estudio de factibilidad de sustitución del circuito cerrado de

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA
ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DE SUSTITUCIÓN
DEL CIRCUITO CERRADO DE REFRIGERACIÓN DEL
TREN CONTINUO DE LAMINACIÓN
Por:
Ernesto Ciamariconi Rodríguez
INFORME DE PASANTÍA
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial
para optar al título de Ingeniero Mecánico
Sartenejas, Septiembre de 2.012
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA
ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DE SUSTITUCIÓN
DEL CIRCUITO CERRADO DE REFRIGERACIÓN DEL
TREN CONTINUO DE LAMINACIÓN
Por:
Ernesto Ciamariconi Rodríguez
Realizado con la asesoría de:
Tutor Académico: Prof. Carlos Moreno
Tutor Industrial: Ing. Pablo García
Tutor Industrial Suplente: Ing. Miguel Tomedes
INFORME DE PASANTÍA
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial
para optar al título de Ingeniero Mecánico
Sartenejas, Septiembre de 2.012
ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DE SUSTITUCIÓN
DEL CIRCUITO CERRADO DE REFRIGERACIÓN DEL
TREN CONTINUO DE LAMINACIÓN
Por:
Ernesto Ciamariconi Rodríguez
RESUMEN
En el presente trabajo se desarrolla y diseña una propuesta que permita solventar el actual
inconveniente que presenta el Circuito Cerrado de Refrigeración del Tren Continuo de
Laminación de la Planta SIDETUR – Antímano, el cual se puede identificar como el bajo
enfriamiento del fluido que provee el Air Cooler. Se generan varias propuestas y se realiza el
correspondiente estudio de factibilidad técnica a cada una, para elegir luego la más adecuada para
la empresa y las condiciones presentes. Las mismas se indican a continuación:
1. Unificación del Circuito Cerrado de Refrigeración con el Circuito de Refrigeración del
Horno.
2. Sustitución del componente de enfriamiento del Circuito Cerrado de Refrigeración,
Air Cooler, por la torre de enfriamiento que se encarga de enfriar el agua del Circuito
de Refrigeración del Horno, manteniendo ambos circuitos independientes.
3. Remplazar el Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración por una nueva torre de
enfriamiento.
4. Remplazo de todos los ventiladores del Air Cooler del Circuito Cerrado de
Refrigeración.
La propuesta más adecuada resulta ser la número 2, en la cual se propone eliminar el Air
Cooler y unir el sistema de tuberías con la torre de enfriamiento del Horno, pero de manera
independiente (una zona de bombeo para cada circuito de refrigeración).
Palabras Clave: Circuito Cerrado de Refrigeración, Air Cooler, Torre de Enfriamiento.
IV
DEDICATORIA
En honor a mi tutor industrial, ingeniero Pablo García, quien fue un gran apoyo y me dejó
una gran enseñanza. Donde quiera que se encuentre siempre será bien recordado. Que descanse
en paz y Dios lo tenga en su gloria.
A mi mamá, María Rodríguez Santos. Porque con tu esfuerzo y amor me impulsas a llegar
más lejos cada día.
V
AGRADECIMIENTOS
A Dios Todopoderoso. Por permitirme llegar hasta aquí y vivir mi vida de la mejor
manera que alguien hubiese podido desear. Gracias infinitas.
A mi mamá, porque gracias a tu apoyo alcanzo nuevamente otra de mis metas en la vida.
A mi hermano, Manuel A. Ciamariconi. Porque recordarme que hay muchos caminos por
recorrer.
Al profesor Carlos Moreno. Por la paciencia, el apoyo y toda la enseñanza.
A Alfredo Vasquez y Jhonathan Sulbarán. Por acompañarme durante toda la carrera
brindándome en todo momento su amistad incondicional e inolvidables momentos de distracción.
A María G. Rubilar, por todo el cariño y los buenos momentos juntos.
A David Gómez C. Por el apoyo y confianza durante nuestra época universitaria.
A todo el staff y miembros de AVAA, por acompañarme a lo largo de mi carrera dejando
al alance de mis manos todas las herramientas para ser un mejor ser humano y profesional.
A Valerie Trujillo, Luis Villazana, Arnó Geyer, Rudygar Saez, Jorge Briceño, Javier
Alejandro y todos los que me acompañaron en esta etapa de mi vida.
VI
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN
IV
DEDICATORIA
V
AGRADECIMIENTOS
VI
ÍNDICE GENERAL
VIII
ÍNDICE DE TABLAS
XII
ÍNDICE DE FIGURAS
XV
LISTA DE SÍMBOLOS
XVII
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1
Planteamiento del problema..................................................................................... 2
Alcance del proyecto ............................................................................................... 3
Objetivo general ....................................................................................................... 3
Objetivos específicos ............................................................................................... 4
Justificación e importancia del trabajo .................................................................... 4
CAPÍTULO 1: ENTORNO EMPRESARIAL ................................................................ 7
1.1
Reseña histórica Planta Antímano ......................................................................... 7
1.2
Productos de Planta Antímano ............................................................................... 7
1.3
Misión y Visión SIDETUR S.A............................................................................. 8
1.4
Estructura Organizativa SIDETUR S.A. ............................................................... 8
CAPÍTULO 2: CIRCUITO CERRADO DE REFRIGERACIÓN ............................. 12
2.1
Situación actual .................................................................................................... 27
2.2
Mantenimiento y fallas comunes ......................................................................... 32
VIII
CAPÍTULO 3: PLANTEAMIENTO DE PROPUESTAS ........................................... 33
3.1
PROPUESTA 1: Unificación del Circuito Cerrado de Refrigeración con el
Circuito de Refrigeración del Horno ......................................................................................... 34
3.2
PROPUESTA 2: Sustitución del Air Cooler por la torre de enfriamiento del
Horno, manteniendo ambos circuitos de refrigeración independientes. ................................... 38
3.3
PROPUESTA 3: Remplazar el Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración
por una nueva Torre de Enfriamiento ........................................................................................ 42
3.4
PROPUESTA 4: Remplazo de todos los ventiladores del Air Cooler del Circuito
Cerrado de Refrigeración........................................................................................................... 43
3.5
Ventajas y Desventajas de cada propuesta........................................................... 45
3.6
Selección de propuesta más adecuada ................................................................. 47
CAPÍTULO 4: EVALUACIÓN TÉCNICA DE PROPUESTA SELECCIONADA . 28
4.1
Resumen ............................................................................................................... 28
4.2
Factibilidad Técnica ............................................................................................. 51
4.2.1
Análisis de Mecánica de Fluidos ...................................................................... 51
4.2.2
Análisis de Transferencia de Calor .................................................................. 53
4.2.3
Condiciones de trabajo de la Torre de Enfriamiento........................................ 62
4.2.3.1 Método de Evaluación 1: Balance energético ................................................. 64
4.2.3.2 Método de Evaluación 2: Expresión provista por el fabricante y estudio previo
a la Torre de Enfriamiento. ........................................................................................................ 66
4.3
Cambios físicos al circuito actual ........................................................................ 69
4.4
Costos de Implementación ................................................................................... 73
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES............................................................. 75
Recomendaciones .......................................................................................................... 77
IX
REFERENCIAS ............................................................................................................... 79
APÉNDICES .................................................................................................................... 81
Apéndice A: Circuito Cerrado de Refrigeración. ........................................................... 861
A.1: Planos del Circuito Cerrado de Refrigeración.............................................................. 861
A.2: Plano de ubicación de equipos del Circuito Cerrado de Refrigeración. ......................... 86
A.3: Cama de Enfriamiento y Viga Refrigerada. ................................................................... 92
Apéndice B: Propuesta 1 – Unificación del Circuito Cerrado de Refrigeración con el
Circuito de Refrigeración del Horno. ................................................................................. 95
B.1: Arreglo de tuberías y cambios al sistema actual. ........................................................... 95
B.2: Resultados de Pipe Flow Expert. .................................................................................... 98
B.3: Cálculos y resultados referentes a transferencia de calor. ............................................ 111
B.4: Cálculos y resultados referentes a Torre de Enfriamiento. ........................................... 117
B.5: Cotizaciones. ................................................................................................................ 120
Apéndice C: Propuesta 2 – Sustitución del Air Cooler por la Torre de Enfriamiento del
Horno, manteniendo ambos circuitos independientes. ................................................... 125
C.1: Resultados de Pipe Flow Expert. .................................................................................. 125
C.2: Cálculos y resultados referentes a Torre de Enfriamiento. ........................................... 137
C.3: Cotizaciones ................................................................................................................. 139
Apéndice D: Propuesta 3 – Remplazar el Air Cooler del Circuito Cerrado de
Refrigeración por una nueva Torre de Enfriamiento. .................................................... 144
D.1: Arreglo de tuberías y cambios al sistema actual. ......................................................... 144
D.2: Resultados de Pipe Flow Expert................................................................................... 151
D.3: Cálculos y resultados referentes a transferencia de calor. ............................................ 163
D.4: Cotizaciones. ................................................................................................................ 166
Apéndice E: Estudio de factibilidad del remplazo de todos los ventiladores del Air
Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración. ............................................................... 172
E.1: Resultados de Pipe Flow Expert. .................................................................................. 172
E.2: Simulación de Air Cooler en HTRI para condiciones actuales .................................... 184
E.3: Simulación de Air Cooler en HTRI para condiciones propuestas ................................ 188
X
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1: Especificaciones del Air Cooler…….........................................................16
Tabla 2.2: Especificaciones de Bomba de la zona de bombeo……...............................17
Tabla 2.3: Equipos refrigerados por el Circuito Cerrado de Refrigeración……..............17
Tabla 2.4: Intercambiador de Calor A……………………………………………….…...19
Tabla 2.5: Intercambiador de Calor B……………………………………………….…...20
Tabla 2.6: Intercambiador de Calor C……………………………………………….…...20
Tabla 2.7: Calor disipado por intercambiador entre fluidos............……………….…...21
Tabla 2.8: Propiedades del Aceite..............................…………………………….…...21
Tabla 2.9: Caudales y flujos másicos actuales en los componentes del CCR..........…....22
Tabla 2.10: Temperaturas de salida de los fluidos según condiciones de diseño............23
Tabla 2.11: Temperatura mínima de la superficie de la viga refrigerada.......................24
Tabla 2.12: Valores utilizados en los cálculos...........................................................26
Tabla 2.13: Calor a retirar del sistema de canaletas dobles.............................................26
Tabla 2.14: Mediciones de Temperatura…….................................................................27
Tabla 2.15: Temperaturas de fluidos en los intercambiadores……................................31
Tabla 3.1: Calor promedio transferido al agua por cada componente.............................36
Tabla 3.2: Calor a extraer del sistema y capacidad de la torre de enfriamiento..............37
Tabla 3.3: Calor promedio transferido al agua por cada componente.............................40
Tabla 3.4: Calor a extraer del sistema y capacidad de la torre de enfriamiento..............40
Tabla 3.5: Resultados de la simulación del Air Cooler para condiciones dadas.............44
XII
Tabla 3.6: Resultados de los cálculos propios................................................................44
Tabla 3.7: Presentación de costos de las propuestas.......................................................45
Tabla 3.8: Ventajas de las Propuestas…….....................................................................46
Tabla 3.9: Desventajas de las Propuestas……................................................................46
Tabla 4.1: Especificaciones de la bomba de la propuesta 2..........................……..........51
Tabla 4.2: Intercambiador de Calor A…………………………………….....……........53
Tabla 4.3: Intercambiador de Calor B……....……………………………..……….......53
Tabla 4.4: Intercambiador de Calor C……....…………………………..………….......54
Tabla 4.5: Calor disipado por Intercambiador……........................................................55
Tabla 4.6: Propiedades del Aceite……..........................................................................55
Tabla 4.7: Pérdidas de Calor por Intercambiador al ambiente………..…….................56
Tabla 4.8: Temperaturas y Calor de Intercambiadores…………..……………..…........57
Tabla 4.9: Calor en Viga Refrigerada……………………………...………..…….........58
Tabla 4.10: Temperatura de Corrientes en Nodos (lado izquierdo del sistema)….........60
Tabla 4.11: Temperatura de Corrientes en Nodos (lado derecho del sistema)……...….61
Tabla 4.12: Temperatura de Corrientes en Nodos (llegada a Torre de Enfriamiento)….62
Tabla 4.13: Parámetros de Torre de Enfriamiento…………………………….…….......63
Tabla 4.14: Especificaciones de la Torre de Enfriamiento…………………….……......63
Tabla 4.15: Humedad relativa a la entrada y salida de la Torre de Enfriamiento……....65
Tabla 4.16: Flujo másico de aire para condiciones de trabajo especificadas....………....65
Tabla 4.17: Flujo másico de aire para condiciones de trabajo cercanas a la realidad…...66
Tabla 4.18: Calor que puede retirar la Torre de Enfriamiento……………………...…...67
Tabla 4.19: Calor a retirar caso con factor de seguridad elevado.……………………….68
XIII
Tabla 4.20: Calor a retirar caso más cercano a la realidad…………………..……..........68
Tabla 4.21: Costos de la propuesta seleccionada..............…………………..……..........74
XIV
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1: Organigrama de SIDETUR planta Antímano………………………….…9
Figura 2.1: Figura esquemática del proceso………………..…………………………10
Figura 2.2: Conjunto de Palanquillas…………………...…..………………...…....…10
Figura 2.3: Diagrama del Circuito Cerrado de Refrigeración de SIDETUR…………12
Figura 2.4: Distribución de tubos del Air Cooler………..……………………………14
Figura 2.5: Haz de tubos del Air Cooler ……………………………………..….……14
Figura 2.6: Isometría del Air Cooler realizada con AutoCAD®…….………..………15
Figura 2.7: Isometría del Air Cooler realizada con AutoCAD®…….………..………15
Figura 2.8: Sistema de canaletas dobles................................…….………..…...……24
Figura 2.9: Ubicación de ventiladores fuera de uso................…….………..….……28
Figura 2.10: Ventilador fuera de servicio por problemas con aspas......………..……29
Figura 2.11: Elevados niveles de ensuciamiento entre las aletas de los tubos....……29
Figura 2.12: Zona de bombeo y bombas......................................…….………......…30
Figura 3.1: Esquema del Circuito de Refrigeración del Horno.......…….………..….34
Figura 3.2: Esquema de la Propuesta 1.......................................…….………..….....35
Figura 3.3: Esquema de la Propuesta 2.......................................…….………..….....39
Figura 4.1: Montaje de nueva zona de bombeo.......................................…….……...49
Figura 4.2: Zona de bombeo actual.........................................................…….……...49
Figura 4.3: Lateral de la torre donde ubicar la nueva zona de bombeo....…….……...50
XV
Figura 4.4: Isometría de montaje de tuberías...........................................…….……...50
Figura 4.5: Modelo del Sistema de Tuberías en Pipe Flow®.................…….……....52
Figura 4.6: Balance de Energía en Torre de Enfriamiento.....................…….……....64
Figura 4.7: Tuberías a aislar...................................................................…….……....69
Figura 4.8: Montaje de tuberías de nueva zona de bombeo...................…….……....71
Figura 4.9: Dimensiones del segundo montaje de tuberías....................…….……....72
Figura 4.10: Lugar donde debería comenzar el segundo montaje de tuberías.……....72
Figura 4.11: Pared a atravesar por el segundo montaje de tuberías........…….……....73
XVI
LISTA DE SÍMBOLOS
α
Coeficiente de temperatura
[1/K]
A
Área
[m2]
Cp
Calor Específico
[J/kg*K]
Dcab
Diámetro de cabilla
[m]
Dsup
Diámetro de superficie
[m]
є
Emisividad
[-]
g
Aceleración de gravedad
[m/s2]
h
Entalpía
[kJ/kg]
k
Coeficiente de Conductividad Térmica
[W/m*K]
L0
Longitud inicial
[m]
Lf
Longitud final
[m]
̇
Flujo Másico
[kg/s]
σ
Constante de Stefan – Boltzmann
[W/m2*K4]
ρ
Densidad
[kg/m3]
P
Presión
[Pa]
Pr
Número de Prandtl
[-]
Qaceite
Calor referente al aceite
[W]
Qagua
Calor referente al agua
[W]
Qconvección
Calor por convección
[W]
XVII
Qradiación
Calor por radiación
[W]
Qtotal
Calor total
[W]
rcab
Radio de cabilla
[m]
rsup
Radio de superficie
[m]
Ra
Número de Rayleigh
[-]
Tcab
Temperatura de cabilla
[K]
Te
Temperatura de Entrada
[K]
Ts
Temperatura de Salida
[K]
Tsup
Temperatura de la superficie
[K]
ν
Viscosidad Cinemática
[m2/s]
XVIII
INTRODUCCIÓN
Los circuitos de refrigeración son sistemas diseñados para reducir la temperatura de uno o
varios sistemas involucrados con el fin de generar mejoras en un proceso. Los más comunes
trabajan con agua.
Siderúrgica del Turbio S.A. (SIDETUR), filial de Siderúrgica Venezolana S.A.
(SIVENSA), es una empresa siderúrgica de amplia trayectoria y aceptación a nivel nacional e
internacional, que tiene más de 60 años de experiencia en la manufactura y comercialización de
productos de acero (1).
SIDETUR Planta Antímano, es la instalación más antigua del grupo empresarial
SIVENSA, ubicada en la zona industrial de la Yaguara, Avenida Intercomunal de Antímano,
Dtto. Capital. Es en ésta Planta donde se realizaría la primera colada de acero venezolano el 4 de
noviembre de 1950 (1). Actualmente se encarga de la producción de cabillas y barras.
El tren continuo de laminación está relacionado con tres circuitos de refrigeración. Un
circuito que se encarga de refrigerar los rodillos de laminación a medida que el material caliente
pasa por ellos, un circuito para la refrigeración del horno y el Circuito Cerrado de Refrigeración
que se encarga de Centrales de Lubricación, tijeras y la cama de enfriamiento. Este último será el
caso de estudio ya que presenta una eficiencia por debajo de lo esperado, lo cual genera
problemas en los componentes a refrigerar y podría afectar la producción.
El Circuito Cerrado de Refrigeración está conformado por un Air Cooler, una zona de
bombeo y los equipos a ser refrigerados. Actualmente la temperatura a la que sale el agua del Air
Cooler no es la indicada para el proceso productivo ya que está por encima de lo esperado. El
2
rango de enfriamiento provisto por el Air Cooler es de 2°C aproximadamente, muy por debajo de
los 10°C necesarios. Es decir, el agua ingresa a 43°C y sale del equipo a 41°C. Lo esperado es
una diferencia de 10°C como mínimo.
El Air Cooler está conformado por dos bahías de 119 tubos cada una y cuatro
ventiladores. Se encarga de bajar la temperatura del agua que sirve como refrigerante para varios
intercambiadores de calor que enfrían el aceite de las tijeras y de las centrales de lubricación a lo
largo del tren continuo de laminación. A su vez esa agua sirve para refrigerar la cama de
enfriamiento, ubicada al final del tren continuo de laminación y donde descansan las cabillas
antes de ser cortadas por última vez. Las mismas llegan a una temperatura cercana a los 1000°C.
Al entrar el agua a esa temperatura a los equipos no se está logrando el intercambio de
calor deseado, lo cual genera elevadas temperaturas en las Centrales de Lubricación, en las tijeras
y en la cama de enfriamiento. Entre las consecuencias de esta situación se puede llegar incluso a
una paralización de la producción en el tren continuo de laminación.

