DISEÑO Y SELECCIÓN DE MATERIALES DE UN SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA PLANTA DE GALVANIZADO EN...

7/25/2019 DISEO Y SELECCIN DE MATERIALES DE UN SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA PLANTA DE GALVANIZADO EN CALIE

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UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALESCOORDINACIN DE INGENIERA DE MATERIALES

DISEO Y SELECCIN DE MATERIALES DE UN SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

PARA PLANTA DE GALVANIZADO EN CALIENTE DE LA COORPORACIN

IADIEXPORT

Presentado por:

Pedro Jos Larez Cota

Realizado con la asesora de:Tutor Acadmico: Pedro DelvastoTutor Industrial: Rafael Marrero

INFORME DE PASANTAPresentado ante la Ilustre Universidad Simn Bolvar

como requisito parcial para optar al ttulo deIngeniero en materiales

Sartenejas, Septiembre de 2010


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DISEO Y SELECCIN DE MATERIALES DE UN SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

PARA PLANTA DE GALVANIZADO EN CALIENTE DE LA CORPORACIN

IADIEXPORT

Realizado por:Pedro Jos Larez Cotua

RESUMEN

En el presente trabajo se realiz el diseo de un sistema de enfriamiento del agua para laCorporacin Iadiexport, con la finalidad de suministrarle a la empresa un equipo que completarasatisfactoriamente la fase de galvanizado al caliente, sin incurrir en prdidas de agua y daos delas partes metlicas fabricadas. Para ello, se consideraron las torres de enfriamiento y losintercambiadores de calor enfriados por aire, en la seleccin del mejor sistema para retirar elcalor de las aguas empleadas en la corriente de produccin de la Corporacin Iadiexport. De estosdos sistemas, fue seleccionado el intercambiador de calor enfriado por aire, de tipo forzado,debido a las ventajas que ofrece frente a las torres como: ahorro del agua de proceso, menoscostos operacionales y a la facilidad con que se adapta al espacio disponible en planta. Luego deesta seleccin, se procedi a escoger entre tres propuesta de diseo para este sistema, eligiendo latercera de las propuestas que plantea el uso de tubos de cupronquel 70 Cu-30 Ni, aletas dealuminio de la serie 5000 y carcasa y cabezales de aceros al carbono galvanizados. En funcin deestos materiales, la normativa de diseo API 661 y de las premisas de diseo como lastemperaturas de operacin del equipo, cadas de presin y caudal del fluido a enfriar se obtuvo eldiseo mediante el programa Aspen B-JAC, herramienta computacional a travs del cual sepuede modelar el intercambiador de calor enfriado por aire. As, se obtuvo un equipo capaz dedisipar 146514 W de calor proveniente del agua de proceso mediante un caudal de aire de 4,76m3/s (18,22 Kg/s), que opera a una eficiencia de 90% y que dispone de una sola unidad con tresventiladores. La unidad tiene 3 m de largo, una altura de 1,7 m y un ancho de 1,1 m. Por ltimose especificaron las condiciones de operacin para el equipo as como las principales normas parael mantenimiento del equipo.

PALABRAS CLAVE

Torres de Enfriamiento, Intercambiador de calor enfriado por aire, Galvanizado en caliente.


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DEDICATORIA

A mis padres, hermanos, tos y abuelos, por ser pilares fundamentales en mi vida y por

toda la ayuda y el apoyo que me han dado y me brindan da a da. Sin ustedes nada de esto

hubiese sido posible.


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AGRADECIMIENTOS

A Dios en primer lugar por darme salud, cuidarme y ayudarme en los momentos difciles.

A la Universidad Simn Bolvar por ser la prestigiosa casa de estudio en la que me he formado.

A mi tutor acadmico, Pedro Delvasto por la paciencia durante la pasanta.

A todas las personas que en algn momento contribuyeron directa o indirectamente,

acadmicamente o no, pero que sin su ayuda no habra llegado este momento.

A todos por su apoyo muchas gracias.


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ndice General

Resumen

Dedicatoria

Agradecimientos ndice General

ndice de figuras

ndice de tablas

Lista de smbolos y abreviaturas

Captulo I. Introduccin

Captulo II. Aspectos generales de la empresa y sus procesos

2.1. Resea Histrica

2.2. Descripcin de la Unidad de estudio: Departamento de Recubrimiento de Metales

Captulo III. Marco Terico

3.1. Sistemas de enfriamiento

3.1.1. Torres de enfriamiento

3.1.2. Intercambiadores de calor enfriados por aire

3.1.2.1. Elementos de un intercambiador de calor enfriado por aire

3.1.2.2. Tipos de intercambiadores de calor enfriados por aire

3.2. Normas y Cdigos usados para el diseo del intercambiador de calor enfriado por aire

3.3. Herramienta computacional de diseoAspen B-JACversin 10.2

3.3.1. Fundamentos tericos del programaAspen Aerotran

3.4. Confiabilidad del Diseo

3.4.1. Modos de falla para sistemas de enfriamiento

3.4.1.1. Corrosin

3.4.1.2. Acumulacin de impurezas y ensuciamiento o incrustaciones

3.5. Seleccin de materiales 3.5.1. Revisin del proceso de Operacin

3.5.2. Requerimiento funcional de los materiales

3.5.3. Costos


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Captulo IV. Marco metodolgico

4.1. Mediciones de Campo

4.2. Pautas para la seleccin del sistema de enfriamiento

4.3. Premisas para el diseo del intercambiador de calor enfriado por aire

Captulo V. Resultados y Anlisis 5.1. Modos de dao y mecanismo de falla para los intercambiadores de calor enfriados por aire

5.2. Seleccin de materiales y control de la corrosin

5.3. Propuestas para el diseo del intercambiador de calor enfriado por aire

5.4. Arreglo y dimensiones del intercambiador de calor enfriado por aire

5.5. Accesorios

5.6. Condiciones de operacin y mantenimiento del intercambiador de calor enfriado por aire

Captulo VI. Conclusiones

Captulo VII. Recomendaciones

Captulo VIII. Referencias bibliogrficas

Anexos

Apndices


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ndice de Figuras

Figura 2.1. Diagrama de Unidad y proceso de galvanizado de metales de la

Corporacin Iadiexport

7

Figura 2.2.Horno para galvanizado y tanque de enfriamiento 8Figura 3.1. Diferentes arreglos para torres de enfriamiento 11

Figura 3.2. Intercambiador de calor enfriado por aire 13

Figura 3.3. Arreglos de bahas para un intercambiador de calor enfriado por aire 14

Figura 3.4. Cabezal de tapn y de cubierta soldada o removible 15

Figura 3.5. Componentes tpicos de un intercambiador de calor enfriado por aire 18

Figura 4.1. Aletas soldadas tipo L 40

Figura 4.2. Tipos de tnel de viento usados para los ICEA 41

Figura 5.1. Vida en servicio del recubrimiento de cinc en piezas metlicas por el proceso

de galvanizado en caliente

47

Figura 5.2. Hoja API de especificaciones del intercambiador de calor enfriado por aire 49

Figura 5.3. Separacin del los ventiladores al haz de tubos y ngulos mximos de

dispersin

56

Figura 5.4. Plano de la unidad del intercambiador de calor enfriado por aire 58

Figura 5.5. Plano de cabezales del intercambiador de calor enfriado por aire 59

Figura 5.6. Disposicin del ICEA en el terreno de la Unidad de Galvanizado en caliente 60

Figura 5.7. Diagrama de proceso del sistema de enfriamiento de la Unidad de

Galvanizado de la Corporacin Iadiexport

62


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ndice de Tablas

Tabla 3.1. Problemas de los sistemas de enfriamiento 23

Tabla 3.2. Mecanismos de falla por corrosin 24

Tabla 4.1. Registro de temperaturas y pH para el agua del tanque de enfriamiento 32Tabla 4.2. Caractersticas de las torres de enfriamiento e intercambiadores de calor

enfriados por aire

35

Tabla 4.3. Temperaturas mximas del agua de enfriamiento de la Unidad de Galvanizado 37

Tabla 4.4. Temperaturas ambientales en la Unidad de Galvanizado 38

Tabla 5.1. Modos de dao y mecanismos de falla para los intercambiadores de calor

enfriados por aire

42

Tabla 5.2. Componentes y materiales del intercambiador de calor enfriado por aire 45

Tabla 5.3. Datos trmicos del intercambiador de calor enfriado por aire 51

Tabla 5.4. Descripcin de la geometra del cabezal 53

Tabla 5.5. Velocidad del agua dentro de los tubos 54

Tabla 5.6. Descripcin del ventilador 55


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Lista de smbolos y abreviaturas

ASME American Society of Mechanical Engenieers

API American Petroleum Institute (Instituto Americano de Petrleo)

API 661 Air-Cooled Heat Exchangers for General Refinery Services

(Aeroenfriadores)

A rea de transferencia de calor requerida, m

Ao rea de la superficie externa de la tubera, m

Ai rea de la superficie interna de la tubera, m

b Distancia de separacin del haz de tubos a los ventiladores, m

Caire Calor especfico del aire, Kj

Cmn Calor especfico mnimo,

D Dimetro de tubera, m

Di Dimetro interno de tubera para los tubos del aeroenfriador

Do Dimetro externo de tubera para los tubos del aeroenfriador

e Rugosidad de la tubera, m

Eficiencia del intercambiador de calor enfriado por airef Coeficiente de friccin de la tubera, m

ff Factor de correccin de temperatura media logartmica.

Hb Carga de la bomba, m.

HRB Escala de dureza, Rockwell B

HRC Escala de dureza, Rockwell C

he Coeficiente de conveccin externa,W/m 2. K.

hf Prdidas por friccin para tuberas y accesorios, m.

hi Coeficiente de conveccin interna, W/m . K.

