AISLAMIENTO TERMICO DE TUBERIAS CON ACOMPAÑAMIENTO DE VAPOR

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1 AISLAMIENTO TERMICO DE TUBERIAS CON ACOMPAÑAMIENTO DE VAPOR Se exponen as pecuiaridades de cácuo de espesor de aisamiento térmico de una tubería principa con acompañamiento de vapor y se presenta a metodoogía que permite determinar dicho espesor. JOSE P. MONTEAGUDO YANES, JOSE J. PEREZ LANDIN y EDDY GUERRA FERNANDEZ Facutad de Ingeniería Mecánica. Universidad de Cienfuegos (Cuba) 1. INTRODUCCION Existen casos en os cuaes un aisamiento térmico convenciona no es suficiente para mantener e régimen térmico necesario de objeto aisado. En taes casos, además de aisamiento térmico, se utiiza un caentamiento compementario de dicho objeto. Este caentamiento se utiiza fundamentamente en tuberías para e transporte a distancias considerabes de una sustancia con temperatura dada o con una viscosidad ta que uego de interrumpida a circuación ésta se incrementa considerabemente. La probemática actua de mantenimiento de un nive de temperatura y, por o tanto, de viscosidad para garantizar un bombeo adecuado de petróeo crudo y en especia uego de as paradas de as instaaciones, puede ser resueta a partir de este tipo de construcción aisante para a tubería principa, a cua consiste en suministrar un caentamiento adiciona con a ayuda de una tubería acompañante de vapor dispuesta a o argo de toda a tubería y forradas ambas con e materia aisante, de manera ta que se forme una cavidad termoaisada. E sistema formado, desde e punto de vista de intercambio de caor, presenta sus particuaridades y no puede ser tratado adecuadamente por e método tradiciona para a determinación de espesor de aisamiento. 2. DESARROLLO En os casos mencionados, a temperatura de producto que se trasiega deberá permanecer invariabe, tanto durante a circuación de éste, como durante a parada. E cumpimiento de ta condición sóo es posibe por a compensación de a pérdida de caor de a tubería de transporte a partir de a absorción de caor proveniente de a tubería acompañante. Esta condición o exigencia constituye a base para e cácuo de espesor de aisamiento [3]. La tubería de transporte, por o genera, se caienta con a ayuda de una o dos tuberías acompañantes. Si se utiiza una (caso más difundido), ésta se dispone debajo de a tubería principa, y a utiizarse dos, se disponen también debajo pero de forma simétrica. En a figura 1, de forma esquemática, se 161

2 Fig. 1. Tuberías de vapor acompañante con ánguo seectivo de caentamiento representan ambas construcciones para e caso de formación de una cavidad termoaisada con ánguo seectivo de caentamiento, y en a figura 2, se representan construcciones más eficientes desde e punto de vista de intercambio térmico, pero más compejas de acuerdo con e montaje en e caso de caentamiento tota. En nuestro trabajo nos referimos a as primeras construcciones, as más difundidas, es decir con ánguo seectivo de caentamiento. E portador de caor en e caso de as tuberías acompañantes o constituye e vapor saturado con presión entre 0.2 y 1 MPa, y e diámetro de taes tuberías se eige comúnmente en e rango de 25 a 76 mm [3]. La tubería que se caienta se deberá aisar conjuntamente con a tubería (tuberías) acompañante para formar una cavidad termoaisada. Esta cavidad termoaisada se monta a partir de materiaes fexibes y su estructura básica más recomendada se muestra en a figura 1. Agunos textos como (4), recomiendan, para aumentar a eficacia de a obra, coocar en un primer trabajo, una envotura de pape foio de auminio en ugar de tea metáica. Sin embargo, en e caso de imitados recursos, esto no sería o adecuado. En e sistema presentado, a tubería se caienta, tanto por radiación directa de a tubería acompañante, como por convección durante e contorneo de aire caiente que se encuentra en e interior de a cavidad. Aunque, por o genera, no se reaiza [1, 4], e hecho de dejar una hogura de aproximadamente 10 mm con a ayuda de agún eemento adiciona entre e punto inferior de a tubería acompañante y a envotura, contribuye a aumento de a efectividad de caentamiento según [3]. E denominado ánguo seectivo de caentamiento (β) es e que determina a magnitud de a superficie de intercambio de caor entre ambas tuberías y, como se desprende de a figura 1, ésta puede ser menor que 180 (caso a) o mayor (caso b). 