Planteamiento del problema
Se presenta un enfriamiento insuficiente por parte del Air Cooler, lo cual
afecta la eficiencia en el Circuito Cerrado de Refrigeración y no se alcanzan
las temperaturas óptimas en los equipos a enfriar.
Al tenerse una baja eficiencia en el Circuito Cerrado de Refrigeración, los
equipos refrigerados por el mismo se encuentran operando en condiciones no
adecuadas, es decir, a temperaturas por encima de las admitidas en su punto de
operación. Lo cual podría acarrear problemas en la producción tanto a corto
como a largo plazo.
3
El sistema de canaletas dobles es uno de los componentes refrigerados por este
circuito. El mismo se encuentra ubicado en la cama de enfriamiento y es el
encargado de depositar las cabillas en dicha zona. Es refrigerado por una viga
de sección rectangular a través de la cual pasa el agua proveniente del Circuito
Cerrado de Refrigeración. Esta viga refrigerada está compuesta por 7 secciones de
6 metros cada una. Un aumento considerable en la temperatura del sistema de
canaletas dobles causaría una deformación en el mismo, lo que implicaría la
inmediata paralización del tren continuo de laminación.

Alcance del proyecto
El presente proyecto tendrá como alcance la evaluación y diseño de una propuesta
que permita optimizar el sistema de refrigeración de las canaletas dobles y demás
equipos que son refrigerados actualmente por el Circuito Cerrado de
Refrigeración.

Objetivo general
Generar y diseñar una propuesta que permita optimizar el circuito de refrigeración
del sistema de canaletas dobles, tijeras Star Stop y demás componentes
actualmente enfriados por el Circuito Cerrado de Refrigeración con el fin de
aumentar su capacidad de enfriamiento actual.
4

Objetivos específicos
1. Conocer el funcionamiento, mantenimiento y fallas comunes de los
componentes relacionados con el Circuito Cerrado de Refrigeración (Air
Cooler, Bombas, Intercambiadores de Calor, Viga Refrigerada).
2. Planteamiento de propuestas para el mejoramiento del Circuito Cerrado de
Refrigeración.
3. Estudio de factibilidad técnica de propuestas.
4. Elección de propuesta más adecuada.
5. Estudios de costos y diseño de propuesta preliminar seleccionada.

