmica 12 12

13 Configuraciones Tipos de tiro Ventajas Desventajas (para tiro inducido) Mejor distribución del aire en haz de tubos Menos posibilidad de que el aire efluente caliente recircule nuevamente por el ventilador Mayor independencia a los factores climáticos Mayor capacidad en caso de falla de los ventiladores. Mayor consumo de potencia, más aun si el aumento de temperatura del aire es considerable La temperatura de salida del aire queda limitada a unos 90 ºC. El mantenimiento de los ventiladores es más difícil. Tecnología de la Energía Térmica 13 13

14 Configuraciones Bahías Tecnología de la Energía Térmica 14 14

15 Fuerza impulsora Cálculo de DMLT Elección de la temperatura de entrada del aire Consideraciones Temperatura de diseño de entrada en función de las máximas temperaturas ambientales no debe excederse más del 2-5% de los días del año Ubicación de los aeroenfriadores lejos de construcciones que obstruyan el viento lejos de fuentes de calor Tecnología de la Energía Térmica 15 15

16 Fuerza impulsora Cálculo de DMLT Determinación de la temperatura de salida del aire Depende de Caudal de aire Coeficiente global de transferencia de calor ( T t ) U X + 1 t2 = t Expresión válida para unidades Inglesas 1 Tecnología de la Energía Térmica 16 16

17 Fuerza impulsora Factor de corrección F T Corrección del DMLT No existe mezclado transversal el aire sólo circula en dirección perpendicular a los tubos Se define T VERDADERO T ML definido para disposición contracorriente 0 < F T < 1 La fuerza impulsora en el sistema varía en dos sentidos De izquierda a derecha De abajo hacia arriba Tecnología de la Energía Térmica 17 17

18 AEROENFRIADORES - Fuerza impulsora Factor de corrección FT Tecnología de la Energía Térmica 18 18

19 Cálculo de coeficientes peliculares Coeficiente pelicular interno - Dependencia del régimen Re = ρ < v > d µ 4 Q ρ 4 ω = = π µ d π µ d = G d µ Laminar Re < 2100 Transición 2100 < Re < Turbulento < Re Transición: Zona inestable. Las correlaciones presentan desviaciones importantes. En lo posible, evitar el diseño en este régimen. Af t π d = 4 2 i Nt Npt Tecnología de la Energía Térmica 19 19

20 Cálculo de coeficientes peliculares Coeficiente pelicular interno Régimen Laminar Correlación Sieder-Tate para régimen laminar Nu = 1.86 Re Pr Cp µ Pr = k φ = Nu = µ µ w h d k 0.14 d L 1/3 φ Válida para fluidos orgánicos, soluciones acuosas, gases. Propiedades evaluadas a Temperatura media aritmética entre la entrada y salida del equipo (a excepción de µ w ). Se asume que las propiedades termodinámicas son constantes desde la entrada hasta la salida. Tecnología de la Energía Térmica 20 20

21 Cálculo de coeficientes peliculares Coeficiente pelicular interno Régimen Turbulento Correlación Sieder-Tate para régimen turbulento Nu = Re 0.8 Pr 1/3 φ Pr = φ = Nu = Cp µ k µ µ w h d k 0.14 Válida para fluidos orgánicos, soluciones acuosas, gases. Propiedades evaluadas a Temperatura media aritmética entre la entrada y salida del equipo (a excepción de µ w ). Se asume que las propiedades termodinámicas son constantes desde la entrada hasta la salida. Tecnología de la Energía Térmica 21 21

22 Cálculo de coeficientes peliculares Coeficiente pelicular interno Agua 0.8 v ( t) φ h = d φ = µ µ w 0.14 Válida para agua. t [ºC] entre 5 ºC y 95 ºC v [m/s] entre 0,3 m/s y 3 m/s d [m] entre 0,01 m y 0,05 m h [W/m 2 K] Propiedades evaluadas a Temperatura media aritmética entre la entrada y salida del equipo (a excepción de µ w ). Se asume que las propiedades termodinámicas son constantes desde la entrada hasta la salida. Tecnología de la Energía Térmica 22 22