ICEA Intercambiadores de calor por aire


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KL Coeficiente de prdida para accesorios

Ltubo Longitud de tubera, m

mc Flujo msico del fluido a menor temperatura, Kg/seg

MTD,Eff Diferencia de temperatura media corregida, C

mh Flujo msico del fluido a mayor temperatura, Kg/seg

PDVSA Petrleos de Venezuela Sociedad Annima

Plenum Tnel de viento

P1 Presin sobre la superficie del agua del tanque de enfriamiento, Pa

P2 Presin a la salida de la tubera de descarga, Pa

Re Nmero de Reynolds

Rfi Factor de ensuciamiento interno de la tubera, m . K./ W

Rfo Factor de ensuciamiento externo de la tubera, m . K./ W

tci Temperatura a la entrada del fluido fro, C

tco Temperatura a la salida del fluido fro, C

thi Temperatura a la entrada del fluido caliente, C

tho Temperatura a la salida del fluido caliente, C

Uo Coeficiente global de transferencia de calor, m . K./ W

VH2O Volumen de agua para el diseo, Litros

Vreal Volumen de agua real, Litros

Vtubera Velocidad del agua en la tubera, m/seg

V20% Volumen de un veinte por ciento del total de agua, L

V1 Velocidad en la superficie del tanque de agua de enfriamiento, m/seg

V2 Velocidad del agua a la salida de la tubera de, m/seg

Q Caudal, m /s

Qc Caudal del fluido a menor temperatura, m /s

Qh Caudal del fluido a mayor temperatura, m /s


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q Calor real transmitido por el intercambiador de calor por aire, Watts

qmximo Mxima cantidad de calor posible transferida por el agua,

Re Nmero de Reynolds

Software Programa para computadoras

Z1 Altura de descarga de agua de la tubera al tanque de enfriamiento

Z2 Altura del intercambiador de calor enfriado por aire, m

tml Diferencia de temperatura media logartmica, C

1 Factor de correccin de energa cintica para el agua en la tubera

2 Factor de correccin de energa cintica para el agua a la salida de la

tubera.


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CAPITULO I.

INTRODUCCIN

La Corporacin Iadiexport C.A., es una empresa Venezolana que opera en la produccin y

distribucin de materiales elctricos y servicios de recubrimiento de metales. Entre sus plantas de

produccin se encuentra la Unidad de Galvanizado o Departamento de Recubrimiento de

Metales, encargado de aplicar capas protectoras de cinc, a travs del galvanizado en caliente, a

los componentes metlicos fabricados y que han de ser usados en las instalaciones elctricas.

En el proceso de galvanizado en caliente las partes metlicas son pre-tratadas para luego

ser recubiertas con cinc. La preparacin superficial consta de las fases de: desengrase, enjuague,

decapado, fluxado, inmersin en cinc fundido y enfriamiento. La ltima de las etapas del proceso

consiste en sumergir las piezas metlicas que salen del horno, en un bao de agua para detener lasreacciones de difusin del cinc al metal, que ocurren durante el proceso de revestimiento y

garantizar la calidad del producto final.

La temperatura del bao de agua se incrementa debido a que los productos metlicos

ingresan a temperaturas cercanas a los 440-460 C. Esta debe ser tratada para disipar el calor

recogido y poder ser reutilizada en operaciones posteriores en planta. Para esto, algunas empresas

cuentan con equipos capaces de enfriar el agua y recircularla de forma continua en la corriente de

produccin.

Pese a la importancia de un sistema de enfriamiento en el proceso de fabricacin y

produccin de piezas metlicas de alta calidad y duracin, actualmente la Unidad de Galvanizado

de la Corporacin Iadiexport, no dispone de un sistema de enfriamiento de las aguas, lo que

ocasiona paradas en la produccin para reponer el agua perdida, daos en el recubrimiento de las

partes metlicas producidas y en consecuencia prdidas econmicas diarias en la industria.

Por lo tanto, en el presente trabajo se expone la realizacin del diseo de un sistema de

enfriamiento del agua, considerando las Torres de Enfriamiento y los Intercambiadores de calor

enfriados por aire, al ser los dos sistemas comnmente implementados en la industria qumica y

de procesos. As, se busca determinar el equipo ms adecuado para la Corporacin Iadiexport en

funcin de los requerimientos operacionales.


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Por otra parte, se realiza un anlisis de los materiales necesarios para el diseo del sistema

de enfriamiento seleccionado, en funcin de los principales mecanismos de falla reportados para

estos equipos, como la corrosin, el ensuciamiento y la acumulacin de impurezas, realizando

para ello una revisin de la literatura existente al respecto. Finalmente se establecen los

parmetros de arreglo de la Unidad de enfriamiento en funcin de las dimensiones de espaciodisponibles en la planta y de sus necesidades especficas. La procura y construccin del equipo

estn fuera del alcance de este proyecto.


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CAPTULO II.

ASPECTOS GENERALES DE LA EMPRESA Y SUS PROCESOS

2.1 Resea Histrica

La corporacin Iadiexport C.A., es una empresa venezolana especializada en la

fabricacin, distribucin de materiales elctricos y servicios de recubrimiento de metales,

comprometida con la elaboracin de productos de distribucin elctrica y servicios de excelencia,

calidad y seguridad, mediante la utilizacin de tecnologa de vanguardia y mejoramiento continuo

del capital humano. Esta empresa tiene su origen en el ao 1998 y se encuentra debidamente

inscrita en el registro mercantil V de la circunscripcin judicial del Distrito Capital y el estado

Miranda. En sus comienzos se ubicaba en la entrada de la arenera Provn, carretera nacional laRaza, Estado Miranda, con una dedicacin exclusiva a la distribucin y venta de materiales

elctricos.[1]

Posteriormente los socios deciden ampliar sus instalaciones con la disposicin de

convertirse en una planta de produccin de postes, brazos de alumbrado pblico y luminarias y se

trasladan a un galpn ubicado en la entrada de la Urbanizacin el Tomuso, en la misma

jurisdiccin y a 6 km de la oficina principal, donde actualmente funciona la planta de postes. Para

el ao 2000, la Corporacin adquiere las instalaciones de la antigua planta WestinghouseElectrometalrgica, C.A. ubicada en la Urbanizacin industrial El Cujial, parcela 45, Santa

Teresa del Tuy, Estado Miranda y amplia su objetivo principal avocndose a la produccin,

compra y venta de materiales elctricos, importacin y exportacin, entre otras actividades

mercantiles que se relacionen con el suministro de energa elctrica y los materiales necesarios

para sus instalaciones. Es en el ao 2000 que inicia actividades el Departamento de

Recubrimientos de metales, cuyo proceso de operacin principal consiste en el galvanizado en

caliente de las piezas usadas para la distribucin elctrica. Conexa a estas actividades de la

misma corporacin, est la planta de transformadores, que se encuentra ubicada en la carretera

nacional de Guatire, Estado Miranda.[1]

En la actualidad la empresa dispone de las siguientes plantas de produccin: luminarias y

balastros, herrajes, postes, transformadores y servicio de recubrimiento de metales. Entre los

productos fabricados por la empresa se sealan los siguientes:[1]


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Transformadores elctricos para distribucin y generacin de potencia del tipo

monofsico, monofsico unicornio, pedestal, sumergible y almohadilla montada.

Postes de acero.

Brazos de alumbrado pblico.

Agarradores, adaptadores y abrazaderas. Crucetas y perchas.

Pletinas, pernos, bridas, bandas, barras de conexin a tierra y soporte.

Cajas y bandejas elctricas.

Luminarias para alumbrado vial, ornamental, reflector e industrial.

2.2 Descripcin de la Unidad de estudio: Departamento de Recubrimientos de Metales

El Departamento de Recubrimiento de Metales de la Corporacin Iadiexport C.A, se

encarga de aplicar capas protectoras de cinc a los componentes metlicos que son usados en las

instalaciones elctricas a travs del galvanizado en caliente, el cual se define como el proceso

mediante el cual se obtienen recubrimientos de cinc sobre el acero o hierro, al sumergir la pieza

en un bao de cinc fundido. La funcin principal de la galvanizacin es la de proteger al acero

frente a la corrosin, debido a que el cinc se corroe preferencialmente al metal que recubre por

ser menos noble que este.[2]

El mtodo de galvanizado utilizado en la Corporacin Iadiexport, es de tipo inmersin, en

el cual las piezas son pre-tratadas para luego sumergirse en un bao de cinc fundido. La

preparacin superficial se realiza con el objeto de limpiar la pieza de xidos, pinturas,

lubricantes, etc; que pueden evitar que ocurran las reacciones de difusin del cinc hacia el metal.

En general el galvanizado en caliente por inmersin, consta de las siguientes etapas, las cuales

sern explicadas a continuacin: Desengrase, enjuague, decapado, enjuague, fluxado, inmersin

en cinc, enfriamiento y pasivacin, inspeccin y empaque. [2]

a)

DesengraseConsta de soluciones de compuestos desengrasantes de tipo alcalino. Su finalidad

es remover de la superficie del acero residuos de aceite, grasa y ciertos tipos de

barnices, lacas y pinturas. Aunque existen soluciones desengrasantes del tipo

cido, las alcalinas son ampliamente preferidas por ser de menor costo y de mayor

eficiencia.


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b) Primer Enjuague

Lavado en agua limpia para evitar arrastres del lquido desengrasante.

c) Decapado

Se utilizan soluciones en base a cido clorhdrico o sulfrico, que tienen la

finalidad de remover los xidos de la superficie del acero. Los decapados en baseal cido clorhdrico son los ms usados ya que operan a temperatura ambiente y

tienen un menor impacto de contaminacin en las etapas posteriores.

d) Segundo Enjuague

Lavado en agua limpia para evitar el arrastre de cido y hierro en la solucin, los

cuales pueden contaminar el fluxado de las piezas.

e)

Fluxado

Se aplica a las piezas para remover cualquier xido formado sobre el acero, una

vez concluida la fase de decapado y previo a la galvanizacin. Tiene como funcin

activar la superficie del acero y facilitar as su reaccin con el cinc, formando

cloruro de cinc y cloruro de amonio en estado de fusin. Tambin disminuyen el

riesgo de salpicaduras cuando se sumergen en el bao de cinc, ya que las piezas

hmedas se calientan en la solucin de flux que se encuentra a una temperatura de

60C.

f) Inmersin en cinc

Se sumerge la pieza en un bao de cinc fundido, dentro de una cuba hecha dematerial refractario (por lo general),a temperaturas cercanas a los 450-460 C.

g) Enfriamiento y pasivacin

Una vez retirada la pieza de la cuba u horno con el cinc fundido, se traslada a un

tanque con agua donde es templada para retirar el calor del metal y detener las

reacciones de difusin del cinc al hierro, as se evita obtener una aleacin cinc-

hierro. En cuanto a la pasivacin, algunas empresas colocan soluciones de

cromatos o silicatos para evitar las manchas blancas producto de la corrosin

sobre la superficie del metal. Estos compuestos qumicos son colocados en el

tanque de enfriamiento.