Justificación e importancia del trabajo
Si no se propone e implementa la mejora del circuito de refrigeración se tendrán
muchas paradas del tren continuo de laminación, lo cual afectará directamente la producción.
-
Es de vital importancia contar con un sistema de enfriamiento funcional y
con la capacidad de manejar cambios en la producción, de lo contrario debería
limitarse la misma a la capacidad de refrigeración actual.
-
Es necesario evitar que exista una elongación mayor a los 10mm lineales
en cualquier sección de las canaletas dobles ya que esto implicaría una
deformación al pasar la cabilla y un posterior choque o colapso entre ellas cuando
5
pase la siguiente. Ello implicaría la completa paralización del tren continuo de
laminación.
-
La recirculación de agua más caliente de lo esperado en el Circuito Cerrado
de Refrigeración disminuye la eficiencia de transferencia de calor en los
intercambiadores de las Centrales de Lubricación. Esto a su vez afecta
negativamente la temperatura de salida del aceite de dichos equipos. El aceite al
tener una temperatura elevada varía las propiedades de viscosidad y lubricación, lo
cual afectará a largo plazo las cajas reductoras en las cuales es empleado.
-
Las altas temperaturas del ambiente alrededor de los equipos representan
condiciones inseguras de trabajo para los operadores, y por ello deben regularse
con apoyo del sistema de enfriamiento.
-
Al no retirar eficientemente el calor de la viga refrigerada, existe un
incremento en la temperatura de la zona adyacente, es decir, en la cama de
enfriamiento, lo cual puede afectar equipos a largo plazo y perturbar el ambiente
de trabajo del personal que se encuentre cerca.
CAPÍTULO 1
ENTORNO EMPRESARIAL
Siderúrgica del Turbio, S.A.; SIDETUR, es filial de Siderúrgica Venezolana S.A.;
SIVENSA, la empresa pionera del sector siderúrgico nacional que desde su fundación en 1948,
ha estado ligada al desarrollo de la actividad industrial nacional. SIDETUR representa la
experiencia de más de 60 años en la manufactura y comercialización de productos de acero
destinados a los mercados nacional e internacional
(1)
.
Los fundadores y primeros accionistas fueron los señores Carlos Morales y Oscar
Augusto Machado, venezolanos, y los señores Miles Sherover, Robert Brinsmade y Warren
Smith, extranjeros, provenientes de Europa. Con una gran visión, sintieron interés por la industria
del acero como posible área de inversión, debido al hallazgo de importantes yacimientos de
mineral de hierro en la región de Guayana y también por la cantidad de chatarra generada por las
empresas petroleras. Calcularon las importantes ganancias que podrían lograrse con la
fabricación de cabillas de acero obtenidas de esta chatarra. Una pequeña planta Siderúrgica
alimentada por electricidad, sería la solución
(1)
.
1.1 Reseña histórica Planta Antímano
SIDETUR Planta Antímano, es la instalación más antigua del grupo empresarial
SIVENSA, ubicada en la zona industrial de la Yaguara, avenida intercomunal de Antímano, Dtto.
Capital, dedicada a superar con su excelencia siderúrgica las expectativas de sus clientes a
7
través del mejoramiento continuo de sus procesos y productos (1).
SIDETUR ha desarrollado su actividad exportadora en más de 25 países, cumpliendo con
normas: ASTM, JIS, DIN, BSI, CSA, JS, INEM y NBR, las cuales respaldan la calidad y
confiabilidad de sus productos (1).
En un principio SIDETUR Planta Antímano contaba con dos áreas: el área de la acería,
donde se fundía la chatarra ferrosa y briquetas destinadas a la producción de lingotes de acero, y
el área de laminación, en donde mediante un proceso de transformación plástica del acero, se
elaboran los productos finales de la empresa para lograr satisfacer los mercados. Sin embargo, en
1998 debido a la inversión en la repotenciación y actualización del tren continuo de laminación y
a la ampliación de la capacidad en la acería de Planta Barquisimeto, se produjo el cierre en las
labores de Acería Planta Antímano, por lo que la misma queda dedicada exclusivamente al
laminado de productos largos, esto con el fin de mejorar significativamente la competitividad de
la empresa (1).
1.2 Productos de Planta Antímano
Cabillas: Barras de acero rectas de sección circular, con resaltes en su superficie
regularmente espaciados con el fin de incrementar la adherencia con el concreto. Son utilizadas
como acero de refuerzo en aplicaciones tales como concreto reforzado y mampostería
estructural
(1)
. Las cabillas son fabricadas por laminación en caliente a partir de palanquillas y
tienen impreso sobre relieve una leyenda donde se muestra el símbolo del fabricante, el diámetro
de la barra y la clasificación o grado del acero. Las cabillas de SIDETUR han sido probadas bajo
las normas y condiciones más estrictas de uso como es la construcción de los túneles y estaciones
del Metro de Caracas y Valencia, y las obras civiles del Ferrocarril de los Valles del Tuy (1).
8
Barras: Producto de acero laminado en caliente de sección cuadrada o circular, de
acabado liso y uniforme, por lo cual no requiere mecanizado para mejorar su apariencia
(1)
.
Adicionalmente ofrece mayor soldabilidad y mejor resistencia al óxido. Son ampliamente
utilizadas en la carpintería metálica y en la industria metalmecánica, en los cerramientos por
seguridad, tales como rejas para puertas y ventanas, portones, en vigas de celosía y vigas de alma
abierta (1).
1.3 Misión y Visión SIDETUR S.A.
Misión: SIDETUR es una empresa siderúrgica que persigue activamente la satisfacción de
sus clientes mediante la manufactura, desarrollo y comercialización de sus productos, sustentada
en la calidad de su recurso humano, la competitividad en costos, la innovación y el mejoramiento
continuo de sus productos y procesos, con el fin de aumentar el valor de la empresa (1).
Visión: Ser líderes en nuestra área de influencia (1).
1.4 Estructura Organizativa SIDETUR S.A.
La organización mantiene una estructura piramidal descendente, funcional por unidades
departamentales, donde define claramente la jerarquía y la autoridad (1).
A continuación se muestra el organigrama:
9
Figura 1.1: Organigrama de SIDETUR planta Antímano
CAPÍTULO 2
CIRCUITO CERRADO DE REFRIGERACIÓN
El Tren Continuo de Laminación de la Planta SIDETUR – Antímano se encarga de la
fabricación de cabillas bajo altos estándares de calidad y el proceso de producción de manera
resumida se desarrolla a continuación.
Ingresa al
Palanquilla
Horno de
Recalentamiento
Pasa a
Corte a medida de
despacho
Bastidores
Almacenamiento
de producto
Figura 2.1: Figura esquemática del proceso
Las palanquillas son el material a deformar para la obtención de las cabillas. Son barras
de sección cuadrada, de 6m metros de largo y 600kg de peso aproximadamente. Son traídas del
interior del país (Barquisimeto, Edo. Lara) y están conformadas en un 75% por briquetas de
hierro y un 25% por chatarra. En la figura 2.2 se puede observar una foto de un conjunto de
palanquillas.
Figura 2.2: Conjunto de Palanquillas
11
La palanquilla entra al horno, de recalentamiento el cual se encuentra a 1300°C
aproximadamente y sale a una temperatura cercana a los 1200°C. Apenas sale empieza el
proceso de deformación, que la transformará en cabillas a la medida deseada.
A su paso por los castillos (bastidores) la palanquilla se va deformando plásticamente y
disminuyendo su área transversal; lo que aumenta la velocidad de la línea. Todos los castillos
impares tienen una caja de torsión que se encarga de rotar 90° el material sobre su eje, para lograr
de esta manera una deformación más uniforme, evitar pérdidas de propiedades y puntos de
fractura.
A partir del tipo de cabilla que se desea producir se designa un área de paso por los
rodillos y la forma de la misma. Los primeros castillos van en pares compartiendo la misma caja
reductora, pero no las mismas relaciones de transmisión. Éstos giran a una velocidad mucho más
baja que los siguientes debido a que tienen que hacer un esfuerzo mayor por empezar a deformar
el material.
Es de vital importancia la refrigeración de los rodillos deformadores, ya que se pueden
producir graves daños en los mismos de no hacerlo (desgaste no uniforme, resquebrajamiento y
agrietamiento del material). Estos rodillos son importados como cilindros lisos y en la empresa
son torneados a la medida requerida. Tienen una vida útil de aproximadamente 100mm radiales.
Los últimos castillos son los encargados de darle las marcas de estrías y de identificación
a las cabillas. Para las milimétricas se acostumbra la forma espina de pescado, mientras que para
las medidas en pulgadas se estila la forma en cruz.
12
Todas las cabillas son cortadas a 36m y depositadas en la cama de enfriamiento. Luego
serán cortadas a 6m para pasar al área de almacén y despacho. En la última parte del tren de
laminación se encuentran dos sistemas recibidores de las cabillas, el sistema de canaletas dobles y
los deslizadores, los cuales son los encargados de sacar el material de la línea de producción y
colocarlos en la cama de enfriamiento. El uso de uno u otro dependerá de la medida de la cabilla
que se esté produciendo en el momento; para medidas pequeñas se emplea el sistema de canaletas
dobles (de importancia en el estudio ya que es refrigerado por el Circuito Cerrado de
Refrigeración) y para medidas grandes se emplean los deslizadores.
El Circuito Cerrado de Refrigeración se encarga de enfriar varios componentes a
lo largo de la línea de producción del tren continuo de laminación. El hecho de que sea cerrado
implica que teóricamente no requiere de reposición de agua; en la realidad esto no es así, ya que
existen pérdidas por diversos motivos (pequeñas fugas, evaporación, entre otras). Un diagrama
del Circuito Cerrado de Refrigeración se puede observar en la figura 2.3.
Air Cooler
Circuito Cerrado de
Agua de
Reposición
Refrigeración
Zona de Bombeo
SIDETUR – Antímano
Equipos a ser Refrigerados
(Intercambiadores de Calor de Centrales de
Lubricación, tijeras y viga refrigerada)
Figura 2.3: Diagrama del Circuito Cerrado de Refrigeración de SIDETUR - Antímano
14
El Air Cooler es un equipo cuyas especificaciones se pueden apreciar en la
tabla 2.1. Es el encargado de disminuir la temperatura del agua del circuito por medio de
transferencia de calor con el aire
(2)
. Su funcionamiento es muy parecido al de un
radiador. Está compuesto por dos bahías idénticas de 119 tubos y 2 ventiladores cada una.
En las figuras 2.4 y 2.5 se pueden apreciar fotografías del mismo, así como una isometría
en las figuras 2.6 y 2.7. Para más figuras y detalles ver el apéndice A.1.
Figura 2.4: Distribución de tubos del Air Cooler
Figura 2.5: Haz de tubos del Air Cooler
15
Figura 2.6: Isometría del Air Cooler realizada con AutoCAD®
Figura 2.7: Isometría del Air Cooler realizada con AutoCAD®
16
Tabla 2.1: Especificaciones del Air Cooler
Tipo
Fabricante
Modelo
Año
Número de Tubos
Air Cooler
Primera Hilera
Segunda Hilera
Número de pasos por hilera
Diámetro de tubo (Pulgadas)
Tipo de Aleta
Diámetro de Aleta (Pulgadas)
Espacio entre Aletas (Milímetros)
Longitud de tubos (Metros)
Arreglo de tubos
Pitch (Pulgadas)
Número de Ventiladores
Potencia de Ventiladores (Hp)
Tipo de Ventilación
Diámetro punta a punta de Aspa
(Pulgadas)
Velocidad de Giro del Motor (rpm)
Relación de Caja Reductora
Número de Aspas
Longitud de Aspa (cm)
Área Total de Transf. De Calor por Bahía (m2)
Air Cooler
The Marley Company
1973
59
60
2
1 (2,54cm)
Circular Sencilla
2 (5,08cm)
3
11,8
Triangular
2,5 (6,35cm)
4
40 (29,83kW)
Tiro Forzado
142 (3,61m)
1770 (185,4rad/s)
4,10/1
9
135
25010,0
La zona de bombeo se compone de tres bombas iguales, cuyas
especificaciones se pueden observar en la tabla 2.2. Una de las bombas se encuentra
siempre operativa, mientras que las otras dos son para caso de emergencia.
17
Tabla 2.2: Especificaciones de Bomba de la zona de bombeo
Bomba
Tipo
Marca
Modelo
Tamaño
Caudal (GPM)
Diámetro del Impulsor (Pulgadas)
Potencia (Hp)
Velocidad de giro (rpm)
Presión de Descarga (bar)
Altura (pies)
Simple etapa, doble succión
Goulds
3410
4x6 - 15
1500 (0,0946 m3/s)
15,25 (38,74cm)
100 (74,6kW)
1780 (186,4rad/s)
6 (600kPa)
205 (62,48m)
Los equipos a refrigerar en el circuito se pueden apreciar en la tabla 2.3,
donde también se comentan algunas de sus funciones.
Tabla 2.3: Equipos refrigerados por el Circuito Cerrado de Refrigeración
UBICACIÓN
Entre C-28 y
C-29**
EQUIPO
Central de
Lubricación
Entre C-27 y
C-26
Central de
Lubricación
Entre C-25 y
C-24
Tijera
Entre C-22 y
C-21
Central de
Lubricación
Entre C-20 y
C-19
Central de
Lubricación
Entre C-18 y
C-17
Tijeras 27-1 y
27-2
FUNCIÓN
Lubricar con aceite las
cajas reductoras de los
castillos 1 y 2
Lubricar con aceite las
cajas reductoras de los
castillos 3 y 4
Corta la punta inicial de
la palanquilla al salir del
castillo 4
Lubricar con aceite las
cajas reductoras de los
castillos 5, 6, 7 y 8
Lubricar con aceite las
cajas reductoras de los
castillos 9 y 10
Corta la punta inicial y
final de las barras
OBSERVACIONES
La refrigeración provista
por el CCR* es por
medio
de
un
intercambiador de calor
del tipo tubo y coraza
La refrigeración provista
por el CCR es por medio
de un intercambiador de
calor del tipo tubo y
coraza
El CCR se encarga de
refrigerar el freno y el
aceite
18
UBICACIÓN
Frente a C- 15
EQUIPO
Central de
Lubricación
Doble
Entre C-14 y
C-13
Tijeras 33-1 y
33-2
Entre C-13 y
C-12
Central de
Lubricación
Entre C-8 y C-9
Central de
Lubricación
Doble
Central de
Lubricación
Viga
Refrigerada
Entre C-5 y C-4
Entre C-4 y
más allá de
C-1
Frente a C-1
Al final del tren
de laminación
Motores de la
cama de
enfriamiento
Deslizadores
FUNCIÓN
OBSERVACIONES
Lubricar con aceite las La refrigeración provista
cajas reductoras de los por el CCR es por medio
castillos 11, 12, 13 y 14
de un intercambiador de
calor del tipo tubo y
coraza para cada central
Trocear las barras que El CCR se encarga de
vengan defectuosas entre refrigerar el freno y el
otras funciones
aceite
Lubricación para las cajas La refrigeración provista
reductoras de los motores por el CCR es por medio
de la zona de alta de un intercambiador de
velocidad
calor del tipo tubo y
DL-260
coraza
Lubricar las tijeras 55-1,
55-2 y los CVIR-1 y
CVIR-2
Lubricación
Enfriar el sistema de Zona
que
mayor
canaletas dobles
transferencia de calor
genera en el CCR
Dar el movimiento a la Refrigeración de frenos
cama
y embragues por parte
del CCR
Encargados de mover las La refrigeración provista
cabillas a la zona donde por el CCR es por medio
serán flejadas
de un intercambiador de
calor del tipo tubo y
coraza
*CCR: Circuito Cerrado de Refrigeración
**En el Apéndice A.2 se puede apreciar un plano de la ubicación de los equipos
comentados anteriormente. La notación “C” es referida a Columna.
19
Se tienen tres tipos de intercambiadores de calor en el Circuito Cerrado de
Refrigeración, asociados cada uno con su respectiva bomba. Las especificaciones de los
mismos se pueden observar en las tablas 2.4, 2.5 y 2.6. Además se les asigna una
nomenclatura por letras para diferenciarlos más adelante.
Tabla 2.4: Intercambiador de Calor A
Intercambiador de Calor A
Tipo de Intercambiador
Marca
Modelo
Fluido que pasa por los tubos
Fluido que pasa por la coraza
Caudal de Aceite (m3/hr)
Diámetro de entrada de Agua (pulgadas)
Diámetro de entrada de Aceite (pulgadas)
Energía disipada (kW) para Aceite a 50°C y Agua a 15°C
Longitud de carcaza (mm)
Número de pasos de los tubos
Bomba para el Aceite
Tipo de Bomba
Diámetro de tubería de descarga (pulgadas)
Potencia (Hp)
Velocidad de Giro (rpm)
Tubo y Coraza
Sesino
MS 134 P1
Agua
Aceite
1,8 – 6
1,5 (3,81cm)
1,5 (3,81cm)
19 – 23
480
2
Axial
2 (5,08)
5 (3,73kW)
1145 (119,9rad/s)
20
Tabla 2.5: Intercambiador de Calor B
Intercambiador de Calor B
Tipo de Intercambiador
Marca
Modelo
Fluido que pasa por los tubos
Fluido que pasa por la coraza
Caudal de Aceite (l/min)
Diámetro de entrada de Agua (pulgadas)
Diámetro de entrada de Aceite (pulgadas)
Energía disipada (kW) para Aceite a 50°C y Agua a 15°C
Longitud de carcaza (mm)
Diámetro de carcaza (mm)
Número de pasos de los tubos
Bomba para el Aceite
Tipo de Bomba
Diámetro de tubería de descarga (pulgadas)
Potencia (Hp)
Velocidad de Giro (rpm)
Tubo y Coraza
Sesino
Agua
Aceite
2 (5,08cm)
2 (5,08cm)
1000
228
2
Axial
3 (7,62cm)
10 (7,45kW)
880 (92,2rad/s)
Tabla 2.6: Intercambiador de Calor C
Intercambiador de Calor C
Tipo de Intercambiador
Marca
Modelo
Fluido que pasa por los tubos
Fluido que pasa por la coraza
Caudal de Aceite (l/min)
Diámetro de entrada de Agua (pulgadas)
Diámetro de entrada de Aceite (pulgadas)
Energía disipada (kW) para Aceite a 50°C y Agua a 15°C
Longitud de carcaza (mm)
Diámetro de carcaza (mm)
Número de pasos de los tubos
Bomba para el Aceite
Tipo de Bomba
Diámetro de tubería de descarga (pulgadas)
Potencia (Hp)
Velocidad de Giro (rpm)
Tubo y Coraza
Sesino
Agua
Aceite
1 (2,54cm)
1.5 (3,81cm)
950
170
2
Axial
2 (5,08cm)
3 (3,73kW)
1710 (179,1rad/s)
21
En la tabla 2.7 se presenta el calor disipado por intercambiador de calor acorde a
valores provistos por el fabricante para niveles medios de ensuciamiento. Los
intercambiadores de calor son tubo y coraza con un pase por la coraza y dos por los
tubos, donde el aceite pasa por la coraza y el agua pasa por los tubos.
Tabla 2.7: Calor disipado por intercambiador entre fluidos
Calor disipado por los intercambiadores para Tac=50°C, Tag=30°C, Caudal
Agua>100lt/min
Calor (kW)
Tipo de Intercambiador
A
10
B
25
C
20
Se toman las propiedades de un aceite común mostradas en la tabla 2.8.
Tabla 2.8: Propiedades del Aceite (2)
T (K)
310
320
330
Propiedades de Aceite común (Flujo másico 1.2kg/s)
ρ (kg/m3)
Cp (J/kg*K)
k (W/m*K)
ν *10-6
2
(m /s)
877,9
1951
288
0,145
871,8
1993
161
0,143
865,8
2035
96,6
0,141
Pr
3400
1965
1205
Con el uso de PipeFlow® Expert se determinaron los caudales actuales del sistema
en cada punto. Los mismos se presentan en la tabla 2.9 junto con el
respectivo.
flujo másico
22
Tabla 2.9: Caudales y flujos másicos actuales en los componentes del CCR.
Ubicación
CDL 1
CDL 2
Tijera 16
CDL 3
CDL 4-1
CDL 4-2
Tijera 27
CDL 5-1
CDL 5-2
Tijera 33
CDL 6
CDL 7-1
CDL 7-2
Deslizador 1
Deslizador 2
Intercambiador de Calor
B
B
A
B
B
A
A
A
A
A
B
C
C
A
A
Caudal (lt/min)
198 (0,0033m3/s)
222 (0,0037m3/s)
216 (0,0036m3/s)
324 (0,0054m3/s)
168 (0,0028m3/s)
247 (0,0041m3/s)
235 (0,0039m3/s)
186 (0,0031m3/s)
156 (0,0026m3/s)
258 (0,0043m3/s)
126 (0,0021m3/s)
246 (0,0041m3/s)
66 (0,0011m3/s)
217 (0,0036m3/s)
217 (0,0036m3/s)
Flujo másico (kg/s)
3,3
3,7
3,6
5,4
2,8
4,1
3,9
3,1
2,6
4,3
2,1
4,1
1,1
3,6
3,6
Con el flujo másico y los valores de calor disipado por los intercambiadores es
posible determinar la temperatura de salida del agua y del aceite para las siguientes
condiciones:
-
Temperatura del agua de entrada 303.15K.
-
Pérdidas de calor con los alrededores despreciables.
Por medio de las ecuaciones 2.1 y 2.2 se despeja la temperatura de salida del
aceite y la temperatura de salida del agua respectivamente. Los resultados se muestran en
la tabla 2.10.
̇
̇
(2.1)
(2.2)
23
Tabla 2.10: Temperaturas de salida de los fluidos según condiciones de diseño
Intercambiadores de Calor de las Centrales de Lubricación, Tijeras y Deslizadores
Ubicación Agua
Aceite
Flujo Ganancia
Tipo de
másico Térmica
Te
Ts
Te
Ts
Intercambiador
del
en el
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
agua
agua
(kg/s)
(W)
30
32
46
36
3,3
25,000
CDL 1 – B
(303,15K) (305,15K) (319.15K) (309,15K)
30
32
43
33
3,7
25,000
CDL 2 – B
(303,15K) (305,15K) (316,15K) (306,15K)
30
31
63
59
3,6
10,000
Tijera 16 – A
(303,15K) (304,15K) (336,15K) (332,15K)
30
31
50
40
5,4
25,000
CDL 3 – B
(303,15K) (304,15K) (323,15K) (313,15K)
30
32
52
42
2,8
25,000
CDL 4-1 – B
(303,15K) (305,15K) (325,15K) (315,15K)
30
32
52
48
4,1
10,000
CDL 4-2 – A
(303,15K) (305,15K) (325,15K) (321,15K)
30
31
63
59
3,9
10,000
Tijera 27 – A
(303,15K) (304,15K) (336,15K) (332,15K)
30
31
49
45
3,1
10,000
CDL 5-1 – A
(303,15K) (304,15K) (320,15K) (318,15K)
30
31
52
48
2,6
10,000
CDL 5-2 – A
(303,15K) (304,15K) (325,15K) (321,15K)
30
31
63
57
4,3
10,000
Tijera 33 – A
(303,15K) (304,15K) (336,15K) (330,15K)
30
33
53
43
2,1
25,000
CDL 6 – B
(303,15K) (306,15K) (326,15K) (316,15K)
30
32
41
33
4,1
20,000
CDL 7-1 – C
(303,15K) (305,15K) (314,15K) (306,15K)
30
35
43
35
1,1
20,000
CDL 7-2 – C
(303,15K) (308,15K) (316,15K) (308,15K)
30
31
41
37
3,6
10,000
Deslizador 1 –
(303,15K) (304,15K) (314,15K) (310,15K)
A
30
31
41
37
3,6
10,000
Deslizador 2 –
(303,15K) (304,15K) (314,15K) (310,15K)
A
244,063
Total Ganancia Térmica (kW)
24
Se puede notar que la temperatura de salida del agua promedio sería de 305,15K
para estos equipos. En cuanto a la viga refrigerada, que es el componente que más calor
retira, es necesario determinar la temperatura máxima de superficie antes de obtener una
elongación de 10mm. La misma se obtiene de la ecuación 2.3. El resultado es mostrado
en la tabla 2.11.