3. METODOLOGIA DE CALCULO Para a deducción de a metodoogía de cácuo, se parte de un baance de caor, e cua considera que e caor proveniente de a tubería acompañante de vapor se gasta en e caentamiento de a tubería principa y en as pérdidas de caor a medio exterior. Como esquema de anáisis, se hace referencia a a figura 1.a. La pérdida de caor hacia e medio exterior por unidad de ongitud de a tubería principa será igua a: Fig. 2. Tuberías de vapor acompañante para caentamiento tota 162

3 θ t p - t 0 q L TP = = 360 R L (1) θ t p - t 0 = ; (W/m) 360 R L1 + R L2 + R L3 θ: Anguo formado por a parte de a tubería sobre a cua se dispone e aisamiento (en grados). t p : Temperatura a a cua debe mantenerse e producto en a tubería principa ( C). t 0 : Temperatura de cácuo para e aire ambiente ( C). R L : Resistencia térmica inea tota (m C/W). R L 1 : Resistencia térmica inea desde e producto hasta a pared de a tubería (m C/W). R L2 : Resistencia térmica inea de a capa de aisamiento (m C/W). R L3 : Resistencia térmica inea de a capa de aisamiento desde a superficie exterior de aisamiento a aire ambiente (m C/W). La cantidad de caor por unidad de ongitud que recibe a tubería desde e aire en e interior de a cavidad puede determinarse como: β q A = α L A π d 2 (t 1 - t p ); (W/m) 360 (2) β: Anguo formado por a parte de a tubería que se caienta por e aire en e interior de a cavidad (en grados). α A : Coeficiente de transmisión superficia de caor desde e aire en e interior de a cavidad a a tubería caentada (W/m 2 C). d 2 : Diámetro exterior de a tubería principa (m). t 1 : Temperatura de aire en e interior de a cavidad termoaisada ( C). Puesto que q L tiene a propiedad de ser constante y de propio anáisis de probema, podemos pantear que: q L TP = q A L θ t p - t 0 = 360 R L β = αa π d 2 (t 1 - t p ) 360 (3) de donde: θ t p - t 0 R L = (4) β αa π d 2 (t 1 - t p ) recordando que : R L = R L1 + R L2 + R L3 y sustituyendo a as resistencias individuaes según su definición tenemos: R L = + π d 1 α 1 2 λ a π d a n + (5) d 2 π da α 2 d 1 : Diámetro interior de a tubería principa (m). d 2 : Diámetro exterior de a tubería principa (m). d a : Diámetro exterior de a capa de aisamiento (m). α 1 : Coeficiente de transmisión superficia de caor desde e fuido hasta a superficie interior de a tubería principa (W/m 2 C). α 2 : Coeficiente de transmisión superficia de caor desde a superficie de aisamiento hacia e medio exterior (W/m 2 C). λ a : Coeficiente de conductividad térmica de materia aisante térmico (W/m C). Sustituyendo a (5) en (4), introduciendo un coeficiente para considerar as pérdidas por apoyo igua a 1.25 [3] y despejando, obtenemos: d a θ 1,25 (t p - t 0 ) n = 2 λ a π [ - d 2 β α A π d 2 (t 1 - t p ) - ( + )] π d 1 α 1 π d a α 2 y como normamente a resistencia interior: π d 1 αi se desprecia, se obtiene: d a n = 2 λ a π d 2 (6) θ 1,25 (t p - t 0 ) [ - ] β α A π d 2 (t - t p ) π d a α 2 En cuanto a a determinación de: R L3 = ; π d a α 2 es necesario precisar que aquí aparece de nuevo a magnitud d a, que es a incógnita buscada en este cácuo. En os cácuos prácticos se considera que a magnitud R L3 es pequeña en comparación con R L, por o que se puede cacuar de forma aproximada a través de cácuo de : d a = d δ a a partir de un vaor dado para e espesor δ a [3]. Por útimo y uego de a determinación de a