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h) Inspeccin y empaque

ltima etapa del galvanizado, donde se revisan las piezas y se descartan aquellas

con defectos o en mal estado. El resto se coloca en cajas, o cestas para el

despacho.

Hasta ahora se han explicado las etapas en general del galvanizado en caliente, en el casoespecfico del departamento de recubrimientos de metales de la Corporacin Iadiexport, las

etapas se sealan en la figura 2.1, y consta del siguiente equipo para ejecutar sus operaciones:

Tanque de desengrase (TD).

Tres tanques de enjuague (TE).

Tres tanques para decapado tanques de cido (TA N 1, N 2 y N3).

Un tanque para el fluxado (TF).

Seccin de ganchos con doce gancheras, siete u ocho jaulas para barras y quince cestaspara productos centrifugados (SG).

Un horno de galvanizado en caliente (HG).

Una centrifugadora Barett (CB).

Un tanque de enfriamiento (Te).

Almacenamiento de las piezas (Ap).

En el proceso de recubrimiento de metales, la carga de material se sumerge en el primer

tanque que corresponde al desengrase de las piezas, con una solucin de cido fosfrico (H 3PO4)

de pH 2 y volumen 3250 L. Le siguen dos tanques para enjuague con agua de pH 7 y 3000 L de

capacidad, siendo empleados los dos para lavar varias cargas de material (aumentando as la

produccin) para enjuagar dos veces una misma carga si as se requiere.[1]

Despus del enjuague, se tiene el tanque de cido clorhdrico N 1 de concentracin 19 a

20% correspondiente al pre-decapado, el N 2 para decapado y el N 3, obtenido despus de

reciclar las soluciones de los dos primeros y denominado de cido exhausto (el N 2 tiene una

concentracin de 17% de HCL y el N 3 de 12 a 15 %; los tres tanques para decapado contiene3000 L de solucin). Se emplea el recipiente N1 cuando las piezas presentan una gran cantidad

de xidos sobre su superficie, los cuales son removidos de manera eficiente a mayor

concentracin de cido; de lo contrario se utilizan los tanques N2 y N3. En algunas ocasiones,

se sumergen las piezas en los tanques de concentracin menor para evitar gastar el cido del N1,


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y cuando se requiere galvanizar un gran volumen de material se emplean los tres, as se acortan

los tiempos de produccin.[1]

Figura 2.1 Diagrama de unidad y proceso de galvanizado de metales de la corporacin Iadiexport

(Fuente: datos propios).

Posterior al decapado se tiene el tanque de enjuague de volumen 3000 L y con agua de pH

oscilante entre 6-7, le sigue el tanque con una solucin de fluxado, sal doble de cloruro de

amonio (NH4Cl) y cloruro de cinc (ZnCl) en proporcin 55-45% respectivamente, con un

volumen de 3000 L y valores de pH oscilantes entre 4 y 5. Se debe sealar que adyacente al

tanque de fluxado se tiene uno donde se preparan estas soluciones, que slo se emplea para el

fluxado cuando hay un gran volumen de produccin.[1]

En la seccin de ganchos, posterior al fluxado, se cuelgan las piezas para sersumergidas en el horno, entre las cuales se destacan las bandas, bridas, perchas, barras y crucetas;

Para esto se tienen doce gancheras con garfios de metal para colgar las piezas que son

transportadas mediante una gra situada en el techo del galpn de la unidad de

galvanizado.Tambin se emplean jaulas donde se colocan productos que por su tamao no

pueden ser colgados por algn extremo, y es necesario acostarlos para la inmersin. [1]


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Luego de que las piezas son acomodadas en la seccin de ganchos, pasan al horno de

galvanizado, que opera a temperaturas de 470 a 650 C dependiendo del producto con el que se

trabaje. Consta de una cmara de combustin capaz de soportar temperaturas de hasta 1460 C,

dotada de un quemador de 1500 BTU y revestida internamente con cemento refractario de 140

mm de espesor. En el interior y debajo de la cmara de combustin, la cuba est revestida conladrillos refractarios y aislantes de alta densidad, con unas dimensiones de 2,5; 2,05 y 0,9 m de

largo, ancho y profundidad respectivamente, que contiene un volumen de 4,6 m 3

aproximadamente de cinc fundido.[1]

Una vez galvanizadas las piezas, si estas son pequeas como tornillos, tuercas o bridas, se

introducen en una centrifugadora de marca Barett y capacidad 75 Kg que remueve el exceso de

cinc presente, sumergindolas por ltimo en el tanque de enfriamiento ubicado al final de la lnea

de proceso, de 3000 L de capacidad y dimensiones 1x0,75x4 m de ancho, alto y largo

respectivamente; Si las piezas son grandes se trasladan directamente al tanque. En la figura 2.2 se

muestra el horno y el tanque de enfriamiento usado en la planta.[1]

Figura 2.2 Horno para galvanizado (a) y tanque de enfriamiento (b) (Fuente: datos propios).

(a) (b)


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CAPTULO III.

MARCO TERICO

3.1 Sistemas de enfriamiento

Actualmente en las industrias qumicas y de procesos se utilizan distintos equipos para

retirar el calor de las aguas empleadas en la corriente de produccin. Entre dos de los equipos de

ms uso se tienen: Las torres de enfriamiento y los intercambiadores de calor enfriados por aire

(ICEA) tambin llamados aeroenfriadores. La seleccin de la unidad de enfriamiento es en base a

los requerimientos de produccin de la planta, por ejemplo: rango de temperatura del fluido a

enfriar, espacio disponible para el equipo, presiones de operacin, caudales de los fluidos, etc; y

en base a los costos asociados a construccin, operacin y mantenimiento. A continuacin se

describen los dos sistemas de enfriamiento mencionados con anterioridad.

3.1.1 Torres de enfriamiento

Para el enfriamiento del agua, uno de los procesos ms rpidos y eficientes consiste en

rociarla hacia el aire en unos equipos industriales denominados torres de enfriamiento, donde la

transferencia de calor se lleva a cabo por dos mecanismos: a) Transferencia por calor latente,

debido a la evaporacin de una porcin de agua y b) Transferencia de calor sensible, por la

diferencia de temperatura entre el aire y el agua. El modo entonces de disipar calor es de tipo

evaporativo, ya que por lo general el 80 % del calor transmitido corresponde al latente y el 20%

al sensible.[3]

Debido al calor neto transferido del agua al aire, las diferencias de temperaturas

alcanzadas entre la entrada y salida del agua por lo general se encuentran en los siguientes

rangos:[4]

a)

Rangos extensos 13,8-36,1 Cb) Rangos medianos 5,6-13,8 C

c) Rangos pequeos 2,8-5,6 C

Los rangos extensos son frecuentemente utilizados por torres de enfriamiento en

refineras e industrias metalrgicas, los medianos en plantas de generacin de energa y los

pequeos para los efectos de refrigeracin y acondicionamiento de aire.[4]


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A fin de lograr retirar la carga calrica requerida en cada aplicacin y, en consecuencia,

enfriar el agua a la temperatura deseada, se dispone de distintos tipos de torres de enfriamiento.

Para seleccionar el equipo adecuado es necesario conocer el funcionamiento de cada una as

como sus ventajas y limitaciones, a continuacin se describen los tipos ms usados en la

actualidad, entre los cuales se tiene: Torres de circulacin natural y torres de tiro mecnico.

a)

Torres de circulacin natural

Dentro de este grupo se encuentran las torres de tipo atmosfrico y las de

circulacin natural. Las primeras constan de un sistema de distribucin de agua colocado

en la parte superior de la estructura, que la libera mediante aspersores y enfra por la

accin de los vientos, ya que no emplea ventiladores para crear flujo de aire a travs de la

torre[3]

. En las segundas (de tiro natural) el flujo de aire se obtiene de las diferencias dedensidades entre el aire ms fro del exterior y el hmedo del interior de la torre, donde el

agua se libera a travs de un sistema de distribucin de agua por aspersores como en el

caso anterior. Los dos tipos de torres tienden a ser relativamente altas, aunque las de tiro

natural se emplean en zonas donde la humedad y la temperatura del aire atmosfrico son

bajas y donde los costos de energa para potencia de los ventiladores son altos. En la

figura 3.1 a) y b) se observan las torres atmosfrica y de circulacin natural [5].

b) Torres de tiro mecnico

Las torres de tiro mecnico emplean uno o varios ventiladores para proveer flujo

de aire a travs de toda la estructura, el calor es transferido por conveccin forzada, por lo

tanto el desempeo trmico de este tipo de equipos tiende a ser mejor y es afectado por

menos variables ambientales (velocidad del viento, humedad y temperatura del aire) por

esto son el tipo de torre de mayor uso en la industria. Se clasifican en: Torres de tiro

forzado o inducido.