Lf L0Tf T0  L01   Tf  T0 


(2.3)
Tabla 2.11: Temperatura máxima de la superficie de la viga refrigerada (Tf)
Lf (m)
L0 (m)
α (1/K)
T0 (K)
Tf (K)
A partir de ésta temperatura
6,01
6,00
8,31*10-6
300
500
máxima admisible en la viga refrigerada se
determina el calor necesario a retirar de la misma. En la figura 2.8 se muestra una
isometría del sistema de canaletas dobles.
Agua de
salida
Viga
Refrigerada
Agua de
entrada
Canaletas
dobles
Figura 2.8: Sistema de canaletas dobles
25
Las canaletas reciben las cabillas a una temperatura de 1000°C (1273,15K), por lo
que el calor transferido a la viga refrigerada (a través de la cual fluye el agua para
enfriar), está conformado por radiación y convección libre. Por medio de las ecuaciones
2.4 a la 2.9 se obtiene el valor del calor necesario a retirar.
Qtotal  Qrad  Qconv
(2.4)
 A   Tcab  Tsup

4
Qrad 
1
 cab
Qconv 

4

1   sup  rcab



 sup
 rsup 
2 3.14 6m keff
 Dsup 
ln

 Dcab 

 Tcab  Tsup
(2.5)

(2.6)
1
4
Pr
1
  F  Ra
keff  0.386k
  

cyl L
0.861

Pr


RaL 


g   Tcab  Tsup  Lc
2


4
(2.7)
3
 Pr
(2.8)
26
Fcyl 
  rsup  
 ln

  rcab  
4
3
 3


3
5
5

Lc   Dcab
 Dsup


5
(2.9)
En la tabla 2.12 se muestran los valores de las variables utilizadas en los cálculos.
Finalmente, el calor a retirar del sistema de canaletas dobles se presenta en la tabla 2.13.
Tabla 2.12: Valores utilizados en los cálculos
εcab
εsup
rcab (pulgadas)
rsup (pulgadas)
Tcab (°C)
Tsup (°C)
0,61
0,65
0,50 (0,0127m)
1,00 (0,0254m)
1000 (1273,15K)
70 (343,15K)
Tabla 2.13: Calor a retirar del sistema de canaletas dobles
Calor por sección (kW)
Calor Total (kW)
41,064
574,896
Para esta carga calórica y el flujo másico actual del sistema (0,0946m3/s), se
obtiene una temperatura de salida del agua de la viga refrigerada de 41°C (314,15K).
Acorde a esto, y los resultados de la temperatura de salida del agua de la tabla 2.10, se
tomará como caso desfavorable que el agua debería llegar al Air Cooler a una
temperatura de 40°C (314,15K). Por lo que mediante la ecuación 2.2 es posible
27
determinar la cantidad de calor que debe retirar el Air Cooler para que la corriente de
agua disminuya a 30°C (303,15K), la cual es la temperatura a la cual ingresa a los
equipos.
El calor que debe ser retirado del agua por el Air Cooler para un buen
enfriamiento e intercambio de calor en los componentes del Circuito Cerrado de
Refrigeración es 3.935,36kW.
2.1 Situación actual
Se tomaron tres mediciones de temperatura en diversos puntos para determinar el
funcionamiento actual del Air Cooler. Las mismas se muestran en la tabla 2.14.
Tabla 2.14: Mediciones de Temperatura
Fecha - Hora
TBS (°C)
TBH (°C)
Puntos de Medición
Bomba
del
Circuito
Cerrado de Refrigeración
Air Cooler
Tuberías de refrigeración
de las canaletas dobles
8/3/2012 – 9:40am
26 (299,15K)
21 (294,15K)
Temp. de Temp. de
Entrada
Salida
(°C)
(°C)
41
41
(314,15K) (314,15K)
43
41
(316,15K) (314,15K)
41
43
(314,15K) (316,15K)
15/3/2012 – 9:30am
25 (298,15K)
21 (294,15K)
Temp. de Temp. de
Entrada
Salida
(°C)
(°C)
41
41
(314,15K) (314,15K)
42
41
(315,15K) (314,15K)
40
42
(313,15K) (315,15K)
5/4/2012 – 10:00am
25 (298,15K)
21 (294,15K)
Temp. de Temp. de
Entrada
Salida
(°C)
(°C)
41
41
(314,15K) (314,15K)
43
41
(316,15K) (314,15K)
41
43
(314,15K) (316,15K)
Es de notar que el Air Cooler no disminuye la temperatura como debería
esperarse, es decir, a los 30°C (301,15K) que se comentaron en la sección anterior.
28
Se tomó la temperatura a la entrada y salida de las tuberías de refrigeración de las
canaletas dobles dado que éstas conforman el componente que más calor generan en el
Circuito Cerrado de Refrigeración.
Uno de los motivos por el cual existe poca eficiencia en la disminución de la
temperatura se debe a que por el momento sólo se encuentran operativos dos de los
cuatro ventiladores del enfriador de agua, ya que los otros dos presentan fallas mecánicas
y están inutilizables. Esto implica que el equipo está funcionando a la mitad de su
capacidad. En la figura 2.9 se muestra la ubicación de los ventiladores que se encuentran
fuera de uso.
Figura 2.9: Ubicación de ventiladores fuera de uso
Lamentablemente no se puede verificar el estado interno de los tubos que
conforman los haces. Probablemente se encuentren obstrucciones e incrustaciones
internas dado que no han recibido limpieza o remplazo. En las figuras 2.10, 2.11 y 2.12
se pueden apreciar algunas fotografías del estado actual.
29
Figura 2.10: Ventilador fuera de servicio por problemas con aspas
Figura 2.11: Elevados niveles de ensuciamiento entre las aletas de los tubos
30
Figura 2.12: Zona de bombeo y bombas
La bomba se encuentra operativa pero fuera de su punto de operación. Está
diseñada para trabajar hasta los 1400GPM (0,0883m3/s), según su curva de
funcionamiento; y se encuentra operando a los 1500GPM (0,0946m3/s). Esto fue
verificado con la ayuda Pipe Flow® Expert. Esta situación se presenta debido a que se han
realizado cambios en el sistema de tuberías del Circuito Cerrado de Refrigeración con el
pasar de los años pero se ha mantenido la misma bomba. Los cambios realizados más
importantes han sido:
-
Supresión de la zona de compresores, lo que implico el cierre de las tuberías
que se dirigían a refrigerar esa zona.
-
Supresión de una parte de la línea de rodillos que también era refrigerada.
-
Supresión de la refrigeración de un lateral del Horno.
-
Ampliación en un tercio de la longitud de la cama de enfriamiento
(actualmente de 36 metros).
31
A su vez, se tomaron las temperaturas de entrada y salida, del agua y del aceite,
de cada uno de los intercambiadores de calor de las centrales de lubricación y de los
deslizadores. Las mismas pueden observarse en la tabla 2.15.
Tabla 2.15: Temperaturas de fluidos en los intercambiadores
Ubicación
CDL 1
CDL 2
Tijera 16
CDL 3
CDL 4-1
CDL 4-2
Tijera 27
CDL 5-1
CDL 5-2
Tijera 33
CDL 6
CDL 7-1
CDL 7-2
Deslizador 1
Deslizador 2
Flujo
Másico
(kg/s)
4,99
5,14
2,68
6,07
2,13
5,35
2,58
2,33
2,14
1,61
5,09
2,50
3,66
3,82
4,14
Te
(°C)
Agua
Ts
(°C)
Te
(°C)
39
(312,15K)
43
(316,15K)
41
(314,15K)
40
(313,15K)
47
(320,15K)
46
(319,15K)
41
(314,15K)
41
(314,15K)
41
(314,15K)
41
(314,15K)
-
41
(314,15K)
43
(316,15K)
42
(315,15K)
41
(314,15K)
47
(320,15K)
48
(321,15K)
42
(315,15K)
41
(314,15K)
42
(315,15K)
42
(315,15K)
-
37
(310,15K)
37
(310,15K)
37
(310,15K)
37
(310,15K)
38
(311,15K)
38
(311,15K)
38
(311,15K)
38
(311,15K)
46
(319,15K)
43
(316,15K)
63
(336,15K)
50
(323,15K)
52
(325,15K)
52
(325,15K)
63
(336,15K)
49
(322,15K)
52
(325,15K)
63
(336,15K)
53
(326,15K)
41
(314,15K)
43
(316,15K)
41
(314,15K)
41
(314,15K)
Aceite
Ts
(°C)
44
(317,15K)
43
(316,15K)
59
(332,15K)
49
(322,15K)
52
(325,15K)
51
(324,15K)
59
(332,15K)
49
(322,15K)
51
(324,15K)
59
(332,15K)
53
(326,15K)
40
(313,15K)
42
(315,15K)
40
(313,15K)
40
(313,15K)
P
(kPa)
Observaciones
290
310
Q=0
400
140
150
150
Q=0
(CDL Doble)
400
140
100
Q=0
(CDL Doble)
400
340
350
350
200
180
Sin
Intercambiador
(CDL Doble)
32
2.2 Mantenimiento y fallas comunes
El plan de mantenimiento es más correctivo que preventivo. Existe un monitoreo
constante de las temperaturas del sistema de canaletas dobles, así como un monitoreo
semanal de las temperaturas y presiones de las centrales de lubricación.
El mantenimiento que se le da al Air Cooler es una limpieza externa a la
estructura y a los haces de tubos con hidrojet, previniendo de esta manera acumulación de
residuos y polvo que puedan interferir con la transferencia de calor del equipo. Este
mantenimiento se realiza de manera semanal durante el fin de semana.
También se engrasan los acoples y las partes mecánicas rotativas que así lo
requieran de los ventiladores y de la bomba. A las cajas reductoras se les cambia el aceite
cuando corresponda y verifica el estado de los engranajes.
Entre las fallas comunes que presenta el Circuito Cerrado de Refrigeración se
encuentran las referentes a la bomba y los ventiladores que conforman el Air Cooler. En
cuanto a las bombas las fallas que más se presentas son desgastes de sellos y piezas
rotativas que llegan al final de su vida útil, posibles fallas eléctricas en los motores. Entre
las fallas comunes en los ventiladores se pueden comentar desbalances en el eje, los
cuales llevan a roces de las aspas con las corazas protectoras. Problemas con los motores
eléctricos.
CAPÍTULO 3
PLANTEAMIENTO DE PROPUESTAS
Luego de la generación de ideas se decidió estudiar la factibilidad de las
siguientes propuestas:
1. Unificación del Circuito Cerrado de Refrigeración con el Circuito de
Refrigeración del Horno.
2. Sustitución del componente de enfriamiento del Circuito Cerrado de
Refrigeración, Air Cooler, por la torre de enfriamiento que se encarga de
enfriar el agua del Circuito de Refrigeración del Horno, manteniendo
ambos circuitos independientes. Es decir, la torre actual del circuito del
horno para ambos.
3. Remplazar el Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración por una
nueva torre de enfriamiento.
4. Remplazo de todos los ventiladores del Air Cooler del Circuito Cerrado de
Refrigeración.
34
3.1 PROPUESTA 1: Unificación del Circuito Cerrado de Refrigeración con el
Circuito de Refrigeración del Horno
La propuesta consiste en unir ambos sistemas de refrigeración, el Circuito Cerrado
de Refrigeración y el Circuito de Refrigeración del Horno, eliminando el Air Cooler y
enfriando el agua por medio de la torre de enfriamiento del horno. Aprovechando dicha
torre de una mejor manera. Se espera que con ésta modificación se logre la óptima
refrigeración de los equipos que conforman el Circuito Cerrado de Refrigeración. En la
figura 3.1 se muestra un esquema del Circuito de Refrigeración del Horno, luego en la
figura 3.2 se muestra un esquema de la propuesta.
Circuito 1
Circuito 2
Horno de
Recalentamiento
Torre de
Enfriamiento
Zona de
Bombeo
Figura 3.1: Esquema del Circuito de Refrigeración del Horno
En el esquema de la propuesta que se muestra a continuación, la línea punteada
indica que ese sistema de tuberías debe ser cerrado.
35
Circuito 1
Circuito 2
T=309,15K
Torre de
Enfriamiento
T=303,15K
Horno de
Recalentamiento
Zona de
Bombeo
Equipos a ser Refrigerados
(Intercambiadores de Calor de
Centrales de Lubricación, tijeras y
viga refrigerada)
Air Cooler
T=303,15K
Zona de
Bombeo
Figura 3.2: Esquema de la Propuesta 1
Para esto se plantea remplazar la actual tubería de suministro del Circuito de
Refrigeración del Horno Número 2 por una tubería de 8 pulgadas (la tubería anterior a
ésta, proveniente del Circuito de Refrigeración del Horno Número 1 es de dicho
diámetro); y, remplazar un tramo de tubería del actual Circuito Cerrado de Refrigeración
de 6 pulgadas por una de 8 pulgadas (desde donde se encuentra la Central de Lubricación
de la caja reductora del primer castillo hasta donde se consigue un cambio de sección en
la tubería a 8 pulgadas, cerca de la tijera 16). En el Apéndice B.1 se pueden apreciar las
isometrías respectivas a estos cambios.
36
Además es necesario retirar o cerrar las tuberías de entrada a la zona de
laminación del Circuito Cerrado de Refrigeración, las cuales se encuentran entre las
columnas 23 y 24. Estas tuberías son las que comunican el Air Cooler con el sistema de
tuberías de los equipos a enfriar.
Una vez propuesto este sistema de tuberías se realizó el análisis de fluidos
utilizando como herramienta el programa PipeFlow® Expert, con la finalidad de obtener
un caudal estimado para todos los puntos del sistema. Con estos datos se puede conocer
la altura y caudal que debe manejar la nueva bomba del sistema. En el Apéndice B.2 se
pueden apreciar los resultados de la simulación.
Luego se calculó el calor promedio que genera cada componente y junto con el
calor que se retira actualmente del Circuito de Refrigeración del Horno se obtuvo el calor
total necesario a extraer del sistema propuesto. En la tabla 3.1 se muestran los resultados.
Tabla 3.1: Calor promedio transferido al agua por cada componente
Componente
CDL 1 – B
CDL 2 – B
Tijera 16 – A
CDL 3 – B
CDL 4-1 – B
CDL 4-2 – A
Tijera 27 – A
CDL 5-1 – A
CDL 5-2 – A
Tijera 33 – A
CDL 6 – B
CDL 7-1 – C
CDL 7-2 – C
Flujo másico
(kg/s)
3,28
3,30
1,63
3,64
3,30
1,12
1,54
1,28
1,39
0,96
3,04
1,46
1,99
Calor transferido al
agua (kW)
24,914
24,961
9,906
24,906
24,890
9,955
9,910
9,962
9,952
9,910
24,882
19,977
19,968
Porcentaje respecto
a Calor Total (%)
1,6
1,6
0,6
1,6
1,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
1,6
1,3
1,3
37
Componente
Flujo másico
(kg/s)
Deslizadores
4,28
Viga Refrigerada
16,69
Horno
55,6
Calor Total (kW)
Calor transferido al
agua (kW)
19,970
574,896
738,160
1.557,119
Porcentaje respecto
a Calor Total (%)
1,3
36,9
47,4
100
El calor necesario a extraer del sistema fue comparado con el calor que puede
extraer la torre de enfriamiento del Circuito de Refrigeración del Horno, demostrando
que la misma se encuentra en capacidad de retirarlo. Es de notar que el calor a extraer del
sistema se determinó para una temperatura de llegada a la torre de enfriamiento de 36°C
(309,15K), la cual fue determinada mediante balances de energía que pueden apreciarse
en el capítulo siguiente. En la tabla 3.2 se pueden observar los resultados resumidos.