reación d a /d 2 de a expresión (6), se puede cacuar e espesor de aisamiento como: d 2 d a δ a = ( - ) (7) 2 d 2 Aquí debe considerarse que para os materiaes en forma de guata como ana de vidrio y otros simiares, tiene ugar durante su coocación, cierta compactación, por o que se recomienda cacuar a partir de espesor cacuado, e espesor que deberá tener e materia antes de su coocación, de a forma siguiente: d 2 + δ a δ 0 = δ a K c (8) d δ a Para os materiaes más comunes, e coeficiente de compactación Kc [3] tiene os siguientes vaores: Lana de vidrio: 1,6 Lana minera: 1,3 Para a soución de este probema, fata por determinar a temperatura de aire en e interior de a cavidad (t 1 ), o cua se determina de a ecuación de baance de acuerdo con a cua todo e caor desprendido por a tubería acompañante, se gasta en e caentamiento de a tubería principa y en a pérdida hacia e medio exterior. La cantidad de caor desprendido por unidad de ongitud de tubería acompañante es igua a: F AC q L AC = (t AC - t 1 ) (9) R AC 163

4 Taba I Coeficiente de transmisión superficia de caor desde a tubería acompañante a aire en e interior de a cavidad, α AC (W/m 2 C) Temperatura de Diámetro de a tubería acompañante (mm) vapor t AC C , ,5 19, ,5 20,5 20 Taba II Coeficiente de transmisión superficia de caor desde e aire en e interior de a cavidad a a tubería, α A (W/m 2 C) Temperatura de vapor t AC ( C) Coeficiente α A 13,5 14,0 14,5 ongitud que se pierde a medio exterior es: F E q E L = 1,25 (t - t 0 ) (11) R E F E : Area de a parte restante de a superficie de a insuación por unidad de ongitud (m 2 /m). R E : Resistencia térmica tota desde e aire en e interior de a cavidad termoaisada, a través de a insuación y hacia e aire exterior (m 2 C/W). 1,25: Coeficiente que considera a infuencia de os soportes y otras pérdidas. puesto que: q L AC = q A L + qe L tenemos : F AC : Superficie de a tubería acompañante por unidad de ongitud (m 2 /m). R AC : Resistencia térmica desde a tubería acompañante a aire en e interior de a cavidad termoaisada (m 2 C/W). t AC : Temperatura de vapor acompañante ( C). La cantidad de caor por unidad de ongitud que se absorbe por a tubería principa es igua a: F A q A L = (t - t p ) (10) R A F A : Superficie de cácuo de a tubería principa por unidad de ongitud (m 2 /m). R A : Resistencia térmica desde e aire en e interior de a cavidad termoaisada a a tubería caentada (m 2 C/W). La cantidad de caor por unidad de F AC F A (t AC - t ) = (t - t p ) + R AC R A F E + 1,25 (t - t 0 ) R E o o que es igua : F AC F A F E t AC + t p + 1,25 t 0 R AC R A R E t = F AC F A F E + + 1,25 R AC R A R E (12) Taba III Vaores de coeficiente de transmisión superficia de caor desde a superficie exterior de aisamiento hacia e aire exterior, α 2 (W/m 2 C) En e oca cerrado En espacios abiertos. Con veocidad de viento (m/s) Recubrimiento Recubrimiento Objeto que con bajo con ato se aísa coeficiente coeficiente de radiación de radiación Tuberías horizontaes Tuberías verticaes equipamiento, superficies panas Los recubrimientos con bajo coeficiente de radiación se presentan en e caso de os recubrimientos protectores de áminas de zinc o auminio y os que tienen ato coeficiente de radiación son os estuques de asbesto-cemento. En e caso de no tener información acerca de a veocidad de viento, tomar e vaor α 2 correspondiente a 10 m/s. 164 Como se verá más adeante, agunas magnitudes de as expuestas en este cácuo deben considerar a cantidad de tuberías acompañantes utiizadas y su disposición con respecto a a tubería principa (Tabas IV y V). Lo genera para todos os casos es a determinación de as resistencias R AC, R A, R E (m 2 C/W), a cua es como sigue: R AC = ; R A = α AC α A Siendo α AC e coeficiente de transmisión superficia de caor desde a tubería acompañante a aire en interior de a cavidad termoaisada, e cua se toma de a Taba I y e denotado anteriormente coeficiente α A se toma de a Taba II. Estos vaores pueden ser cacuados para a convección por expresiones convencionaes; sin embargo e