[3,5]


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Figura 3.1 Diferentes arreglos para torres de enfriamiento.[4]

En la torre de tiro forzado, el ventilador se monta en la base desde donde se

impulsa el aire a la parte superior, donde se descarga a bajas velocidades. Esta disposicin

tiene la ventaja de ubicar el ventilador y el motor propulsor fuera de la torre, sitio muy

conveniente para la inspeccin, el mantenimiento y la reparacin de los mismos; adems

el ventilador no est sometido a condiciones corrosivas porque est fuera de la parte

superior caliente y hmeda de la torre [3]. Sin embargo, debido a la baja velocidad de

descarga del aire, la torre est sujeta a una recirculacin excesiva de vapores hmedos desalida que retornan a las entradas de aire, lo que reduce el desempeo del equipo y

ocasiona el incremento de la temperatura del agua fra.[5]

La torre de tiro inducido tiene el ventilador ubicado en la parte superior de la

estructura, evitando problemas de recirculacin de vapores y permitiendo una distribucin

interna ms uniforme del aire. Esta clase de torre est dividida a su vez en diseos en


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contraflujo y flujo transversal, para el primero el aire circula verticalmente hacia arriba

mientras el agua lo hace hacia abajo y en el segundo el aire ingresa por un lado de la torre

fluyendo horizontalmente a travs del agua que cae. Tantos las torres de tiro forzado e

inducido se muestran en la figura 3.1 c), d) y e). [3,5]

3.1.2 Intercambiadores de calor enfriados por aire

De entre los equipos de enfriamiento, uno de los de mayor uso en las industrias qumicas,

petroqumicas y de procesos, son los aeroenfriadores o intercambiadores de calor enfriados por

aire (ICEA), con los cuales se transfiere calor de un fluido (lquido o gas) directamente al

ambiente mediante el empleo de uno o ms ventiladores que impulsan el aire hacia un haz de

tubos, aletados o no, por los cuales circula el fluido. Observe la figura 3.2 donde se muestra un

ICEA empleado en la industria qumica.[3]

El creciente uso de los aeroenfriadores se atribuye a la posibilidad de tratar casi cualquier

fluido en un amplio rango de presiones y temperaturas de operacin. Estos equipos, tambin

disminuyen las prdidas de agua ya que consumen slo entre el 10 y 20 % de la empleada por

otros sistemas tradicionales, con ahorros de energa hasta del 20% y capaces de alcanzar iguales

temperaturas de salida del fluido a enfriar [6]. Por otra parte, resultan muy tiles cuando la

naturaleza del fluido cause problemas frecuentes de taponamiento o corrosin y cuando la

expansin de los sistemas de enfriamiento en planta sean necesarios. En trminos econmicos,inicialmente los ICEA son ms caros que otros equipos de enfriamiento por agua, sin embargo el

costo de mantenimiento es de 0,3-0,5 veces menor.[7]

Durante la vida til del equipo se ahorra mucho por el suministro continuo de agua

tratada, lo que disminuye el gasto operacional diario. Incluso con los ventiladores apagados

(recirculando solamente el agua), estas unidades son capaces de remover por conveccin natural

entre el 15 y el 35 % del calor de diseo, dependiendo del rango de temperaturas de la corriente

de proceso entrando al aeroenfriador [7]. A parte de los elevados costos de manufactura de estetipo de equipos, es importante tener presente que ocupan reas relativamente grandes y presentan

problemas de sobrecalentamiento por el efecto de las prdidas de calor que puedan tener los

equipos circundantes y que afecten el desempeo trmico del aparato. [8]


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Figura 3.2 Intercambiador de calor enfriado por aire (ICEA).[8]

3.1.2.1 Elementos de un Intercambiador de calor enfriado por aire.

Entre los elementos principales que conforman un ICEA se tienen los siguientes: Baha,

cabezales, tubos y ventiladores. Estos son explicados brevemente a continuacin.[6]

Baha

Son uno o ms bancos de tubos enfriados por uno o ms ventiladores incluyendo soportes,

caja de viento y otros accesorios. Existen diferentes arreglos de baha que se pueden emplear en

los aeroenfriadores, pueden estar dispuestos en serie o en paralelo de acuerdo a los

requerimientos del servicio. Un esquema del arreglo de las bahas se muestra en la figura 3.3. [6]


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Figura 3.3 Arreglos de bahas para intercambiadores de calor por aire. a) Una baha b) Dos bahas

en paralelo.[6]

Cabezales

Es el recipiente donde se introduce o colecta el fluido distribuido por los tubos. Los

cabezales pueden ser de tapn, de cubierta o de cubierta soldada. El cabezal rectangular, tambin

conocido como de tapn, consiste en una lmina con tubos, una plancha superior, una inferior y

una externa, as como de una cubierta que debe ser soldada o atornillada; si sta es soldada, los

orificios deben ser taladrados y roscados en posicin a cada tubo para efecto de mantenimiento de

los mismos. El orificio de tapn opuesto a cada tubo permite la expansin del tubo en la lmina,

limpieza mecnica y taponado en caso de que se produzcan fugas en el sello. [6]

El cabezal de cubierta removible es usado para fluidos con altos factores de

ensuciamiento y muy viscosos. Se emplea tambin con fluidos de proceso altamente corrosivos,

donde se deben hacer revisiones peridicas de la permisividad de la corrosin.[6]

Por ltimo se tiene el cabezal de cubierta soldada, cuyo uso ms frecuente es en servicios

especiales como condensadores de amonaco, de fren y condensadores de vaco. Una ventaja de


27/104

este diseo es la construccin totalmente soldada que provee el sellado perfecto requerido para

tales aplicaciones. En la figura 3.4 se muestra un cabezal de cubierta soldada o removible y uno

de tapn.[6]

Figura 3.4 Cabezal de cubierta soldada o removible (a) y Cabezal de tapn (b).[8]

Tubos

Los tubos en los intercambiadores de calor enfriadores de aire pueden ser sin aletas o con

aletas hasta de 0,016 m de altura, dependiendo del servicio. Las aletas pueden estar incrustadas

sobre el tubo, revestidas en cortes canalizados en espirales o soldadas sobre este. El dimetro

mnimo aceptable del tubo es de 25,4 mm o 1 pulgada. Existen diversos materiales en que se

puede fabricar los tubos, por ejemplo acero, cobre o bronce.Por lo general los tubos se emplean

en haces rectangulares que contienen varias filas, en un espaciado triangular. La transferencia decalor generalmente es en contracorriente, el fluido caliente entra por la parte de arriba del haz

mientras el aire fluye verticalmente hacia arriba.[6]

Los haces pueden ser fabricados tan anchos como 3,6 m y profundidades de 8 filas;

usualmente las dimensiones mximas son impuestas por los requerimientos de transporte, los

haces estndar vienen disponibles en longitudes de 2,4; 3,5; 4,60; 6,10; 7,30; 10,40 y 12,20 m.

(a)

(b)


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Los haces pueden estar superpuestos, colocados en paralelo o en serie para un servicio especfico,

en general mientras el tubo sea ms largo y el nmero de filas de tubos mayores, la transferencia

de calor ser mejor aunque el costo aumente un poco. [9]

Ventiladores

Los tamaos usuales de ventiladores van de un rango de 1,2 m a 9 m de dimetro. El

nmero de ventiladores recomendados por baha es de dos, ya que de esta manera se tiene mayor

confiabilidad y menores costos, sin embargo, en la industria hay equipos que tienen ms de dos

ventiladores por baha, el nmero de estos aparatos depende del caudal de aire necesario para

disipar calor del fluido.[9]

3.1.2.2 Tipos de intercambiadores de calor enfriados por aire.

Tiro inducido

Hace referencia a una configuracin en la que el haz de tubos se localiza en el lado de la

succin del ventilador. Presenta las siguientes ventajas y limitaciones.[9]

Ventajas:[9]

Mejor distribucin de aire a travs del haz.

Menor posibilidad de recirculacin de aire caliente en la entrada. El aire caliente

se descarga corriente arriba aproximadamente 2,5 veces la velocidad de entrada o

sobre 7,62 m/seg o 1500 ft/min.

Se incrementa la capacidad en la condicin de falla en el ventilador ya que el

efecto de torre de tiro natural es mucho mayor.

Debido a que el tnel de viento cubre el 60% del rea de cara del haz, se reducen

los efectos del sol, lluvia y granizo.

Limitaciones:[9]

Si el aire de salida es muy caliente, el ventilador requiere mayor potencia.


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La temperatura del aire de salida debe limitarse a 366,5 K, para prevenir daos a

las paletas del ventilador, cojinetes u otro componente mecnico que est en la

corriente de aire caliente.

Los ventiladores son menos accesibles para el mantenimiento, ya que se ubican

del lado de salida del aire caliente. Por otra parte los tneles de viento deben serremovidos para reemplazar los haces.

Cuando la temperatura de entrada al proceso excede los 450 K, debe considerarse

el diseo de tiro forzado, porque durante la operacin con ventilador apagado, las

paletas del ventilador y los cojinetes estarn sujetos a altas temperaturas.

Tiro forzado

En esta configuracin el haz de tubos est localizado en el lado de la descarga delventilador.Para estos equipos se tienen las siguientes ventajas y limitaciones.

Ventajas:[9]

Si el aire de salida es muy caliente hay posibilidad de requerir una menor potencia

de los ventiladores empleados en el equipo.

Mejor accesibilidad a los componentes mecnicos para mantenimiento, as como a

los haces para reposicin. Soporta mayores temperaturas de entrada del proceso.

Limitaciones:[9]

Distribucin de aire menos uniforme a travs del haz.

Mayor posibilidad de recirculacin de aire caliente, debido a la baja velocidad de

descarga de los haces, velocidad de entrada al aro del ventilador elevada,

Baja capacidad de tiro natural en caso de falla del ventilador.

Total exposicin de los tubos al sol y lluvia.

En la figura 3.5 se muestran los componentes de un intercambiador de calor enfriado por

aire, as como sus tipos ya mencionados con anterioridad: Tiro forzado e inducido.


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1. Ventilador 5. Haz de tubos

2. Tnel de viento 6. Motor

3. Boquilla 7. Columna Soporte

4. CabezalFigura 3.5 Componentes tpicos de un intercambiador de calor enfriado por aire (arriba de tiro inducido,

debajo de tiro forzado). [8]

3.2 Normas y cdigos usados para el diseo del intercambiador de calor enfriado por aire

Cdigo ASME

La obra Rules for Construction of Pressure Vessels, Division I (Reglas para laConstruccin de Recipientes a Presin), que forma parte de la seccin VIII del American

Society of Mechanical Engineers (ASME) (Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos), sirve

como cdigo de construccin al proporcionar normas mnimas que definen el diseo de calderas

y recipientes a presin, esto permite obtener una buena seguridad, costo razonable y una

adecuada operacin del equipo. El cdigo ASME sirve para establecer comparaciones entre


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recipientes a presin de distintos fabricantes, fijar mtodos de construccin, espesor de materiales

y estndares de fabricacin.[11]

La norma ASME contempla los requerimientos mnimos que se deben cumplir al disear

un intercambiador de calor enfriado por aire. Los elementos del ICEA que deben ser calculados

por este cdigo son:[11]

Los cabezales de cubierta removible o de tapones, as como los espesores de las

respectivas placas.