Tabla 3.2: Calor a extraer del sistema y capacidad de la torre de enfriamiento
Flujo másico (kg/s)
Temperatura de entrada a la torre (K)
Temperatura de salida de la torre (K)
Calor a extraer del sistema (MW)
Capacidad calórica máxima de la torre (MW)
107,1
309,15
303,15
2,686
5,000
Se llega a la conclusión de que de llevar a cabo la unificación de los circuitos de
refrigeración y realizar los cambios propuestos, la torre de enfriamiento estaría en
capacidad de retirar la carga calorífica siempre y cuando el ventilador se encuentre
generando el flujo de aire solicitado. Esto implica una velocidad de salida del aire de
como mínimo 5m/s y como máximo 8m/s. En el Apéndice B.4 se pueden observar los
resultados y cálculos realizados en cuanto a la torre de enfriamiento y el flujo de aire.
38
Esta propuesta de unificación de los circuitos de refrigeración presenta la gran
desventaja de tener que realizar cambios al sistema de tuberías del Horno. Este es uno de
los componentes más importantes, por no decir el más importante, de la Planta de
Laminación, por tanto mientras menores sean los cambios que se realicen a los sistemas
que lo componen se reducen los costos, tiempo de parada y posibles daños colaterales.
Al realizar el estudio económico, se determinó que el costo de esta propuesta es
BsF.: 1.686.845,00 y se desconoce el tiempo de implementación dado que no fue
informado por la contratista. En el Apéndice B.5 se presentan los detalles.
3.2
PROPUESTA 2: Sustitución del Air Cooler por la torre de enfriamiento del
Horno, manteniendo ambos circuitos de refrigeración independientes.
Consiste en la supresión de la zona de bombeo y enfriamiento del Circuito
Cerrado de Refrigeración y la consecuente unión del sistema de tuberías con la torre de
enfriamiento del Horno.
Para esta propuesta se plantea la unión de ambos sistemas por medio de una
tubería de 8 pulgadas y el diseño de una zona de bombeo en un lateral de la torre de
enfriamiento del Horno. En la figura 3.3 se muestra una figura esquemática de la
modificación, donde las líneas punteadas indican las tuberías que han de cerrarse.
Se realizó en un primer momento el análisis de fluidos del sistema propuesto
nuevamente con la herramienta Pipe Flow® Expert, donde se obtuvo un caudal estimado
para el funcionamiento del mismo.
39
Circuito 1
Circuito 2
T=307,15K
Torre de
Enfriamiento
T=303,15K
Horno de
Recalentamiento
Zona de
Bombeo 1
Zona de
Bombeo 2
Equipos a ser Refrigerados
(Intercambiadores de Calor de
Centrales de Lubricación, tijeras y
viga refrigerada)
Air Cooler
T=303,15K
Zona de
Bombeo
Figura 3.3: Esquema de la Propuesta 2
En la tabla 3.3 se presentan los valores de calor a extraer del sistema, donde sólo
varía el flujo másico con respecto a la tabla 3.1.
40
Tabla 3.3: Calor promedio transferido al agua por cada componente
Componente
Flujo másico
(kg/s)
CDL 1 – B
4.32
CDL 2 – B
4.09
Tijera 16 – A
2.13
CDL 3 – B
4.84
CDL 4-1 – B
4.31
CDL 4-2 – A
1.63
Tijera 27 – A
2.06
CDL 5-1 – A
1.71
CDL 5-2 – A
1.86
Tijera 33 – A
1.29
CDL 6 – B
4.06
CDL 7-1 – C
1.99
CDL 7-2 – C
2.85
Deslizadores
6.00
Viga Refrigerada
16,69
Horno
55,6
Calor Total (kW)
Calor transferido al
agua (kW)
24,914
24,961
9,906
24,906
24,890
9,955
9,910
9,962
9,952
9,910
24,882
19,977
19,968
19,970
574,896
738,160
1.557,119
Porcentaje respecto
a Calor Total (%)
1,6
1,6
0,6
1,6
1,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
1,6
1,3
1,3
1,3
36,9
47,4
100
El calor necesario a extraer del sistema fue comparado con el calor que puede
extraer la torre de enfriamiento del Circuito de Refrigeración del Horno, demostrando
que la misma se encuentra en capacidad de retirarlo. Es de notar que el calor a extraer del
sistema se determinó para una temperatura de llegada a la torre de enfriamiento de 34°C
(307,15K), la cual fue determinada mediante balances de energía que pueden apreciarse
en el capítulo siguiente. En la tabla 3.4 se pueden observar los resultados resumidos.
41
Tabla 3.4: Calor a extraer del sistema y capacidad de la torre de enfriamiento
Flujo másico (kg/s)
Temperatura de entrada a la torre (K)
Temperatura de salida de la torre (K)
Calor a extraer del sistema (MW)
Capacidad calórica máxima de la torre (MW)
124,6
307,15
303,15
2,073
5,000
Se llega a la conclusión de que de llevar a cabo la propuesta, la torre de
enfriamiento estaría en capacidad de retirar la carga calorífica siempre y cuando el
ventilador se encuentre generando el flujo de aire solicitado. Esto implica una velocidad
de salida del aire de como mínimo 4m/s y como máximo 9,5m/s. En el Apéndice C.2 se
pueden observar los resultados y cálculos realizados en cuanto a la torre de enfriamiento
y el flujo de aire.
Esta propuesta presenta la gran ventaja de que el montaje de tuberías es de menor
cantidad que la anterior ya que se pueden usar tuberías que aún se encuentran en buen
estado y están ubicadas en los sitios requeridos para llevar a cabo la propuesta.
Al realizar el estudio económico, se determinó que el costo de esta propuesta es
BsF.: 1.238.372,00 y se desconoce el tiempo de implementación dado que no fue
informado por la contratista.
42
3.3 PROPUESTA 3: Remplazar el Air Cooler del Circuito Cerrado de
Refrigeración por una nueva Torre de Enfriamiento
Para esta propuesta se plantea retirar la estructura del Air Cooler y en su lugar
construir un tanque de concreto con la respectiva nueva torre de enfriamiento.
Se analizó la propuesta para una nueva zona de bombeo, lo que implica que la
primera debe ser eliminada. Esto debido a dos motivos: que la bomba se encuentra fuera
de su punto de operación y además se necesita una bomba con otras especificaciones para
la extracción del agua de un tanque.
Se hizo uso del programa Pipe Flow® Expert para el estudio de mecánica de
fluidos en el sistema de tuberías. El calor generado por cada componente es el mismo que
se presenta en las tablas 3.1 y 3.3.
Con ese calor se determinó de manera aproximada la temperatura de retorno del
agua a la torre, la cual da como resultado 34°C (307,15K). Esto se obtuvo considerando
que el agua sale de la torre de enfriamiento a los equipos a una temperatura de 30°C.
Con estos valores y los respectivos factores de seguridad se pudo determinar la
torre necesaria para cubrir los requerimientos del sistema. En cuanto a costos, ésta
propuesta representa una inversión aproximada de BsF.: 1.558.466,00. En el Apéndice D
se puede observar todo lo referente a esta propuesta, incluyendo algunas cotizaciones.
43
3.4 PROPUESTA 4: Remplazo de todos los ventiladores del Air Cooler del Circuito
Cerrado de Refrigeración
En esta propuesta no se plantean cambios al sistema actual, sino únicamente el
remplazo de los cuatro ventiladores.
Se realizó en un primer momento el análisis de fluidos del sistema propuesto con
el software Pipe Flow® Expert.
En el análisis de transferencia de calor, se calculó la temperatura a la cual llegará
el agua al Air Cooler, para determinar si el mismo se encuentra en capacidad de retirar la
carga calorífica del sistema una vez remplazados los ventiladores.
Utilizando el software HTRI Xchanger® Suite 5.0, se simuló el comportamiento
del Air Cooler bajo las siguientes suposiciones:
-
Temperatura de salida del Aire: 27°C (300,15K).
-
Velocidad del Aire a la salida de los Ventiladores: 4 m/s.
-
Temperatura de Entrada del Agua: 40°C (313,15K).
-
Temperatura de Salida del Agua: 30°C (303,15K).
-
Flujo másico del agua: 94,6kg/s.
-
Flujo másico del aire: 78 kg/s.
-
Niveles elevados de ensuciamiento, interno y externo.
44
Dado que el Air Cooler está conformado por dos bahías idénticas, cada una con
dos ventiladores y el mismo caudal (se encuentran en paralelo), se evaluará una sola de
las bahías, lo que equivale a la mitad del Air Cooler, por donde pasa la mitad del caudal.
En la tabla 3.5 se pueden observar los resultados.
Tabla 3.5: Resultados de la simulación del Air Cooler para condiciones dadas
Coef. Global de Transf. De Calor Actual (W/m2K)
Coef. Global de Transf. De Calor Requerido (W/m2K)
Calor que puede retirar el equipo (kW)
Calor a extraer del sistema (kW)
1,172
5,046
955
1,830
De los resultados se puede comentar que el Air Cooler no es capaz de retirar la
carga calorífica del sistema. Esto debido a factores que no son necesariamente los niveles
de ensuciamiento actuales, ni la situación de los ventiladores, sino la capacidad para la
cual fue diseñado no cubre el requerimiento actual.
Es de notar que los resultados generados por el programa fueron comparados con
cálculos propios2, corroborando que el equipo no se encuentra en capacidad de retirar
dicho calor. Se realizó el estudio como si se tratara de un banco de tubos, obteniéndose
los resultados que se muestran en la tabla 3.6.
Tabla 3.6: Resultados de los cálculos propios
Coef. Global de Transf. De Calor Actual (W/m2K)
Calor que puede retirar el equipo (kW)
1,32
858
45
La capacidad volumétrica del Air Cooler se encuentra excedida para este caso. El
porcentaje de exceso es de 76,8%. Esto quiere decir que el caudal de agua que se maneja
actualmente y que se mantuvo al evaluar esta propuesta, está 76,8% por encima del
límite permitido para el buen funcionamiento del equipo.
Se realizó un estudio para determinar el flujo másico adecuado en el cual debería
trabajar el equipo, arrojando como resultado 21,9kg/s. Un flujo másico realmente menor
e insuficiente para retirar la carga calorífica total del sistema.
Según los resultados, esta propuesta no puede ser considerada como tal ya que no
es factible técnicamente, a pesar de ello se deja como un estudio de factibilidad y en el
Apéndice E se pueden ver los cálculos y resultados referentes a la misma.
3.5 Ventajas y Desventajas de cada propuesta
En la tabla 3.7 se muestran
los costos de las tres propuestas factibles
técnicamente, mientras que en las tablas 3.8 y 3.9 se pueden apreciar las ventajas y
desventajas de las mismas.
Tabla 3.7: Presentación de costos de las propuestas
Costos (BsF.)
Propuesta 1
Propuesta 2
Propuesta 3
1.686.845,00
1.238.372,00
1.758.466,00
46
Tabla 3.8: Ventajas de las Propuestas
Propuesta 1
Se mantiene la misma
línea de tuberías, es decir,
no es necesario definir
nuevas zonas por donde
pasen tuberías.
Se mantiene una zona de
bombeo para la torre de
enfriamiento. Esto es una
ventaja en cuanto a
consumo
eléctrico
y
mantenimiento.
Máximo aprovechamiento
de la torre de enfriamiento
del Horno.
Ventajas
Propuesta 2
Propuesta 3
Menos costosa que las otras Sistema de Refrigeración
propuestas.
independiente de la torre
de enfriamiento del Horno.
Máximo aprovechamiento de la Requiere mucho menos
torre de enfriamiento del Horno. montaje de metros lineales
de tubería que las otras
propuestas (11m).
La corriente de retorno va
disminuyendo su temperatura a
medida que regresa a la torre
debido al arreglo de tuberías.
Tabla 3.9: Desventajas de las Propuestas
Propuesta 1
Desventajas
Propuesta 2
Propuesta 3
Mayor cantidad de metros Requiere de limpieza de Requiere del desmontaje
lineales de tubería a ser tuberías aéreas que llevan del Air Cooler, lo que
montados.
años fuera de servicio.
implica una inversión y
tiempo considerables.
Montaje de nueva zona de Es la propuesta más
Modificación de tuberías bombeo en un lateral de la costosa.
del
Circuito
de torre de Enfriamiento, lo que
Refrigeración del Horno.
implica mayor consumo
eléctrico y en mantenimiento.
Requiere un tiempo de
trabajo mayor al de las
otras propuestas.
La unificación de los
sistemas no permite su
control por separado, ya
que la refrigeración del
horno debe ser continua.
47
3.6 Selección de propuesta más adecuada
Luego de estudiar las ventajas y desventajas de cada propuesta, incluyendo los
costos estimados, se llega a la conclusión de que la propuesta más adecuada para el
problema planteado, es la Propuesta 2: Sustitución del componente de enfriamiento del
Circuito Cerrado de Refrigeración, Air Cooler, por la torre de enfriamiento que se
encarga de enfriar el agua del Circuito de Refrigeración del Horno. La cual será
desarrollada a detalle en el capítulo siguiente.
Es muy importante tener todos los materiales, equipos y repuestos en planta antes
de empezar a ejecutar los cambios para la propuesta.
.
CAPÍTULO 4
EVALUACIÓN TÉCNICA DE LA PROPUESTA SELECCIONADA
4.1 Resumen
La propuesta consiste en utilizar la torre de enfriamiento del Circuito de
Refrigeración del horno para refrigerar los componentes del actual Circuito Cerrado de
Refrigeración (Figura 3.3). Para ello se proponen ciertos cambios en el sistema de
tuberías actual:
-
Cierre de tuberías que conectan con la zona de bombeo y el Air Cooler del
Circuito Cerrado de Refrigeración.
-
Montaje de una nueva zona de bombeo en un lateral de la torre de
enfriamiento. En la figura 4.1 se muestra una imagen del montaje.
-
Sustitución de bombas de agua de la torre de enfriamiento (las que envían
agua a la parte alta de la torre para distribuirla por los aspersores).
-
Montaje de tuberías para unión de sistemas.
En la figura 4.4 se puede observar el arreglo de tuberías propuesto.
49
Zona de Bombeo
adicional