5 Taba IV Fórmuas para a determinación de os ánguos θ, β, ϕ, τ (ver Fig.1.) Cantidad de Disposición de tuberías as tuberías β θ τ ϕ acompañantes acompañantes La tubería 1 acompañante se d 2 -d AC - 0,02 dispone de cos β = acuerdo con a d 2 + d AC θ = β Fig. 1 a La tubería acompañante α d 2 -d AC - 0,02 2 se dispone de β = 2 (ϕ + τ) θ = β sen τ = cos β = acuerdo con a d 2 + d AC d 2 + d AC Fig. 1b uso de as referidas Tabas representa a ventaja de que en éstas se escoge e vaor de coeficiente a partir de a temperatura de vapor caefactor, obviando as dificutades que aparecen a ser a temperatura de a superficie exterior una incógnita en os cácuos de espesor de aisamiento a precisar con un cácuo iterativo. En e caso de a resistencia R E, ésta se determina como si se tratase de una pared pana en a cua e vaor de δ A se asume de forma aproximada y se desprecia además a resistencia de a capa protectora de aisamiento : δ A R E = + + (13) α λ A α 2 α 1 : Coeficiente de transmisión superficia de caor desde e aire en e interior de a cavidad termoaisada a a superficie interior de a misma (W/m 2 C),e cua según [3], se recomienda tomar igua a 12 W/m 2 C. α 2 : Coeficiente denotado anteriormente, e cua se toma de a Taba III. E coeficiente λ A, es función de materia utiizado y en e cácuo se toma su vaor medio debido a que hay zonas a diferentes temperaturas para os casos de a tubería principa y a acompañante. En agunas casos se hace necesario, además, cacuar e fujo de vapor Gν (kg/h) necesario para e caentamiento de a tubería para una ongitud de esta igua a L, o a máxima ongitud, a a cua tiene ugar a condensación tota de vapor para un fujo dado, es decir: 1,25 α AC (t AC - t 1 ) F AC L 3,6 Gν = = 0,9 r α AC (t AC - t 1 ) F AC L = (14) 0,2 r 0,2 r Gν L = (15) α AC (t AC - t 1 ) F AC donde: r : Caor de cambio de fase (kj/ kg). Los vaores de os ánguos θ, β, ϕ, τ, y as magnitudes m, F AC, F A y F E se determinan con a ayuda de as expresiones expuestas en as Tabas IV y V. La metodoogía precedente se apicó en a fábrica de cemento Kar Marx en Cienfuegos, (Cuba), Taba V Fórmuas para a determinación de a magnitud auxiiar m y as áreas F AC, F A, F E (ver Fig. 1) Cantidad Disposición de m F AC F A F E de tuberías as tuberías acompañantes acompañantes (m 2 /m) (m 2 /m) (m 2 /m) (m 2 /m) Deacuerdo β β 1 con a Fig 1a (d 2-0,01) (d AC +0,01) π d AC π d 2 π (d AC + 2 δ A + 0,02) + 2 m Deacuerdo β β 2 con a Fig 1b (d 2-0,01) (d AC +0,01) 2 π d AC π d 2 π (d AC + 2 δ A + 0,02) + a + 2 m

6 donde por razones económicas se sustituyó e fueóeo por petróeo crudo de origen cubano. E primer probema enfrentado fue as dificutades de bombeo originadas por as atas viscosidades de Taba VI Resutados de cácuo Magnitud Repres. Vaor Conductividad térmica de aisante en a zona de a tubería a caentar λ 1 0,06 W/m C Conductividad térmica de aisante en a zona de a tubería de caentamiento. λ 2 0,075 W/m C Conductividad térmica media de aisante λ LV 0,0675 W/m C Anguo de caentamiento β 50 Anguo sobre e cua se dispone a insuación θ 310 Superficie de tubería acompañante por unidad de ongitud F AC 0,078 m 2 /m Superficie de tubería principa por unidad de ongitud F A 0,073 m 2 /m Area de a parte restante de a superficie de a insuación por unidad de ongitud F E 0,074 m 2 /m Resistencia térmica desde a tubería acompañante a aire en e interior de a cavidad termoaisada R AC 0,045 m 2 C/W Resistencia térmica desde e aire en e interior de a cavidad termoaisada a a tubería caentada R A 0,069 m 2 C/W Resistencia térmica tota R E 0,725 m 2 C/W Temperatura de aire en e interior de a cavidad termoaisada t 1 122,02 C Espesor de aisante. δ a 0,056 m Porcentaje de error %Error 28,5 % Resutados de cácuo iterativo Area de a parte restante de a superficie de a insuación por unidad de ongitud F E 0,216 m 2 /m Temperatura de aire en e interior de a cavidad termoaisada t 1 122,3 C Espesor de aisante δ a 0,056 m Porcentaje de error % Error 0 % Espesor de aisante (en forma de guata) antes de a coocación δ 0 0,072 m Fujo de vapor necesario para e caentamiento de a tubería G ν 89,35 kg/h Caída de presión en a tubería de vapor acompañante P 147 kpa 166 este combustibe (790 cst a 70 C), o cua obigó a uso de tuberías de vapor acompañante en a ínea de suministro de combustibe. Se expone a continuación a apicación de a metodoogía a trasiego de petróeo en a fábrica citada. Los datos para e cácuo son: - Temperatura de fuido (t p ): 80 C. - Temperatura de vapor (t AC ): 166 C. - Temperatura ambiente (t 0 ): 27 C. - Diámetro exterior de a tubería (d 2 ): 168 mm. - Diámetro exterior de tubo de caentamiento (d AC ): 25 mm. - Materia aisante : Lana de vidrio. - Las tuberías están coocadas a a intemperie. Los resutados obtenidos se muestran en a Taba VI. 4. CONCLUSIONES 1. E método de aisamiento térmico de as tuberías destinadas a transporte de petróeo crudo con tuberías de vapor acompañantes o tracer de vapor permiten mejorar as condiciones de trasiego de mismo y aivia as dificutades que se presentan en os momentos posteriores a as paradas de as instaaciones. 2. La metodoogía expuesta permite cacuar e espesor para a referida obra de aisamiento térmico y su vaidez está confirmada, tanto por a iteratura consutada, como por a apicación y comprobación de espesor de aisamiento en as instaaciones proyectadas y ejecutadas en nuestro país por firmas extranjeras pudiendo ser úties a aqueos encargados de ejecutar tareas simiares reacionadas con a probemática de a utiización de crudo cubano. 3. E espesor cacuado de aisante es de 56 mm, e cua coincide con e usado en tuberías de tamaño semejante destinadas a trasiego de fueóeo por a empresa aemana constructora de a fábrica. 4. La apicación práctica de resutado aquí expuesto y su funcionamiento satisfactorio en a empresa de cemento Kar Marx de Cienfuegos hacen fiabe a metodoogía de cácuo y constituye un úti instrumento de trabajo. 5. RECOMENDACIONES E aisamiento térmico de as tuberías caentadas con ayuda de acompañamiento de vapor requiere

7 de a observación de agunos detaes a a hora de proceder a su montaje, as cuaes son: - Eegir preferentemente e esquema que empea una soa tubería acompañante con ánguo seectivo de caentamiento, por su senciez de montaje. - Si bien en agunos textos como (1.4) se hace mención a taes trabajos de aisamiento térmico a partir de materiaes aisantes rígidos, para nuestras condiciones de surtido y para simpificar e montaje, recomendamos e uso de materiaes fexibes como a ana de vidrio u otras simiares. - Para aumentar a efectividad de caentamiento se puede disponer de agún eemento separador que mantenga una hogura de 1 cm por debajo de a tubería acompañante. - Se debe disponer, siempre en primera instancia, antes de coocar e materia escogido, de una maa metáica o pape foio de auminio que rodee os tubos. - No admitir durante os trabajos de montaje que bajo esfuerzos, e materia aisante ocupe parte de a cavidad termoaisada. - Luego de a coocación de aisamiento con e espesor previamente cacuado, coocar a capa protectora de zinc o auminio preferibemente para e caso de os materiaes aisantes fexibes. 6. BIBLIOGRAFIA [1] Aisamiento térmico de tuberías y depósitos, Ed. Labor, Barceona, España, (1976). [2] Fow of fuids. Manua de La Crane Co. Ed. de Ciencia y Técnica, La Habana, (1969). [3] Jichniakov. C.V. Praktichieskiie raschiotü tiepovoi izoiasü, Energía, Moskva, (1976). [4] Técnicas de conservación energéticas en a industria. T.I. Fundamentos y ahorro en operaciones, Ed. Revoucionaria (1987). IQ 167