Espesor de los tubos y boquillas.

Norma API

La obra Air Cooled Heat Exchangers for General Refinery Services (Intercambiadores

de Calor Enfriados por Aire para Servicios Generales de Refinera) conocida como API 661, que

publica el American Petroleum Institute (Instituto Americano de Petrleo) complementa el

cdigo ASME. Esta normativa es empleada para seguir criterios y pautas de diseo tales como

estandarizacin de tamao de aletas, temperaturas y presiones de diseo entre otras cosas.[6]

La norma API 661, se publica como una ayuda para la procura tanto de materiales como

equipos estandarizados, y se debe utilizar como una gua al escribir las especificaciones de

compra de equipos.[6]

3.3 Herramienta computacional de diseo Aspen B-JACversin 10.2

El sistema de computacin Aspen B-JAC, de la compaa Aspen Technology, es un

software de ingeniera con una cantidad de programas para el diseo trmico, mecnico y

estimacin de costos para intercambiadores de calor y recipientes a presin. Posee una amplia

base de datos para las propiedades fisicoqumicas de los diferentes fluidos comnmente usados

en intercambiadores de calor, as como para metales y otros materiales de construccin [12]. A su

vez incluye las principales normas y cdigos que son usados en la construccin de estos equipos,

en el anexo 1 se muestra una descripcin del programa as como de sus pantallas y formularios.

Entre los principales componentes del programaAspen B-JACversin 10.2 se tienen:


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Programas de diseo[12]

Aspen Hetran

TM. Diseo trmico de intercambiadores de tubo y carcasa.

Aspen TeamsTM. Diseo mecnico, estimacin de costos y planos de

intercambiadores de calor de tubo-carcasa y recipientes a presin.

Aspen AerotranTM. Diseo de intercambiadores de calor enfriados por aire.

Base de datos y programas de soporte[12]

Props. Base de datos de propiedades Fisicoqumicas.

Priprops. Programa para la construccin de base de datos privadas de Props.

Metals. Base de datos para propiedades de los metales.

Primetals. Programa para la construccin de base de datos privados de metales. Ensea. Hoja de seleccin de tuberas.

Qchex. Programa para estimacin de costos.

Draw. Interfaz grfica para planos.

Defmates. Programa para seleccin de materiales.

3.3.1 Fundamentos tericos del programa Aspen Aerotran

El programaAspen Aerotran, emplea las siguientes relaciones y principios de transferencia

de calor para el diseo de intercambiadores de calor enfriados por aire.

Determinacin de carga calrica

El calor que va a ser disipado por el intercambiador de calor enfriado por aire es un factor

esencial que no slo afecta el tamao del equipo, sino tambin su eficiencia; si la carga calrica

no es determinada con exactitud el equipo puede resultar muy grande o pequeo para el trabajo

requerido. La cantidad de calor proveniente del proceso productivo se calcula con la ecuacin 3.1

para el fluido a enfriar, calor que debe ser igual al retirado por el fluido de menor temperatura

(determinado con la ecuacin 3.2). Las temperaturas de entrada del agua y el aire, as como la de

salida del agua, son conocidas por lo general en el diseo, sin embargo en muchos casos se

necesita encontrar la temperatura de salida del aire o suponerla. [12]


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= , . ( , ,) Ec. 3.1 = . , . ( , ,) Ec. 3.2

Determinacin del rea de transferencia de calor

En funcin del calor a retirar por parte del equipo, se calcula el rea de transferencia de

calor, para lo que se siguen dos mtodos. El primero se conoce como mtodo de diferencias de

temperaturas media logartmica (DTME), donde el rea calculada est dada segn la ecuacin 4.3

y que depende del tipo de intercambiador segn su operacin, es decir, operan en flujo paralelo,

contraflujo o flujo cruzado. En este caso se trabaja con un intercambiador de flujo cruzado, donde

el agua circula por los tubos y aire perpendicular a este que fluye de manera ascendente. La

DTME obtenida segn la expresin 3.4, emplea un factor de correccin f que depende del

arreglo del intercambiador a disear.[12]

= . Ec. 3.3

= . ,,( , ,)ln

,

,

( , ,)

Ec. 3.4

La expresin 3.3 representa un fenmeno de transferencia de calor de conduccin-

conveccin en un intercambiador de calor de dos fluidos, donde la tasa de transferencia de calor

es proporcional al rea (A) y la diferencia de temperatura media logartmica entre los fluidos. Se

utiliza el valor del coeficiente de transferencia de calor global (Uo), que es supuesto a partir de

tablas o libros para las condiciones de operacin a las cuales trabajar el intercambiador de calor.

Se asume al inicio un valor de (Uo), de manera que el rea determinada a partir de este mtodo se

denomina rea supuesta y debe ser corroborada mediante otro procedimiento de clculo. Las

dimensiones del intercambiador se estiman al inicio a partir del rea supuesta, a su vez se puede

seleccionar en el programa el largo de los tubos, su dimetro y el arreglo para que permitan la

transferencia de calor que necesita la aplicacin.[12]


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El segundo mtodo para el clculo del rea, denominado clculo de las resistencias

trmicas, se basa en las propiedades del fluido, los factores de ensuciamiento y las condiciones de

operacin. En principio, se calcula el coeficiente Uo, luego se emplea la carga calrica y

diferencia de temperaturas media logartmica (ambos ya obtenidos con anterioridad) para la

estimacin del rea, llamada rea requerida por ser la obtenida a partir de las propiedades delfluido. Se tienen las expresiones 3.5 y 3.6 para el coeficiente de transferencia de calor global y el

rea.[12]

1

= . +.

+.

ln ( )

2 + +1

Ec. 3.5

= . Ec. 3.6

Se compara por ltimo el rea requerida con la supuesta, si los valores son parecidos no es

necesario una modificacin del diseo, de lo contrario se deben repetir los clculos y

redimensionar el equipo hasta que coincidan ambos valores. [12]

3.4 Confiabilidad del diseo.Referido a la parte del diseo de los equipos que toma en consideracin los principales

modos de falla reportados para un equipo en particular, as como las variables operacionales y de

planta que los originan, con el objetivo de establecer normas para prevenir su ocurrencia durante

el tiempo de vida til de las unidades. De esta manera la instalacin o sistema puede cumplir su

funcin dentro de los lmites de diseo, de acuerdo al contexto operacional especfico y durante

un tiempo determinado.[13]

Debido a que se disea en base a los modos de fallas o los daos ms comunes en serviciopara los equipos, se deben explicar cada uno de estos a fin de poder establecer criterios para

prevenir su ocurrencia. Para los sistemas de enfriamiento ya mencionados se tienen los siguientes

modos de falla.[13]


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3.4.1 Modos de falla para sistemas de enfriamiento

Considerar los mecanismos y modos de falla de los sistemas de enfriamiento, resulta

fundamental al momento de seleccionar los materiales de dichos equipo, dado que permite tomar

medidas preventivas en cuanto a la vida til del sistema. En s, son tres los problemas en los

sistemas de enfriamiento: corrosin (tanto de las tuberas como de la carcasa del equipo),ensuciamiento e incrustaciones y acumulacin de impurezas. Cada problema depende de los

factores que se muestran en la tabla 3.1.[14]

Tabla 3.1 Problemas de los sistemas de enfriamiento. [15]

Corrosin Acumulacin Ensuciamiento

Oxgeno y otros gases

disueltos

Caractersticas del agua Temperatura

Slidos disueltos o en

suspensin

Temperatura Alcalinidad

Alcalinidad Velocidad de flujo Cantidad de compuestos

formadores de

incrustaciones

Velocidad del agua Corrosin Cantidad total de slidos

disueltos

Temperatura Contaminantes del proceso ---------

3.4.1.1 Corrosin

La corrosin es el fenmeno de destruccin de los metales y aleaciones por interaccin yasea de tipo qumico o electroqumico, con el medio ambiente que los rodea; interaccin mediante

la cual los metales pasan a formas ms estables de existencia como lo son xidos o sales. El

proceso as descrito, hace que los materiales metlicos pierdan parcial o totalmente las

propiedades fsicas y mecnicas para los cuales fueron diseados. En los sistemas de

enfriamiento de uso industrial, se pueden tener daos por corrosin en las tuberas, entre el acople


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de la tubera y la carcasa, o en el armazn del equipo si no est debidamente protegido y el medio

ambiente es agresivo. Entre los principales mecanismos de fallas por corrosin reportados se

tienen los mencionados en la tabla 3.2.[2]

Tabla 3.2 Mecanismos de falla por corrosin.[2]

Mecanismo de falla Descripcin

Corrosin uniforme o general Adelgazamiento continuo, no localizado de

un metal, debido al contacto prolongado con

el ambiente, que a menudo deja un producto

u xido sobre la superficie del material.

Corrosin por pares galvnicos Generada por dos metales de potencialesdiferentes que son puestos en contacto en un

electrlito, debido a la diferencia de

potencial entre estos, el menos noble se

corroe preferencialmente.

Corrosin por hendiduras

Corrosin por picadura

Forma localizada de dao que ocurre en

zonas confinadas de la pieza donde el

electrlito se acumula, estableciendo unadiferencia de concentracin en la pieza

donde el lugar de menor potencial se corroe

preferencialmente.

Forma de ataque localizado que produce

hoyos o agujeros muy pequeos en un

metal, debido a la accin de iones cloruro

(Cl -). Se produce en agujeros, inclusiones,

y defectos superficiales.