Torre de
Zona de Bombeo
Actual
Enfriamiento
Figura 4.1: Montaje de nueva zona de bombeo.
La torre de enfriamiento descarga el fluido enfriado en dos tanques concreto, los cuales
están conectados bajo el suelo. Los tanques se encuentran a cada lateral de la torre.
En uno de esos laterales está ubicada la zona de bombeo del Circuito de Refrigeración del
Horno, en la figura 4.2 se puede ver una foto de la misma. Se propone montar una nueva zona de
bombeo en el otro lateral de la torre manteniendo la otra sin modificación.
Figura 4.2: Zona de bombeo actual
50
En la figura 4.3 se muestra el lateral libre de la torre de enfriamiento.
Figura 4.3: Lateral de la torre donde ubicar la nueva zona de bombeo
Figura 4.4: Isometría de montaje de tuberías
51
4.2 Factibilidad Técnica
Para evaluar la factibilidad técnica de la propuesta se realizaron varios análisis. Uno de
ellos es el de mecánica de fluidos, para evaluar así las condiciones del fluido (caudal, flujo
másico, presión, entre otras) en cada punto del sistema de tuberías propuesto. Luego se hace un
análisis de transferencia de calor para conocer las temperaturas de salida del agua de los equipos
y más adelante, un cálculo aproximado de la temperatura de llegada del agua a la torre de
enfriamiento. Por último, se realizan los cálculos para analizar si la torre de enfriamiento se
encuentra en capacidad de retirar la carga calórica requerida.
4.2.1
Análisis de Mecánica de Fluidos
Una vez propuesto este sistema de tuberías, el cual puede observarse en la figura
4.4 y 4.5, se evaluó en PipeFlow® Expert con la finalidad de obtener un caudal estimado
para todos los puntos del sistema. Con estos datos se puede conocer la altura y caudal que
debe manejar la nueva bomba del sistema. En el apéndice C.1 se pueden observar los
resultados de la simulación.
En la tabla 4.1 se presentan las especificaciones que debe poseer la bomba del
circuito.
Tabla 4.1: Especificaciones de la bomba de la propuesta 2
Tipo de Bomba
Altura en punto de operación (m)
Caudal en punto de operación (m3/h)
Centrífuga Vertical Tipo Turbina
34
250
52
Figura 4.5: Modelo del Sistema de Tuberías en Pipe Flow®
53
4.2.2
Análisis de Transferencia de Calor
En total se tienen tres tipos de intercambiadores de calor en el Circuito
Cerrado de Refrigeración, asociados cada uno con su respectiva bomba. Las
especificaciones de los mismos se pueden observar en las tablas 4.2, 4.3 y 4.4.
Tabla 4.2: Intercambiador de Calor A
Intercambiador de Calor A
Tipo de Intercambiador
Marca
Modelo
Fluido que pasa por los tubos
Fluido que pasa por la coraza
Caudal de Aceite (m3/hr)
Diámetro de entrada de Agua (pulgadas)
Diámetro de entrada de Aceite (pulgadas)
Energía disipada (kW) para Aceite a 50°C y Agua a 15°C
Longitud de carcaza (mm)
Número de pasos de los tubos
Bomba para el Aceite
Tipo de Bomba
Diámetro de tubería de descarga (pulgadas)
Potencia (Hp)
Velocidad de Giro (rpm)
Tubo y Coraza
Sesino
MS 134 P1
Agua
Aceite
1,8 – 6
1,5 (3,81cm)
1,5 (3,81cm)
19 – 23
480
2
Axial
2 (5,08 cm)
5 (3,73kW)
1145 (119,9rad/s)
Tabla 4.3: Intercambiador de Calor B
Tipo de Intercambiador
Marca
Modelo
Fluido que pasa por los tubos
Fluido que pasa por la coraza
Caudal de Aceite (l/min)
Intercambiador de Calor B
Tubo y Coraza
Sesino
Agua
Aceite
-
54
Diámetro de entrada de Agua (pulgadas)
Diámetro de entrada de Aceite (pulgadas)
Energía disipada (kW) para Aceite a 50°C y Agua a 15°C
Longitud de carcaza (mm)
Diámetro de carcaza (mm)
Número de pasos de los tubos
Bomba para el Aceite
Tipo de Bomba
Diámetro de tubería de descarga (pulgadas)
Potencia (Hp)
Velocidad de Giro (rpm)
2 (5,08cm)
2 (5,08cm)
1000
228
2
Axial
3 (7,62cm)
10 (7,45kW)
880 (92,2rad/s)
Tabla 4.4: Intercambiador de Calor C
Intercambiador de Calor C
Tipo de Intercambiador
Marca
Modelo
Fluido que pasa por los tubos
Fluido que pasa por la coraza
Caudal de Aceite (l/min)
Diámetro de entrada de Agua (pulgadas)
Diámetro de entrada de Aceite (pulgadas)
Energía disipada (kW) para Aceite a 50°C y Agua a 15°C
Longitud de carcaza (mm)
Diámetro de carcaza (mm)
Número de pasos de los tubos
Bomba para el Aceite
Tipo de Bomba
Diámetro de tubería de descarga (pulgadas)
Potencia (Hp)
Velocidad de Giro (rpm)
Tubo y Coraza
Sesino
Agua
Aceite
1 (2.54cm)
1,5 (3,81cm)
950
170
2
Axial
2 (5,08cm)
3 (3,73kW)
1710 (179,1rad/s)
En la tabla 4.5 se presenta el calor disipado por intercambiador de calor acorde a
valores provistos por el fabricante para niveles medios de ensuciamiento. Los
55
intercambiadores de calor son tubo y coraza con un pase por la coraza y dos por los
tubos, donde el aceite pasa por la coraza y el agua pasa por los tubos.
Tabla 4.5: Calor disipado por intercambiador al ambiente
Calor disipado por los intercambiadores para Tac=50°C, Tag=30°C, Caudal
Agua>100lt/min
Calor (kW)
Tipo de Intercambiador
A
10
B
25
C
20
Se toman las propiedades de un aceite común mostradas en la tabla 4.6.
Tabla 4.6: Propiedades del Aceite (2)
T
(K)
310
320
330
Propiedades de Aceite común (Flujo másico 1.2kg/s)
ρ
Cp
ν *10-6
k
3
2
(kg/m )
(J/kg*K)
(m /s)
(W/m*K)
877,9
1951
288
0,145
871,8
1993
161
0,143
865,8
2035
96,6
0,141
Pr
3400
1965
1205
Se considera que existe una pérdida de calor a través de la coraza por convección
libre y radiación, por lo que el calor liberado por el aceite no es transferido totalmente al
agua. Para determinar dicha pérdida, se utilizan las expresiones mostradas en el apéndice
B.3.
56
En la tabla 4.7 se presentan los valores obtenidos de las pérdidas, suponiendo una
temperatura estable de 35°C (308,15K) en los alrededores.
Tabla 4.7: Pérdidas de Calor por Intercambiador al ambiente
Ubicación
CDL 1
CDL 2
Tijera 16
CDL 3
CDL 4-1
CDL 4-2
Tijera 27
CDL 5-1
CDL 5-2
Tijera 33
CDL 6
CDL 7-1
CDL 7-2
Deslizador 1
Deslizador 2
Intercambiador de Calor
B
B
A
B
B
A
A
A
A
A
B
C
C
A
A
Pérdida de Calor (W)
86,3
39,0
93,9
93,5
110,1
44,8
89,8
38,0
48,4
89,9
117,7
23,5
32,5
15,7
15,7
Con estos valores de las pérdidas se calculó el calor transferido al agua y a partir
de allí se determinó la temperatura de salida del aceite y del agua del equipo. En la tabla
4.8 se pueden ver los resultados los cuales fueron obtenidos por medio de las ecuaciones
2.1 y 2.2.
57
Tabla 4.8: Temperaturas y Calor de Intercambiadores
Intercambiadores de Calor de las Centrales de Lubricación, Tijeras y Deslizadores
Ubicación Agua
Aceite
Flujo Ganancia
Tipo de
másico Térmica
Te
Ts
Te
Ts
Intercambiador
del
en el
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
agua
agua
(kg/s)
(kW)
30
32
46
36
4,32
24,914
CDL 1 – B
(303,15K) (305,15K) (319,15K) (309,15K)
30
32
43
33
4,09
24,961
CDL 2 – B
(303,15K) (305,15K) (316,15K) (306,15K)
30
31
63
59
2,13
9,906
Tijera 16 – A
(303,15K) (304,15K) (336,15K) (332,15K)
30
31
50
40
4,84
24,906
CDL 3 – B
(303,15K) (304,15K) (323,15K) (313,15K)
30
32
52
42
4,31
24,890
CDL 4-1 – B
(303,15K) (305,15K) (325,15K) (315,15K)
30
32
52
48
1,63
9,955
CDL 4-2 – A
(303,15K) (305,15K) (325,15K) (321,15K)
30
31
63
59
2,06
9,910
Tijera 27 – A
(303,15K) (304,15K) (336,15K) (332,15K)
30
32
49
45
1,71
9,962
CDL 5-1 – A
(303,15K) (305,15K) (320,15K) (318,15K)
30
31
52
48
1,86
9,952
CDL 5-2 – A
(303,15K) (304,15K) (325,15K) (321,15K)
30
32
63
57
1,29
9,910
Tijera 33 – A
(303,15K) (305,15K) (336,15K) (330,15K)
30
32
53
43
4,06
24,882
CDL 6 – B
(303,15K) (305,15K) (326,15K) (316,15K)
30
32
41
33
1,99
19,977
CDL 7-1 – C
(303,15K) (305,15K) (314,15K) (306,15K)
30
32
43
35
2,85
19,968
CDL 7-2 – C
(303,15K) (305,15K) (316,15K) (308,15K)
30
31
41
37
3,00
9,985
Deslizador
(303,15K)
(304,15K)
(314,15K)
(310,15K)
1–A
30
31
41
37
3,25
9,985
Deslizador
(303,15K) (304,15K) (314,15K) (310,15K)
2–A
244,063
Total Ganancia Térmica (kW)
58
La viga refrigerada está compuesta por 7 secciones de 6m cada una para cada
sistema de canaletas dobles, es decir, se tienen un total de 14 secciones de 6m cada una.
Para el estudio del calor retirado por el sistema de refrigeración se analizó la
transferencia de calor que ocurre por radiación y por convección libre (ecuación 2.4),
obteniéndose los resultados que se muestran en la tabla 4.9.
Tabla 4.9: Calor en Viga Refrigerada
Sección
VR – 1 – 1
VR – 1 – 2
VR – 1 – 3
VR – 1 – 4
VR – 1 – 5
VR – 1 – 6
VR – 1 – 7
VR – 2 – 1
VR – 2 – 2
VR – 2 – 3
VR – 2 – 4
VR – 2 – 5
VR – 2 – 6
VR – 2 – 7
Viga Refrigerada – Ganancia de Calor
Flujo másico
T entrada del
T salida del
(kg/s)
agua (°C)
agua (°C)
2,77
30 (303,15K)
34 (307,15K)
1,63
30 (303,15K)
36 (309,15K)
2,11
30 (303,15K)
35 (308,15K)
1,23
30 (303,15K)
38 (311,15K)
1,14
30 (303,15K)
38 (311,15K)
1,10
30 (303,15K)
39 (312,15K)
1,09
30 (303,15K)
38 (311,15K)
1,74
30 (303,15K)
36 (309,15K)
1,95
30 (303,15K)
35 (308,15K)
1,69
30 (303,15K)
36 (309,15K)
1,51
30 (303,15K)
37 (310,15K)
1,40
30 (303,15K)
37 (310,15K)
1,35
30 (303,15K)
37 (310,15K)
1,34
30 (303,15K)
37 (310,15K)
Ganancia Térmica Total (kW)
Ganancia
Térmica (kW)
41,064
41,064
41,064
41,064
41,064
41,064
41,064
41,064
41,064
41,064
41,064
41,064
41,064
41,064
574,896
*VR – x – y: Viga Refrigerada hilo “x”, sección “y”.
Es de notar que para el cálculo del calor necesario a retirar de la viga
refrigerada se analizó el caso más desfavorable, suponiendo que la viga absorbe la
totalidad de la radiación emitida por la cabilla, la cual llega a cercanos 1000°C a la cama
59
de enfriamiento. Se utilizó como temperatura de superficie de la pared de la viga
refrigerada 75°C, lo cual es muy bajo del nivel al que se obtendría deformación
considerable (250°C aproximadamente).
Se procedió a calcular mediante la Primera Ley de Termodinámica la
temperatura a la cual llegará el agua a la torre de enfriamiento, asumiendo que sale de la
misma a 30°C. Para ello se realizó un balance de energía en cada uno de los nodos del
agua de retorno para determinar la temperatura a la que continúa el agua, la ecuación 4.1
fue la empleada en este caso. De ella se obtuvo el valor de la entalpía de la corriente de
mezcla (denotada como corriente 3 en los cálculos) para luego ir a tablas termodinámicas
y hallar la temperatura de la misma.
∑ ̇
∑ ̇
(4.1)
En las tablas 4.10 y 4.11 se aprecian los resultados de los nodos a la izquierda y
derecha del sistema de tuberías propuesto respectivamente. Se toma como punto central
la llegada a la torre de enfriamiento (como se muestra en el plano producto del simulador
Pipe Flow Expert).
Por último la tabla 4.12 contiene la unión de ambas líneas de flujo y la
temperatura de llegada de agua a la torre de enfriamiento.
Se consideró que la corriente de agua de salida de la viga refrigerada se encuentra
un poco por encima de la temperatura promedio, es decir 38°C.
60
Lado izquierdo del sistema:
Corriente 1
Corriente 3
Corriente 2
Tabla 4.10: Temperatura de Corrientes en Nodos (lado izquierdo del sistema)
Nodo
Corriente 1
Corriente 2
Corriente 3
ID
P
(kPa)
m
(kg/s)
T
(°C)
h
(kJ/kg)
m
(kg/s)
T
(°C)
h
(kJ/kg)
m
(kg/s)
T
(°C)
h
(kJ/kg)
172
148
9,18
130,1
0,70
9,88
9,88
130,1
26,92
159,3
36,80
91
146
36,80
151,5
5,38
134,2
42,18
78
145
42,18
149,3
5,68
134,2
47,87
74
143
47,87
147,5
5,98
134,2
53,85
66
141
53,85
146,0
4,89
130,0
58,73
31,0
(304,15K)
36,1
(309,25K)
35,6
(308,75K)
35,30
(308,45K)
34,9
(308,05K)
34,6
(307,75K)
130,1
148
31,0
(304,15K)
38,0
(311,15K)
32,0
(305,15K)
32,00
(305,15K)
32,0
(305,15K)
31,0
(304,15K)
130,1
102
31,0
(304,15K)
31,0
(304,15K)
36,1
(309,25K)
35,6
(308,75K)
35,3
(308,45K)
34,9
(308,05K)
151,5
149,3
147,5
146,0
144,7
61
Lado derecho del sistema:
Corriente 1
Corriente 3
Corriente 2
Tabla 4.11: Temperatura de Corrientes en Nodos (lado derecho del sistema)
Nodo
Corriente 1
Corriente 2
Corriente 3
ID
P
(kPa)
m
(kg/s)
T
(°C)
h
(kJ/kg)
m
(kg/s)
T
(°C)
h
(kJ/kg)
m
(kg/s)
T
(°C)
h
(kJ/kg)
42
121
4,29
130,0
4,09
8,37
8,37
132,1
2,09
130,0
10,47
31,5
(304,65K)
31,4
(304,55K)
132,1
140
32,0
(305,15K)
31,0
(304,15K)
134,2
52
31,0
(304,15K)
31,5
(304,65K)
131,6
62
Llegada a la torre de enfriamiento:
Corriente 3 – Llegada a Torre de
Enfriamiento
Corriente 1 – Llegada lado izquierdo
Corriente 2 – Llegada lado derecho
Tabla 4.12: Temperatura de Corrientes en Nodos (llegada a torre de enfriamiento)
Nodo
Corriente 1
Corriente 2
Corriente 3
ID
P
(kPa)
m
(kg/s)
T
(°C)
h
(kJ/kg)
m
(kg/s)
T
(°C)
h
(kJ/kg)
m
(kg/s)
T
(°C)
h
(kJ/kg)
56
140
10,47
31,4
(304,55K)
131,6
58,73
34,6
(307,75K)
144,7
69,20
34,0
(307,15K)
142,7
A partir de este análisis se puede afirmar que la temperatura de llegada a la torre
de enfriamiento, será aproximadamente de 34°C.
4.2.3
Condiciones de trabajo de la Torre de Enfriamiento
Actualmente la torre de enfriamiento se encarga de enfriar el agua del Circuito de
Refrigeración del Horno (200 m3/h) y presenta un diferencial de temperatura entre la
63
entrada y la salida de la torre de 3°C (25-28°C). Tomando en cuenta esto, y los valores de
caudal y temperatura determinados para el sistema de tuberías propuesto, se tomaron los
parámetros que se muestran en la tabla 4.13 para la torre de enfriamiento, con sus
respectivos factores de seguridad.
Tabla 4.13: Parámetros de torre de enfriamiento
Caudal
(m3/h)
450
Torre de Enfriamiento
Flujo Másico Temperatura de Temperatura de
Entrada (°C)
Salida (°C)
(kg/s)