23 Cálculo de coeficientes peliculares Uso de gráfico J H (coeficiente pelicular en tubos) Tecnología de la Energía Térmica 23 23

24 Cálculo de coeficientes peliculares Coeficiente pelicular externo (aire) Correlación Robinson-Briggs Nu a = 0,134.Re 0.68 a.pr 1/3 a. s H 0.2 s. e = ha. d k o Re G a a Ga d = µ ωa = A libre a o Tecnología de la Energía Térmica 24 24

25 Cantidad de tubos Uso de tablas En función de Da Pt An Nf Calculado A partir de Pt An Nf Tecnología de la Energía Térmica 25 25

26 Corrección de coeficientes peliculares Corrección del coeficiente pelicular interno A Referenciar hi al área de transferencia i hi X = hi. A Corrección del coeficiente pelicular externo Eficiencia de aleta uso de gráfico X Eficiencia del sistema aletado ε A. A aletada + Alisa ε A. Aaletada + η = = A + A A aletada lisa X A lisa Coeficiente pelicular corregido ha X = haη. Tecnología de la Energía Térmica 26 26

27 Verificación del equipo Uso de la Ecuación de Diseño Q = UxC AC TML FT Q = UxD AD TML FT Despeje Despeje Comparo contra A A NO SI A C A D A A > A D El equipo verifica térmicamente A A < A D El equipo NO verifica térmicamente Tecnología de la Energía Térmica 27 27

28 Verificación del equipo Sobredimensionamiento En función de A C En función de A D OS C AA AC % = 100 A C OS D AA AD % = 100 A D Refleja qué tan grande es realmente el equipo respecto de lo que se requiere Valores recomendados (OS D %) 5% - 7% Incertidumbre de correlaciones Margen de seguridad para la operación Margen de seguridad para la vida útil Excesivo OS D % trae complicaciones operativas en épocas invernales Tecnología de la Energía Térmica 28 28

29 Pérdida de carga Pérdida de carga en tubos P t = 2 G 4 2 ρ f t ( L Npt) 1 d t + ΣK φt ΣK = 4 Npt Régimen laminar Régimen turbulento φ = µ µ w 0.25 f = 16 Re Tubos lisos Re Tubos rugosos (acero comercial) Re f = f = Tecnología de la Energía Térmica 29 29

30 Pérdida de carga Pérdida de carga del aire P aire = P dinámico + P estático Caída de presión por circulación P = dinámico G 2 a 2.ρ Caída de presión por atravesar el haz de tubos P G [ 4. f Nf ] 2 estático = a. 2. ρ f a = 18,93.Re Pt d o Tecnología de la Energía Térmica 30 30

31 Ventiladores Características Entre 2 y 20 palas Diámetro limitado a 4-5 m (Dv en relación al An) Posibilidad de variación de ángulo de inclinación de las palas Velocidad tangencial no mayor a 60 m/s Potencia del motor no mayor a 20 HP Cobertura mayor al 40% Tecnología de la Energía Térmica 31 31

32 Control de temperatura Variación del ángulo de las palas del ventilador (manual o automático) Variación de las rpm del ventilador Apagar un ventilador (siempre que Nv > 1) Persianas en la descarga del aire Tecnología de la Energía Térmica 32 32

33 Aerocondensadores Aerocondensador de tiro forzado Aerocondensador de tiro inducido Tecnología de la Energía Térmica 33 33

34 Aplicaciones - Ventajas - Desventajas Aplicaciones en las que sea más económico emplear aire de enfriamiento en vez de agua Uso racional de recursos Construcción simple para aplicaciones de alta presión Muy eficientes para enfriar fluidos a altas temperaturas (>100ºC) Fácil limpieza de aletas con aire comprimido (incluso durante la operación) Costo operativo menor que el de un intercambiador con agua (mismo calor a transferir) Limitación de la temperatura de salida del fluido de proceso No recomendable para enfriar gases ambos h serían bajos U sería más bajo Tecnología de la Energía Térmica 34 34

35 PREGUNTAS? Tecnología de la Energía Térmica 35 35

36 FIN Mariano Manfredi Tecnología de la Energía Térmica 36 36