La corrosin es afectada a su vez, por la alcalinidad o acidez, la velocidad del agua, la

temperatura, el oxgeno y los slidos disueltos o en suspensin.


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Alcalinidad o acidez (pH):La acidez o baja alcalinidad produce corrosin al aumentar la

velocidad de disolucin de los metales y pelculas de xido sobre las superficies metlicas;

incluso con un pH neutro (7,0) oalcalino (7,5) el agua puede ser corrosiva.[2]

Velocidad del agua: Una velocidad demasiada elevada aumenta la corrosin

suministrando ms oxgeno al metal y arrastrando los productos de la corrosin, adems detambin causar erosin de las superficies metlicas, pelculas protectoras y xidos. Por su parte,

cuando la velocidad es demasiado baja la deposicin de los slidos en suspensin puede

aumentar la corrosin al formarse pilas de corrosin localizada.[2]

Temperatura: El aumento de temperatura tiende a amplificar el ataque corrosivo. La

velocidad de las reacciones de corrosin se duplica para un aumento de temperatura de 14 a 17

C hasta alcanzar los 70 C [2]. Sin embargo, por encima de 70 C los aumentos de temperatura

tienen poco efecto sobre la corrosin debido a que la solubilidad del oxgeno en agua disminuye.

Oxgeno y otros gases disueltos: El oxgeno disuelto en el agua es esencial para la

reaccin catdica y el flujo de corrientecorrosiva. Otros gases que pueden afectar son el CO2,

H2S, SO2.[2]

Slidos disueltos o en suspensin:Los slidos disueltos pueden afectar a la reaccin de

corrosin y en consecuencia producir un aumento de la conductividadelctrica del agua. Cuantos

ms slidos disueltos haya, mayor ser la conductividad y msposibilidades habr de corrosin.

A su vez, los slidos en suspensin pueden influir sobre la corrosin por actuar como erosivos o

abrasivos y pueden sedimentar sobre las superficies metlicas formando pilas de corrosinlocalizadas.[2]

3.4.1.2 Acumulacin de impurezas y ensuciamiento o incrustaciones de tuberas

Las materias que producen acumulacin de impurezas son muy diversas y en ocasiones

pueden constituir un severo inconveniente que adems se agrava cuando existe formacin de

incrustaciones. Aunque el agua no produce este problema, si lo hacen las materias disueltas y en

suspensin que sta contiene. Asimismo, un aumento de la temperatura incrementa la tendencia aacumular impurezas. Las superficies de transferencia de calor que tienen una temperatura ms

alta que la del agua de enfriamiento son las ms expuestas a este fenmeno. [15]

Por otra parte, a bajas velocidades de flujo (0,3 a 0,91 m/seg) la acumulacin de

impurezas puede ocurrir debido a la natural sedimentacin de la materia en suspensin; mientras

que a mayores velocidades de flujo (0,91 metros por segundo y superiores) aunque puede haber


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acumulacin de impurezas, sta generalmente es menos severa debido a que la materia en

suspensin es arrastrada.[15]

As mismo, la corrosin producida por ataque de oxgeno, dosis excesiva de cido o la

capacidad natural de corroer que tiene el agua sin tratar, puede formar productos de corrosin

insolubles que se mezclan con la suciedad y contaminaciones de proceso, agravndose laacumulacin de impurezas.[15]

Si existen prdidas de productos del proceso o arrastre de algn contaminante (arena,

tierra, restos de metales, entre otras) stas pueden ocasionar importantes problemas de

acumulacin de impurezas debido a que se depositan como productos insolubles, actan como

agentes nutrientes y reaccionan con incrustaciones, corrosin o inhibidores para formar

impurezas insolubles.[15]

Entre las materias que producen acumulacin de impurezas estn los lodos, limos, arcilla

y arena que pueden entrar con el agua de aportacin o bien pueden ser recogidas del aire por el

agua que pasa por el sistema de enfriamiento, que separa las partculas y gases solubles del aire,

tendiendo a sedimentar las partculas en puntos del sistema donde la corriente es lenta. Estos

mismos contaminantes se incorporan a depsitos de incrustaciones y otros tipos de suciedad. [15]

Otros productos que ocasionan acumulacin de impurezas son los que se forman al existir

corrosin, siendo generalmente hidrxidos de hierro u hidrxidos de otros metales que estn

presentes en el agua.[15]

En el caso de las incrustaciones y ensuciamiento de las tuberas, estas se definen como la

acumulacin y crecimiento de materiales indeseables predominantemente inorgnicos, que se

forman por una sobresaturacin de los constituyentes solubles del agua sobre la superficie de la

tubera producto del paso del fluido durante un cierto perodo de operacin. [15]

Cuando la temperatura se incrementa la mayor parte de sales disueltas aumentan su

solubilidad. Sin embargo, algunos compuestos como el carbonato clcico disminuyen su

solubilidad depositndose a temperaturas ms altas.[15]

As mismo, un cambio en la alcalinidad puede afectar mucho la formacin de

incrustaciones. Cuando la alcalinidad aumenta, el carbonato clcico disminuye en solubilidad y

se deposita. Algunos compuestos como el sulfato clcico son menos solubles a bajas

alcalinidades.[15]


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Por otra parte, cuando la cantidad de compuestos formadores de incrustacin disueltos en

el agua excede el punto de saturacin, comienza el crecimiento de incrustaciones. Las

incrustaciones pueden incrementarse al aumentar la cantidad total de slidos disueltos. En

general, un aumento de la concentracin inica disminuye la solubilidad de los compuestos que

pueden depositarse.

[15]

En los sistemas de agua de enfriamiento, pueden encontrarse incrustaciones del tipo

carbonato clcico que es la ms corriente encontrada y que se forma generalmente sobre las

superficies de transferencia de calor, como resultado de la descomposicin trmica del in

bicarbonato, ya que la mayor parte del calcio est en forma de bicarbonato [15]. El carbonato

clcico tiene una solubilidad inversa, o sea que disminuye su solubilidad al aumentar la

temperatura y adems es muy poco soluble en agua. [15]

Por otra parte, pueden encontrarse incrustaciones de sulfato clcico, que tambin tiene unacurva de solubilidad inversa pero que es mucho ms soluble que el carbonato clcico, no

constituyendo normalmente un problema de formacin de incrustaciones. No obstante, si el agua

tuviera un gran contenido en sulfatos podran formarse incrustaciones de sulfato clcico. [15]

Las incrustaciones de slice por su parte, no se encuentran normalmente pero podran

formarse si la concentracin excediera de 150 a 200 ppm de xido de silicio SiO2. La cantidad de

slice aumenta proporcionalmente a los ciclos de concentracin. As mismo, las sales magnsicas

comoel hidrxido magnsico o el silicato magnsico son compuestos que se podran depositarcomo resultado de una co-precipitacin con las sales clcicas [15]. Sin embargo, no es normal

encontrarse con depsitos de sales magnsicas ya que las condiciones para que ello ocurra no se

suelen dar, y como son un pH superior a nueve y cantidades altas de sales magnsicas. [15]

Los depsitos de hierro o manganeso pueden constituir un problema si el contenido de

estos elementos en el agua de aportacin es elevado [15]. El hierro en solucin est en forma

ferrosa y no ocasionara problemas, pero al airearse o clorarse el agua, as como si se aadiera

cualquier producto oxidante el hierro ferroso soluble se convierte en hierro frrico insoluble queproduce hidrxidos u oxihidrxidos [15]. Estos depsitos se adhieren a las superficies metlicas o

se combinan con otros compuestos formando depsitos en lneas o equipos de intercambio

trmico.

Por ltimo, las incrustaciones y lodos de fosfatos son productos de la reaccin entre los

polifosfatos y los elementos que se encuentran normalmente en el agua, como el calcio y el


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magnesio. La solubilidad del fosfato clcico es bastante baja mientras que la del fosfato

magnsico es alta [2,15]. El fosfato de hierro puede ser un problema si el contenido de hierro es

alto. Los lodos de fosfatos son ms corrientes que las incrustaciones y son productos de la

reaccin entre el ortofosfato y cationes como el calcio, magnesio o hierro.

Las incrustaciones de fosfatos se forman cuando existen las condiciones adecuadas paraprecipitar el fosfato clcico, que dependen de la temperatura, el pH y los contenidos en

ortofosfatos, calcio, magnesio o hierro.[15]

Ahora bien, como consecuencia de los problemas de incrustaciones y ensuciamiento,

aumenta la resistencia trmica, la cada de presin y la potencia necesaria del sistema de bombeo.

Ambos efectos se combinan y disminuyen la eficiencia de los sistemas de enfriamiento, hasta el

punto que se puede necesitar reemplazo de los tubos y paradas por mantenimiento y limpieza.

Las incrustaciones afectan el consumo de energa en el proceso y tambin influyen sobre

la cantidad de material adicional necesario para compensar la prdida en transferencia de calor

por ensuciamiento, a su vez condicionan los criterios de limpieza y mantenimiento para prevenir

el taponamiento de tubos.[14]

En particular para un sistema de enfriamiento constituido por un ICEA, tiene que

considerarse adems el factor de ensuciamiento externo de los tubos, producto de todas las

partculas que arrastra el aire y que estn presentes en el ambiente industrial como tierra, arena,

polvo, pequeos restos de metal, entre otros; y aunque el factor de ensuciamiento externo engeneral es menor al interno, se considera al momento de disear.

En trminos econmicos el ensuciamiento de los tubos causa un aumento en los costos

iniciales, costos de operacin y afectan el desempeo trmico del intercambiador, por ende

siempre deben ser considerados en el diseo inicial del intercambiador. [14]

3.5 Seleccin de materiales

Cuando se seleccionan materiales para la construccin de intercambiadores de calor se

tienen las siguientes pautas: revisin del proceso de operacin, requerimientos funcionales de los

materiales y costos; a fin de que el equipo tenga un desempeo adecuado y una larga vida til. [14]


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3.5.1 Revisin del proceso de operacin

En esta etapa se realiza una revisin exhaustiva de las condiciones de operacin tpicas a

las cuales ser sometido el equipo, como temperatura, presin y cambio de fases del fluido. Los

parmetros a considerar por parte del diseador son los siguientes:[14]

a)

Ambientales: Naturaleza y composicin del fluido a manejar. Se tiene en

consideracin el pH, cantidad de impurezas, slidos en suspensin, porcentaje de

oxgeno, conductividad y presencia de alguna otra sustancia importante como

sulfuros, cloruros, hierro, zinc, etc.

b) Presin: Valor del promedio o rango tpico de presin a la que estar sometido el

equipo.

c)

Velocidad: Referido al rgimen de flujo (laminar, turbulento) y la velocidad delfluido.