124,6
40 (313,15K)
30 (303,15K)
Calor a Retirar
(kW)
5,208
En la Tabla 4.14 se muestran las especificaciones de la torre de enfriamiento.
Tabla 4.14: Especificaciones de la torre de enfriamiento:
Fabricante
Serie
Modelo
Año de Fabricación
Tipo de Ventilación
Caudal Mínimo (m3/h)
Caudal Máximo (m3/h)
Tipo de Ventilador
Potencia de Ventilador (Hp)
Velocidad de Giro del Motor (rpm)
Relación de Caja Reductora
Diámetro externo (Pulgadas)
Potencia de Bomba de la torre (Hp)
Velocidad de Giro del Motor (rpm)
The Marley Company
8600
8617
1974
Tiro Inducido
174
699
Axial
50 (37,29kW)
1770 (185,4rad/s)
4,10/1
120
15 (11,19kW)
1770 (185,4rad/s)
64
Dado que el equipo fue fabricado hace mucho tiempo, no se dispone de material
como catálogos o manuales que permitan evaluar si cubre la capacidad a la cual se va a
someter. Es por esto que se procederá a estudiar por dos métodos el desarrollo de la torre
bajo las condiciones solicitadas. En el Apéndice C.2 se pueden apreciar los cálculos
referentes a esta sección.
4.2.3.1 Método de Evaluación 1: Balance energético
De un balance energético tomando como volumen de control toda la torre de
enfriamiento, se tiene que intervienen cuatro factores:
-
La temperatura y flujo másico de entrada y salida de aire a la torre de
enfriamiento.
-
La temperatura y flujo másico de entrada y de salida de agua a la torre de
enfriamiento.
Figura 4.6: Balance de Energía en Torre de Enfriamiento (13)
65
Además se requiere de la temperatura de bulbo húmedo y bulbo seco del
ambiente, la cual fue medida en varias oportunidades tomando para estos cálculos la más
desfavorable.
En la tabla 4.15 se aprecia la humedad relativa a la entrada y salida de la torre de
enfriamiento.
Tabla 4.15: Humedad relativa a la entrada y salida de la Torre de Enfriamiento
Humedad Relativa a la Entrada
Humedad Relativa a la Salida
0,50
0,99
En la tabla 4.16 se presenta el valor del flujo másico calculado para las
condiciones de trabajo especificadas.
Tabla 4.16: Flujo másico de aire para condiciones de trabajo especificadas
Agua
T. Entrada (°C)
40 (313,15K)
T. Salida (°C)
30 (303,15K)
Flujo Másico (kg/s)
124,6
Aire
T. Entrada (°C)
T. Salida (°C)
Flujo Másico (kg/s)
25 (298,15K)
30 (303,15K)
46,1
La velocidad que debe poseer el aire a la salida de la torre para poder cumplir con
las condiciones de trabajo es de 9,5m/s. Ésta velocidad ha sido calculada a partir de un
área circular de diámetro 3,5m, la cual es la aproximada a la que posee la torre de
enfriamiento para la salida del aire.
66
A continuación en la tabla 4.17 se muestran las condiciones de trabajo para el
caso más aproximado a la realidad:
Tabla 4.17: Flujo másico de aire para condiciones de trabajo más cercanas a la realidad
Agua
T. Entrada (°C)
T. Salida (°C)
Flujo Másico (kg/s)
34 (307,15K)
30 (303,15K)
124,6
Aire
T. Entrada (°C)
T. Salida (°C)
Flujo Másico (kg/s)
25 (298,15K)
30 (303,15K)
110,3
La velocidad que debe poseer el aire a la salida de la torre para poder cumplir con
las condiciones de trabajo es de 4m/s. Nuevamente ésta velocidad se ha calculado para un
área circular de 3,5m.
Con estos resultados se puede afirmar que la torre de enfriamiento se encuentra en
capacidad de retirar la carga calórica de la corriente de agua siempre y cuando se
garantice el flujo de aire mínimo presentado (4m/s).
4.2.3.2
Método de Evaluación 2: Expresión provista por el fabricante y
estudio previo a la Torre de Enfriamiento.
Los representantes de Marley en el país, Oficina Técnica Leo CA, realizaron un
estudio a la torre de enfriamiento en el año 2004, donde recalculan la capacidad y los
límites para el equipo.
Acorde dicho estudio:
67
-
Los límites hidráulicos del modelo 8617 son mínimo 174 m3/h y máximo 699
m3/h.
-
Para un rango de 10°C (con entrada de agua a 33°C) y temperatura de bulbo
húmedo de 26°C, el máximo flujo de agua sería 430 m3/h.
A partir de este estudio se podría afirmar que la torre se encuentra en capacidad
de retirar la carga calorífica cómodamente ya que se encuentra dentro de los rangos antes
indicados. Aun así, se procedió a calcular el calor que puede retirar la torre a partir de una
expresión que ofrece la compañía que la fabricó y que se aplica a la mayoría de los
equipos de este tipo.
(4.2)
Utilizando los datos del estudio realizado por Oficina Técnica Leo CA se obtienen
los resultados mostrados en la tabla 4.18.
Tabla 4.18: Calor que puede retirar la Torre de Enfriamiento
Δ°F
Calor para 430 m3/h (MW)
18
5,000
68
Ahora calculando el calor que se desea retirar con la torre de enfriamiento con la
propuesta se obtienen los resultados mostrados en las tablas 4.19 (caso con factor de
seguridad elevado) y 4.20 (caso más cercano a la realidad).
Tabla 4.19: Calor a retirar caso con factor de seguridad elevado
Flujo másico (kg/s)
Temperatura de Entrada (°C)
Temperatura de Salida (°C)
Calor a Retirar (MW)
124,6
40 (313,15K)
30 (303,15K)
5,208
Tabla 4.20: Calor a retirar caso más cercano a la realidad
Flujo másico (kg/s)
Temperatura de Entrada (°C)
Temperatura de Salida (°C)
Calor a Retirar (MW)
124,6
34 (307,15K)
30 (303,15K)
2,083
Es de notar que para un diferencial de temperatura de 10°C la carga
calorífica se encuentra un poco por encima de lo que es capaz de retirar la torre, aun así
es muy poco probable que el agua de retorno llegue con ese diferencial.
A partir de estos resultados se demuestra que por ambos métodos la torre
de enfriamiento se encuentra en capacidad de cubrir el requerimiento siempre y cuando el
ventilador se encuentre manejando el flujo de aire especificado.
69
4.3 Cambios físicos al circuito actual
Aislamiento de zona de bombeo, Water Cooler y todas las tuberías aguas arriba a
la entrada de la zona de laminación. Las mismas se muestran en la figura 4.7.
Figura 4.7: Tuberías a aislar
Colocar una zona de bombeo en el lateral del tanque de descarga de la torre de
enfriamiento (Figuras 4.1 y 4.2).
Dos bombas (una para caso de emergencia) con
especificaciones de 250 m3/hr de caudal y 110 ft de altura. A su vez debe colocarse el
respectivo filtro de agua. Es una zona de bombeo parecida a la que posee actualmente la
torre, la misma se muestra en la figura 4.3.
Siguiendo el punto anterior, también se tendrían que cambiar las bombas actuales
de la torre de enfriamiento encargadas de enviar el agua caliente al tope de la misma.
Estas son dos bombas (operando intermitentemente ya que una es de emergencia) y
deberán manejar un caudal de 450 m3/hr y una altura de 21ft (6.4m).
70
Montaje de 88 metros lineales de tubería para unir el circuito de refrigeración con
la torre de enfriamiento. Es necesario atravesar el galpón de la zona de laminación
transversalmente para unir la torre de enfriamiento con el sistema de tuberías de los
equipos a refrigerar y aquí se presenta la gran ventaja de tener unas tuberías en desuso
que ya cruzan esa distancia a ras del techo (ya que por el paso de las grúas es la única
manera de enviar las tuberías). Debido a esto el montaje de tuberías para la unión de los
sistemas es mucho más sencillo y con menos tiempo de trabajo. Se dividirá en dos
montajes:
-
El primero referente a la unión de tuberías que saldrían de la nueva zona de
bombeo de la torre de enfriamiento a las tuberías aéreas. En la figura 4.8 se
muestra una isometría del montaje.
71
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
Figura 4.8: Montaje de tuberías de nueva zona de bombeo
72
-
El segundo es la unión del otro extremo de las tuberías aéreas con el sistema de
tuberías de los equipos a ser refrigerados. Son 16 metros de tuberías en dos líneas
paralelas, las cuales deben atravesar una pared. Esto no sería inconveniente ya que
en alguna ocasión hubo un montaje de este tipo por el mismo camino. En la figura
4.9, 4.10 y 4.11 se muestra más claramente lo comentado.
Figura 4.9: Dimensiones del segundo montaje de tuberías
Figura 4.10: Lugar donde debería comenzar el segundo montaje de tuberías
73
Figura 4.11: Pared a atravesar por el segundo montaje de tuberías
No será necesario ampliación del tanque que proporciona el agua y que es
depósito del agua caliente, ya que este presenta una capacidad cercana a los 50 m 3 y el
volumen del sistema es de 40 m3 aproximadamente.
4.4 Costos de Implementación
Se realizaron los respectivos cómputos métricos, los cuales consisten en dividir el
proyecto en partes simples de llevar a cabo, para de ésta manera obtener las respectivas
cotizaciones por cada contratista.
La tabla 4.21 muestra los costos de la propuesta y el total a invertir para llevarla a
cabo.
74
Tabla 4.21: Costos de la propuesta seleccionada
Concepto
Trabajos de montajes de tuberías, materiales y
mano de obra
Bombas para la nueva zona de bombeo (Precio de
las 2 unidades)
Bombas para remplazar las actuales de la torre de
enfriamiento (Precio de las 2 unidades)
Costo (BsF.)
Costo Total del Proyecto (BsF.)
1.238.372,00
41.600,00
564.942,00
631.830,00
En el apéndice C.5 se anexan los presupuestos enviados por las empresas.
No se cuenta con el tiempo de duración de los trabajos ya que las contratistas no
dieron dicha información.
Es muy importante tener en cuenta que al momento de realizar los cambios al
sistema se deben tener todos los materiales, maquinarias y repuestos en planta para evitar
contratiempos.
75
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Se evaluó el estado actual del Circuito Cerrado de Refrigeración y se determinó
que los componentes del mismo presentan un enfriamiento por debajo de lo esperado.
Esto se debe a que el Air Cooler tiene condiciones de trabajo de diseño por debajo de las
condiciones de trabajo actuales.
En un principio el Air Cooler se encontraba en capacidad de retirar la carga
calórica del circuito, pero luego de unos años, debido a cambios en el proceso de
producción (ampliación de la cama de enfriamiento y supresión de algunas zonas que
antes eran refrigeradas por ese circuito), cambiaron las condiciones de trabajo y se
encuentra trabajando con un exceso de 76,8% en su capacidad volumétrica. Lo cual
afecta directamente la transferencia de calor y el óptimo enfriamiento en el circuito de
refrigeración.
Se generaron tres posibles propuestas de modificación del sistema y al realizar el
estudio técnico y económico de factibilidad, se seleccionó la propuesta 2, la cual consiste
en remplazar el Air Cooler por la torre de enfriamiento del horno, montando una nueva
zona de bombeo y manteniendo la otra, referente al Circuito de Refrigeración del Horno,
sin modificación.
La propuesta seleccionada ofrece notables mejoras en la refrigeración de los
equipos, disminuyendo hasta 10°C la temperatura de ingreso del agua a los
intercambiadores de calor, en comparación con la situación actual.
76
De llevar a cabo los cambios propuestos, la torre de enfriamiento estaría en
capacidad de retirar la carga calorífica siempre y cuando el ventilador se encuentre
generando el flujo de aire solicitado. Esto implica una velocidad de salida del aire de
como mínimo 4 m/s y máximo 10 m/s.
Será durante la parada de planta que se pueda determinar la velocidad a la cual
está saliendo el aire de la torre de enfriamiento, debido a que por no contar con la
adecuada instrumentación (anemómetro), no fue posible realizar la medición. Aunque se
presume que está entre los valores deseados, debido a que la torre está trabajando
holgadamente dentro del rango para el que fue diseñada, basándose en los resultados del
balance de energía realizado a la torre.
Comparado con el equipo Air Cooler, el actual componente que se encarga de
refrigerar el Circuito Cerrado de Refrigeración, la torre de enfriamiento presenta mayores
ventajas, principalmente debido a las elevadas propiedades de transferencia de calor del
agua frente a las del aire. La torre de enfriamiento presenta una eficiencia mayor de hasta
un 35% en consumo eléctrico (5), lo cual se traduce en una disminución en los gastos por
concepto de electricidad y además en interés por el cuidado y la conservación del medio
ambiente. El Air Cooler es un equipo altamente ruidoso en comparación con la torre de
enfriamiento.
Es altamente ventajoso el hecho de que la viga refrigerada sea el componente más
alejado de la torre de enfriamiento, ya que a medida que el flujo de agua caliente viene de
regreso, se van agregando y mezclando los flujos de retorno de los distintos componentes
del circuito de refrigeración, los cuales se hallan a temperaturas más bajas y disminuyen
la temperatura global de la corriente al mezclarse.
77
Mejorar la transferencia de calor por medio de los cambios propuestos al sistema
y el remplazo del Air Cooler por la torre de enfriamiento permitirá reducir la temperatura
en los equipos y sus alrededores incluso. Se estaría hablando de una temperatura de
entrada a los equipos de 30°C (303,15K) y de retorno a la torre de enfriamiento de 34°C
(307,15K).
Esto trae beneficios al proceso de producción ya que se estarían cuidando los
equipos y evitando paradas de planta por problemas de refrigeración. Y a la vez se
obtienen mejoras a las condiciones del ambiente de trabajo en cuanto a la temperatura.
Recomendaciones