A parte de la temperatura y presin de operacin, otros factores como los arranques y las

paradas por mantenimiento deben ser considerados.

3.5.2 Requerimiento funcional de los materiales

Al seleccionar los materiales se debe tener en cuenta algunos requerimientos funcionalesque pueden influir sobre el servicio del equipo, como los que se mencionan a continuacin: [14]

a) Esfuerzo: Resistencia a la traccin, torsin, compresin, flexin, corte, cizalladura,

fluencia y rotura.

b) Propiedades Fsicas: El diseo puede requerir ciertas propiedades peculiares de los

materiales (trmicas, elctricas, acsticas, etc.) como: coeficiente de expansin

trmica, conductividad trmica, modulo de elasticidad, gravedad especfica, entre

otras.c)

Resistencia a la temperatura: Comportamiento del material ante temperatura de

servicio, las cuales pueden ser muy elevadas, intermedias o muy bajas.

d) Estabilidad geomtrica: La rigidez de la estructura y la resistencia a la carga

sostenida.


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e) Dureza: Representa la resistencia de los materiales a ser deformados plsticamente

de manera localizada (por ejemplo frente a una abolladura o una raya).

f) Resistencia a la corrosin: Compatibilidad de los materiales con los fluidos de

proceso, al contacto con materiales de otros componentes y resistencia al

ambiente.g) Desgaste y Abrasin: Capacidad del material a resistir daos sobre su superficie,

producto del contacto con otro material o la accin de partculas externas sobre

este.

h) Manufactura: Facilidad con la que es forjado, soldado, taladrado, maquinado o con

la que se le aplica algn tratamiento trmico.

3.5.3 Costos

En trminos econmicos, se requiere seleccionar los materiales con la adecuada

combinacin de propiedades y que resulte lo ms barato posible. Una vez que se ha seleccionado

un tipo de material que cumpla con las condiciones de diseo se compara con otros posibles

candidatos en funcin del costo por parte. [14]

Adems de seguir este criterio, para la seleccin de materiales de intercambiadores de

calor se emplean dos estrategias. La primera consiste en escoger aquellos materiales de costo

mnimo, los cuales pueden ser reemplazados en paradas peridicas y teniendo en cuenta el

control de la corrosin. En la segunda se escoge el material que sea ms resistente a la corrosin a

pesar de lo alto del precio, en este caso se reducen las paradas por reemplazo y adems de esto se

incrementa la vida til del equipo [14] . Por ltimo se consideran los costos de manufactura, los

cuales a veces modifican la seleccin del material por ser muy alta la inversin para fabricar el

equipo.


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CAPTULO IV

MARCO METODOLGICO

Para el diseo del sistema de enfriamiento se llevaron a cabo algunas mediciones de

campo y una investigacin documental, con las cuales se realiz la seleccin y diseo del sistemade enfriamiento adecuado para la Corporacin Iadiexport C.A.

4.1 Mediciones de campo

Se realiz el monitoreo de la temperatura y pH del agua del tanque de enfriamiento de las

piezas metlicas en el departamento de recubrimientos de metales durante nueve das laborales,

en los cuales se registr en intervalos de una hora (salvo en casos donde se tom alguna medicin

adicional, porque se detuvo la produccin o se cambi el tipo de producto a enfriar), a fin detener un control del aumento de la temperatura en funcin del tipo de producto a enfriar en planta

y las condiciones de operacin de la Unidad de Galvanizado; de esta manera establecer el calor a

retirar por parte del equipo y las temperaturas a la cual se disea el sistema de enfriamiento.

Cabe sealar que las mediciones realizadas en planta se hicieron durante nueve das

porque en este lapso de tiempo se trabajaron la mayora de los productos galvanizados en el

Departamento de Recubrimiento de Metales. En el anexo 2 se muestra el total de las mediciones

realizadas, tanto de las temperaturas como el registro de los productos enfriados.

En la tabla 4.1 se presentan los valores de las mediciones de temperatura y pH del agua

del tanque de enfriamiento de tres das de trabajo, los cuales corresponden a los das donde se

registraron los menores, medios y mximos valores de temperatura alcanzados por el agua;

Tambin se menciona el tipo de producto (pieza o parte metlica) con que se trabaj durante ese

da. Estos valores son reportados porque representan los extremos de la produccin en el

Departamento de Recubrimientos de Metales.


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Tabla 4.1. Registro de temperaturas y pH para el agua del tanque de enfriamiento ( Fuente:

datos propios)

Viernes 16/04/2010 Hora de inicio de medicin 9:00 am Hora final de medicin 4:20 pm

Hora Temperatura (C) pH Pieza Total de

piezas

Peso de una

pieza (Kg)

Peso total

(Kg)

8:00 am 39,9 6 Tornillos

corrugados

2947 0,097 283

9:00 am 43 7

10:00 am 48,5 7

11:00 am 48,9 7 TuercaHexagonal

11000 0,01 55

11:10 am 50 7 Barra deanclaje

180 3,05 549,3612:00 pm 55,1 7 Barra de

anclaje12:50 pm 61,8 7

02:05 pm 59,6 703:00 pm 57,5 7

04:00 pm 50,8 7

04:20 pm 50 7

Promedio de pH 6,9 Peso total de piezas/da (Kg) 887,36

Lunes 26/04/2010 Hora de inicio de medicin 8:00 am Hora final de medicin 5:00 pm


piezas

Peso de

Unidad

(Kg)

Peso total

(Kg)

8:00 am 40,1 7 Banda 3-

3.1/2 2H

3390 0,347 1176,33

9:00 am 53,4 7

9:30 am 58,7 6 Perchas p/5

aisladores L

903 5,2815 4153,32

10:00 am 57 7

11:00 am 62,5 7

12:00 pm 69,2 7

01:00 pm 78,6 7

02:00 pm 68,2 7

03:00 pm 75,5 7

04:00 pm 80,1 7

05:00 pm 80,9 7

Promedio de pH 6,9 Peso total de piezas/da (Kg) 5329,7


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Tabla 4.1. (continuacin) Registro de temperaturas y pH para el agua del tanque de

enfriamiento (Fuente: datos propios)

Mircoles 28/04/2010 Hora de inicio de medicin 07:30 am Hora final de medicin 4:00 pm


piezas

Peso de

Unidad

(Kg)

Peso total

(Kg)

07:30 am 40,1 7 Tornillo

corrugado

5/8x3C

8562 0,1232 1054

8:00 am 50,6 7

9:00 am 63,3 7 Tornillo p/T

transformador

300 0,15 45

9:10 am 64 7 Barra de anclaje

5/8x1800C

218 3,052 665,34

10:00 am 66,1 7 Base

p/seccionador

monopolar L

302 2,7781 839

11:00 am 70,8 7 Perchas p/4

aisladores L

303 4,23 1281,95

12:00 pm 73,7 7

01:00 pm 77,3 7

02:00 pm 72,1 7

03:00 pm 72,5 7 Bandas 4-4.1/2

3H P

1000 0,43 430

04:00 pm 74,4 7

05:00 pm 72,4 7

Promedio de pH 7 Peso total de piezas/da (Kg) 4315,3

De la tabla anterior se puede observar que en el da lunes veintisis de abril, se registr al

final de la jornada laboral el mximo valor de temperatura, el cual fue de 80,9 C con un pH de 7

para el agua. Debido a que se galvaniz la mayor cantidad de kilos de piezas metlicas, por endeel aporte de calor fue ms elevado para el agua.


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4.2 Pautas para la seleccin del sistema de enfriamiento

Para el enfriamiento de las aguas se consideran dos equipos, los intercambiadores de calor

enfriados por aire y las torres de enfriamiento. Sin embargo, previo a la eleccin de alguno de

estos equipos, se deben revisar los requerimientos del proceso a fin de verificar cul cumple o se

ajusta mejor a las exigencias operacionales de la Corporacin Iadiexport. Entre los requisitosbsicos de diseo se tiene:

1. El equipo no debe tener unas dimensiones mayores a los 4,60 m de alto, 4 m de largo y 3

m de ancho, debido a que es ste el espacio disponible en la planta para colocar la unidad.

2. El equipo debe ser capaz de operar a un caudal de agua de 1 Kg/seg, el cual se calcul

asumiendo un 20% ms de agua que la contenida en el tanque, esto con el objeto de darle

flexibilidad al diseo en caso de que se haga una posible expansin en planta de la

cantidad de agua a utilizar para enfriar las piezas. La determinacin de la cantidad de aguase muestra en el apndice A.

3. La diferencia de temperatura entre la entrada y salida del agua debe ser de 35 C.

4. El sistema debe ser capaz de recircular y tratar el agua, es decir pasar de una calidad

pobre del agua a una aceptable. Para eso disminuir el ndice de saturacin o Langelier,

0,5, y el contenido de oxgeno en el agua.

Partiendo de estos requerimientos generales, se pueden analizar las condiciones bajo las

que operan las torres de enfriamiento y los intercambiadores de calor enfriados por aire, con el finde seleccionar el sistema ms adecuado.

Se conoce que las torres de enfriamiento manejan flujos de agua en el rango de 1,5 L/seg

o hasta 1000 L/seg, para las torres de tiro mecnico y natural respectivamente y permiten

alcanzar diferencias de temperatura de 15 a 36 C desde la entrada a la salida del fluido a enfriar;

Aunque las torres de enfriamiento cumplen con los requisitos 2 y 3 del proceso, las estructuras

alcanzan alturas de 5,5 m a 12,2 m, para disminuir la temperatura del agua en un rango de 5-6C,

y por lo tanto no cumplen con el requerimiento de diseo 1.

[3]

As mismo, este tipo de sistema de enfriamiento consume cerca del 80 % del agua que

ingresa al sistema, ya que el modo de disipar calor es del tipo evaporativo; lo que dificulta el

ahorro de agua necesario en planta (tampoco satisface el requerimiento 4 mencionado).[5,16]

Para el caso de los intercambiadores de calor enfriados por aire, estos sistemas manejan

diferentes rangos de temperaturas dependiendo de la aplicacin, por lo general se pueden obtener


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diferencias de temperatura desde la entrada a la salida del fluido de proceso de 25-50 C. Estas

unidades por lo regular operan con eficiencias entre 75-90% [17]y permiten la recirculacin del

agua con solo un consumo de 10 a 20 % del total que ingresa, tienden a ser equipos largos ms no

muy altos, con un tiempo de vida en servicio de 10 aos de acuerdo a lo establecido en la norma

Air Cooled Heat Exchangers for General Refinery Services (Intercambiadores de CalorEnfriados por Aire para Servicios Generales de Refinera) conocida como API 661. Ofrecen

tambin la ventaja de que pueden emplearse en circuitos cerrados de circulacin de agua por lo

que se pueden disear e implementar en el espacio disponible en la Unidad de Galvanizado de la

Corporacin Iadiexport.

El mantenimiento y costo de operacin del aeroenfriador es menor al de las torres de

enfriamiento, a su vez la operacin est menos sujeta a variables ambientales en comparacin a

las torres. As, se puede observar que los intercambiadores de calor enfriados por aire son equipos

ms idneos para la Corporacin Iadiexport, por lo que son el sistema seleccionado en el presente

trabajo. Las ventajas del ICEA frente a las torres de enfriamiento se resumen en la tabla 4.2. [3]

En la tabla 4.2 se observa, que los ICEA pueden disearseen ambientes con temperaturas

mnimas de 38 C (es decir localidades donde la temperatura ambiental pueda tener valores de 38

o 40 C, por ejemplo) lo que ofrece la ventaja de enfriar fluidos que se encuentren a temperaturas

superiores a la ambiental; las torres por otra parte no poseen esta ventaja ya que el enfriamiento

est sujeto a un mayor nmero de variables ambientales (sobre todo en el caso de las torres de

tiro natural donde no se usan ventiladores para el enfriamiento).

Tabla 4.2 Caractersticas de las torres de enfriamiento e intercambiadores de calor

enfriados por aire.[11]

Torre ICEA

Precio de construccin

(Bsf/$)

86000/20000 275200/64000

Temperatura ambiental

mnima en los meses ms

calurosos del ao (C)

35 38

Tabla 4.2 (Continuacin). Caractersticas de las torres de enfriamiento e

intercambiadores de calor enfriados por aire.


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Aplica a circuitos

cerrados

de recirculacin del agua

No S

Mantiene la temperaturaconstante de los fluidos a

la salida

No S(en condiciones optimas de

servicio)

4.3 Premisas para el diseo del intercambiador de calor enfriado por aire

Para el diseo del intercambiador de calor enfriado por aire se consideraron algunos

parmetros operacionales y criterios de diseo que son introducidos en el programa Aspen B-Jac,

los cuales no necesariamente corresponden a las condiciones de operacin del equipo, quepueden variar segn la jornada de trabajo, decisiones en planta por parte del ingeniero a cargo o

mantenimiento del equipo.

En primer lugar, se seleccion el intercambiador de calor enfriado por aire de tipo

forzado, debido a que esta configuracin requiere menos caballos de fuerza para una elevacin de

la temperatura en el aire superior a los 28 C; es sabido que los equipos mecnicos como

ventiladores y sus componentes estn ms accesibles para mantenimiento y no estn expuestos al

aire caliente de escape, al mismo tiempo que el soporte estructural es menor[3,18]

. Por otra parte,las unidades de tiro inducido son descartadas cuando la recirculacin del aire caliente sea un

problema y cuando no se requieren pequeos acercamientos entre la temperatura del aire

entrando y a la de salida del fluido a enfriar [6].

Para seleccionar la temperatura de entrada del agua al ICEA se hicieron varias mediciones

en campo de las temperaturas alcanzadas en el tanque de enfriamiento durante nueve das en los

cuales se galvanizaron piezas de diferentes tamaos del tipo centrifugados y colgados, los valores

mximos de las temperaturas alcanzadas son reportados en la tabla 4.3 junto con el pH del aguaal momento de la revisin. Como se observa en la fila seis, el agua llega incluso a 80,9 C, pero

en la prctica no se puede esperar a que el agua alcance una temperatura tan grande, debido a que

a los 70C la adherencia del recubrimiento de cinc en las piezas metlicas se pierde. Por ello, es

necesario disear el equipo para que sea capaz de operar a temperaturas menores; as al recircular

el agua del tanque al intercambiador esta no supera el lmite de 70 C. A su vez si se asume una


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temperatura de entrada superior a los 70 C, se est sobredimensionando el equipo, es decir, se

tiene un aparato ms grande al que requiere la planta, incurriendo as en prdidas econmicas

para la empresa.

Tabla 4.3. Temperaturas mximas del agua de enfriamiento de la Unidad de

Galvanizado (Fuente: datos propios)

Da Temperatura Mxima (C) pH

14/04/2010 73,8 6

15/04/2010 72,6 7

16/04/2010 61,8 7

21/04/2010 70,1 722/04/2010 64,6 7

26/04/2010 80,9 7

28/04/2010 77,3 7

3/05/2010 79 7

4/05/2010 66,5 7

Por otra parte, la temperatura de salida seleccionada para el agua es de 35 C, lo quepermite que no se incurran en mayores gastos para disminuir la temperatura del agua y que no se

afecte la calidad del galvanizado, por ejemplo llevarla a 25 C requerira mayor caudal de aire y

mayores potencias de los ventiladores, lo que se traduce en un gasto innecesario.

En el lado externo de los tubos, por donde circula el aire, se ha seleccionado una

temperatura de entrada al haz de tubos de 34 C, que corresponde al promedio de la temperatura

ambiental registrado durante los nueve das de mediciones. Estos valores se presentan en la tabla

4.4 junto con el valor promedio de temperatura.

En relacin a la temperatura de salida, se fija en 42 C, ya que es necesario darle de 8 a 10

C a la diferencia de temperatura del aire al ingresar y salir de los tubos para tener un ICEA

cuyas dimensiones no sean tan grandes, de esta forma es viable su construccin (lo cual no quiere

decir que no se pueda disear un equipo fuera de estas especificaciones, sino que

econmicamente es poco rentable) [3]. La presin de operacin introducida al programa para el


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diseo es de 20 psi (137895,1 Pa), debido a que el tanque de enfriamiento est abierto a la

atmosfera y se coloca un lmite de presin superior en un 30% para darle as flexibilidad al diseo

del equipo. Para el caso de la cada de presin permisible se toma el valor de 5 psi (34473,79

Pa), ambos parmetros de diseo tpicos de los aeroenfriadores [19].

Tabla 4.4 Temperaturas ambientales en la Unidad de Galvanizado (Fuente: datos

propios)

Da Temperatura ambiental (C)

14/04/2010 38

15/04/201034

16/04/2010 32

21/04/2010 36

22/04/2010 35

26/04/2010 33

28/04/2010 30

3/05/2010 29

4/05/2010 35

Promedio de las temperaturas 33,55634

Por otra parte, se asume que dentro de las tuberas del intercambiador de calor enfriado

por aire se tiene 100% de lquido. A su vez el aire que circula fuera de las tuberas es 100%

vapor, es decir, es aire seco.


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Tambin, se introducen dentro del programa Aspen B-Jac los valores de los coeficientes

de ensuciamiento del lado del agua y del aire que son: 0,00018 (m 2.K/W) y 0,000035 (m2.K/W)

respectivamente, los cuales son sugeridos por la norma de diseo PDVSA, INTEVEP-MDP-05-

E-01. Manual de diseo de proceso de transferencia de calor para intercambiador de calor-

Principios Bsicos, en la cual se establece que el factor de ensuciamiento interno de la tuberaaplica a equipos que manejan agua como fluido y son transportados a travs de tubos de

aleaciones ferrosas y no-ferrosas. Se trabajo con un factor de ensuciamiento disponible en normas

porque no se disponan de los recursos de laboratorio necesarios para realizar la caracterizacin

fisicoqumica del agua de enfriamiento utilizada para templar las piezas.

As mismo, son introducidos en el programa algunos datos geomtricos sobre las tuberas

y las aletas, los cuales son necesarios para el diseo del equipo. Existen diferentes tamaos de los

tubos del intercambiador, as como dimensiones de las aletas, sin embargo se han supuesto los

ms tpicos para el diseo de este tipo de equipos. As, se asume que el dimetro externo nominal

de los tubos es de 19,05 mm (o 3/4 in), el espesor de pared es de 2 mm y los tubos no presentan

costura. Para esta aplicacin se ha seleccionado tubos de este espesor para aumentar la

transferencia de calor hacia el ambiente, porque mientras ms delgados menor es la resistencia

trmica, por otra parte menor es el ensuciamiento o la acumulacin de impurezas sobre su

superficie. Se adquiere entonces un compromiso entre lo delgado de la tubera y la transferencia

de calor hacia el ambiente [9]. La vida de diseo considerada para los tubos del ICEA es de diez

aos, mientras que para el armazn o carcasa del equipo es de quince aos.

Las aletas han sido incluidas por dos razones. Primero la viscosidad del agua, a

temperatura y presin estndar, es menor a 10 cp (0,01 Pa.seg) y de acuerdo a lo establecido en el

documento PDVSA, INTEVEP-MDO05-E-3. Manual de diseo de proceso de transferencia de

calor para intercambiador de calor-enfriadores por aire, se hace necesario su inclusin. En

segundo lugar el coeficiente de

DISEÑO Y SELECCIÓN DE MATERIALES DE UN SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA PLANTA DE GALVANIZADO EN...

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