Durante la parada y realización de cambios al sistema de tuberías, es
recomendable realizar un buen mantenimiento a la torre de enfriamiento.
Revisar el estado del material de relleno (PVC), verificar el estado de los
rociadores, revisar el estado de los componentes rotativos (ventilador, motor,
reductor, cardán).

De igual manera, evaluar y realizar una limpieza a todos los intercambiadores
de calor, con la finalidad de que se pueda obtener una óptima transferencia de
calor por equipo.

Realizar la limpieza del sistema de tuberías aéreas y hacerlo pasar por toda la
línea hasta el punto de desagüe.

Verificar el estado de los filtros de agua y aplicar el retrolavado pertinente a
cada uno.

Mientras no se implemente la propuesta se deben reparar los ventiladores,
para asegurar la refrigeración de los componentes y equipos del Circuito
78
Cerrado de Refrigeración y mantener así la producción, evitando paradas de
emergencia.

Añadir instrumentación para medición de los flujos volumétricos, tanto para
líquidos como para gases (pueden ser portátiles). Con eso se puede monitorear
el desempeño de equipos como intercambiadores de calor y la torre de
enfriamiento.

Reforzar el plan de mantenimiento preventivo agregando la verificación
semanal del desempeño de los equipos tanto rotativos como de transferencia
de calor. Para determinar con anticipación posibles fallas como desbalanceo,
fallas eléctricas, fugas por roturas o pérdidas de sellos, formación de
incrustaciones y ensuciamiento en el caso de intercambiadores de calor.
79
REFERENCIAS
(1) SIDETUR. Disponible en Internet: http://www.sidetur.com.ve, consultado en
junio de 2012.
(2) Incropera, DeWitt, Bergman y Lavine. Fundamentals of Heat and Mass Transfer.
6ta edición. México, Pearson Education, 1999.
(3) SPX. Manual de operación de Torres de Enfriamiento Serie NC 8400. Disponible
en
Internet:
http://www.spx.com/en/products-and-services/product-
finder/#types=Cooling%2520Tower.
(4) SPX Cooling Technologies. Disponible en Internet: http://spxcooling.com/en/,
consultado en Mayo de 2012.
(5) Cooling Technology Institute. Disponible en Internet: http://www.cti.org/,
consultado en Mayo de 2012.
(6) HD Equipamentos. Disponible en Internet: http://www.hd.ind.br/home-esp.html,
consultado en Mayo de 2012.
(7) Yunus A. Cengel. Heat Transfer A Practical Approach. 2da edición. New York,
McGraw-Hill, 2004.
(8) Robert Perry, Green Don y Maloney James. Manual del Ingeniero Químico. 6ta
edición, McGraw-Hill.
(9) Ventiladores
Industriales
Evisa.
Disponible
http://www.evisaventiladores.com/, consultado en Abril de 2012.
en
Internet:
80
(10) Intercambiadores
Sesino.
Disponible
en
Internet:
http://www.sesino.it/,
consultado en Abril de 2012.
(11) Pedro Fernández Diez. Ingeniería Térmica y de Fluidos.Disponible en Internet
en http://librosredsauce.net, consultado en Abril de 2012.
(12) Irving H. Shames. Mecánica de los Fluido. 3ra edición, McGraw Hill.
Colombia, 1995.
(13) Apuntes de clases de Transferencia de Calor I y II de la Profesora Dosinda
González. USB 2010.
(14) Apuntes de clases de Instalaciones Mecánicas del Profesor Miltón López
Barbella. USB 2010.
81
APÉNDICES
Apéndice A: Circuito Cerrado de Refrigeración.
A.1: Planos del Circuito Cerrado de Refrigeración.
A.2: Plano de ubicación de equipos del Circuito Cerrado de Refrigeración.
A.3: Cama de Enfriamiento y Viga Refrigerada.
Apéndice B: Propuesta 1 – Unificación del Circuito Cerrado de Refrigeración con el
Circuito de Refrigeración del Horno.
B.1: Arreglo de tuberías y cambios al sistema actual.
B.2: Resultados de Pipe Flow® Expert.
B.3: Cálculos y resultados referentes a transferencia de calor.
B.4: Cálculos y resultados referentes a Torre de Enfriamiento.
B.5: Cotizaciones.
Apéndice C: Propuesta 2 – Sustitución del componente de enfriamiento del Circuito
Cerrado de Refrigeración, Air Cooler, por la Torre de Enfriamiento que se encarga de enfriar el
agua del Circuito de Refrigeración del Horno.
C.1: Resultados de Pipe Flow® Expert.
C.2: Cálculos y resultados referentes a Torre de Enfriamiento.
C.3: Cotizaciones.
Apéndice D: Propuesta 3 – Remplazar el Air Cooler del Circuito Cerrado de
Refrigeración por una nueva Torre de Enfriamiento.
D.1: Arreglo de tuberías y cambios al sistema actual.
D.2: Resultados de Pipe Flow® Expert.
82
D.3: Cálculos y resultados referentes a transferencia de calor.
D.4: Cotizaciones.
Apéndice E: Estudio de factibilidad del remplazo de todos los ventiladores del Air Cooler
del Circuito Cerrado de Refrigeración.
E.1: Resultados de Pipe Flow® Expert.
E.2: Simulación de Air Cooler en HTRI® para condiciones actuales.
E.3: Simulación de Air Cooler en HTRI® para condiciones propuestas.
83
A.1: Planos del Circuito Cerrado de Refrigeración
84
85
86
A.2: Plano de ubicación de equipos del Circuito Cerrado de Refrigeración.
87
88
89
90
91
92
A.3: Cama de Enfriamiento y Viga Refrigerada.
93
94
95
Apéndice B: Propuesta 1 – Unificación del Circuito Cerrado de Refrigeración con el
Circuito de Refrigeración del Horno.
B.1: Arreglo de tuberías y cambios al sistema actual.
96
Circuito 2 de Refrigeración del Horno - Remplazo por tubería de 8 pulgadas
Fotografía de imagen anterior
97
Circuito 2 de Refrigeración del Horno - Remplazo por tubería de 8 pulgadas
Circuito de Refrigeración del Horno - Remplazo de tubería por una de menor
diámetro
98
B.2: Resultados de Pipe Flow Expert.
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
B.3: Cálculos y resultados referentes a transferencia de calor.
112
Calor Retirado por el Circuito de Refrigeración del Horno (Obtenido de planos de la
empresa)
Elementos
Skids
Longitudinales
Tubo Transversal
Horno - Circuito N°1 – Ganancia de Calor
Diámetro Tubería
ΔT (°C)
Caudal Total
(Pulgadas)
(m3/h)
2½
10
96,06
2
10
6,92
2½
10
50,36
Tubos
Transversales
2½
10
14,5
Dintel
(Zona
Enhornamiento)
Ganancia Térmica Total (kW)
Horno - Circuito N°2 – Ganancia de Calor
Diámetro Tubería
ΔT (°C)
Caudal Total
Elementos
(Pulgadas)
(m3/h)
1½
10
18,9
Lanza
Deshornadora
1
10
3
Marcos
de
Puertas
¾
10
2
Palpadores
¾
10
1
Paso Palpadores
½
10
1
Cámaras
Ganancia Térmica Total (kW)
Ganancia Térmica
(kW)
186,16
80,46
146,39
168,60
581,61
Ganancia Térmica
(kW)
110
17,5
11,62
11,62
5,81
156,55
113
Transferencia de Calor en Intercambiadores
A continuación en se muestra en la siguiente tabla los resultados de las temperaturas de
salida, del agua y del aceite, de los intercambiadores de calor. Así como los respectivos flujos
másicos.
Intercambiadores de Calor de las Centrales de Lubricación, Tijeras y Deslizadores
Te
(°C)
Ts
(°C)
Te
(°C)
Ts (°C)
Flujo másico
del agua
(kg/s)
CDL 1 – B
30
32
46
36
3.28
24.914
CDL 2 – B
30
32
43
33
3.30
24.961
Tijera 16 – A
30
32
63
59
1.63
9.906
CDL 3 – B
30
32
50
40
3.64
24.906
CDL 4-1 – B
30
32
52
42
3.30
24.890
CDL 4-2 – A
30
33
52
48
1.12
9.955
Tijera 27 – A
30
32
63
59
1.54
9.910
CDL 5-1 – A
30
32
49
45
1.28
9.962
CDL 5-2 – A
30
32
52
48
1.39
9.952
Tijera 33 – A
30
33
63
57
0.96
9.910
CDL 6 – B
30
32
53
43
3.04
24.882
CDL 7-1 – C
30
33
41
33
1.46
19.977
CDL 7-2 – C
30
33
43
35
1.99
19.968
Deslizador 1 – A
30
31
41
37
2.14
9.985
Deslizador 2 – A
30
31
41
37
2.33
9.985
Ubicación / Tipo
de
Intercambiador
Agua
Aceite
Total Ganancia Térmica (kW)
Ganancia Térmica
en el agua
(kW)
244.063
114
Pérdidas de calor en intercambiadores
Aire Propiedades a Tf
Tsup  43°C
(Temperatura de superficie)
Talr  35°C
(Temperatura de alrededores)
Tf 
Tsup  Talr
2
L  950mm
 312.15K
3 W
k  27.3 10
Pr  0.705
m K
2
6m
  16.8910

 
1
Tf
RaD 
s
3 1
 3.204 10

K

g   Tsup  Talr  Dexter

2
3
6
 Pr  3.052 10
Dexter  170mm
(Diámetro Externo del
Intercambiador)
(Longitud del Intercambiador)
115


Nu  0.6 






h 
k
Dexter
2

6

0.387Ra
 D
  19.956
8
27
9

 
  0.559 16 
1   Pr   
1
 Nu  3.205
W
2
A  3.14 Dexter  L  0.507m
2
K m


Qconv  h A Tsup  Talr  13.001W

Qperd  Qconv  Qrad  32.594W
8
Qrad  0.75.67

 10
W
2
m K
 A  Tsup  Talr

4
4
4

  19.593W
116
Temperatura de salida de la Viga Refrigerada
Conocido el calor que es necesario retirar de la Viga Refrigerada, se determina la
temperatura de salida del agua a partir de la siguiente expresión.
Tsal  Tent 
Qviga
magua  Cpagua
Se obtienen los siguientes resultados:
Nombre
VR – 1 – 1
VR – 1 – 2
VR – 1 – 3
VR – 1 – 4
VR – 1 – 5
VR – 1 – 6
VR – 1 – 7
VR – 2 – 1
VR – 2 – 2
VR – 2 – 3
VR – 2 – 4
VR – 2 – 5
VR – 2 – 6
VR – 2 – 7
Viga Refrigerada – Ganancia de Calor
Flujo másico (kg/s) T entrada del T salida del
agua (°C)
agua (°C)
2.11
30
35
1.23
30
38
1.61
30
36
0.93
30
41
0.86
30
41
0.83
30
42
0.82
30
42
1.34
30
37
1.47
30
37
1.27
30
38
1.14
30
39
1.05
30
40
1.02
30
40
1.01
30
40
Ganancia Térmica Total (kW)
Ganancia
Térmica (kW)
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
574.896
117
B.4: Cálculos y resultados referentes a Torre de Enfriamiento.
118
Torre de Enfriamiento
Para esta propuesta se determina que la temperatura del agua de retorno a la torre será de
36°C aproximadamente. El análisis de la torre se realizó por medio de un balance de energía,
obteniéndose la ecuación que se muestra abajo y con la cual se determina el flujo másico de aire
requerido para retirar la carga calórica.
Se evalúa el caso para un diferencial de temperatura de 10°C y luego para el caso más cercano a la
realidad.
kg
aire  1.2
3
m
kg
mf  107.1
s
Patm  14.7psi
BT U
Tf1  103.9°F  39.944°C

hf1  71.0
Tf2  86°F  30 °C
hf2  54.1
Ta1  77°F  25°C
HR1  0.5
Ta2  86°F  30°C
HR2  0.99
BT U
hv1  1106.4
lbm
lbm
BT U
BT U
hv2  1098.70
lbm
lbm
Pg1  0.45psi
Pg2  0.64psi
Pv1  HR1Pg1  0.225psi

Pv2  HR2Pg2  0.634psi

Pa1  Patm  Pv1  14.475psi

Pa2  Patm  Pv2  14.066psi

W 1  0.622
Pv1
 0.01
Pa1
W 2  0.622

BT U
Cpaire  0.24
lbm 1°F

Pv2
Pa2
 0.028
mf  h f1  h f2
kg
maire_seco 
 94.777
Cpaire Ta2  Ta1  W 2 h v2  W 1 h v1  W 2  W 1  h f2
s

 
 

119
maire_seco
v 
3.5
aire 3.14   m
 2  
2
 8.213
m
s
Para el caso más cercano a la realidad:
kg
aire  1.2
 14.7psi
3 P
m atm
kg
mf  107.1
s
BT U
Tf1  96.8°F  36°C
hf1  64.8
Tf2  86°F  30 °C
hf2  54.1
Ta1  77°F  25°C
HR1  0.5
Ta2  86°F  30°C
HR2  0.99
BT U
hv1  1103.34
lbm
lbm
BT U
BT U
hv2  1098.70
lbm
lbm
Pg1  0.45psi
Pg2  0.64psi
Pv1  HR1Pg1  0.225psi

Pv2  HR2Pg2  0.634psi

Pa1  Patm  Pv1  14.475psi

Pa2  Patm  Pv2  14.066psi

W 1  0.622
Pv1
 0.01
Pa1
W 2  0.622

BT U
Cpaire  0.24
lbm 1°F

Pv2
Pa2
 0.028
mf  h f1  h f2
kg
maire_seco 
 59.914
Cpaire Ta2  Ta1  W 2 h v2  W 1 h v1  W 2  W 1  h f2
s

 
v 
 
maire_seco
3.5
aire 3.14   m
 2  
2
 5.192

m
s
120
B.5: Cotizaciones.
121
122
123
124
125
Apéndice C: Propuesta 2 – Sustitución del componente de enfriamiento del Circuito
Cerrado de Refrigeración, Air Cooler, por la Torre de Enfriamiento que se encarga de
enfriar el agua del Circuito de Refrigeración del Horno.
C.1: Resultados de Pipe Flow Expert.
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
C.2: Cálculos y resultados referentes a Torre de Enfriamiento.
138
De un balance de energía a la torre de enfriamiento se obtiene la ecuación con la que se
determinará el flujo másico del aire para enfriar el fluido a las condiciones abajo indicadas.
kg
aire  1.2
3
m
kg
mf  124.6
s
Patm  14.7psi
BT U
Tf1  93.2°F  34°C
hf1  61.18
Tf2  86°F  30 °C
hf2  54.1
Ta1  77°F  25°C
HR1  0.50
Ta2  86°F  30°C
HR2  0.99
BT U
hv1  1101.8
lbm
lbm
BT U
BT U
hv2  1098.70
lbm
lbm
Pg1  0.45psi
Pg2  0.64psi
Pv1  HR1Pg1  0.225psi

Pv2  HR2Pg2  0.634psi

Pa1  Patm  Pv1  14.475psi

Pa2  Patm  Pv2  14.066psi

W 1  0.622
Pv1
Pa1
3
 9.668 10
W 2  0.622

BT U
Cpaire  0.24
lbm 1°F

Pv2
Pa2
 0.028
mf  h f1  h f2
kg
maire_seco 
 46.086
Cpaire Ta2  Ta1  W 2 h v2  W 1 h v1  W 2  W 1  h f2
s

v 
 
maire_seco
3.5
aire 3.14   m
 2  
2
 3.994
m
s
 

139
C.3: Cotizaciones
140
141
142
143
144
Apéndice D: Propuesta 3 – Remplazar el Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración
por una nueva Torre de Enfriamiento.
D.1: Arreglo de tuberías y cambios al sistema actual.
145
146
147
148
149
150
151
D.2: Resultados de Pipe Flow Expert.
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
D.3: Cálculos y resultados referentes a transferencia de calor.
164
Transferencia de Calor en Intercambiadores
A continuación en se muestra en la siguiente tabla los resultados de las temperaturas de
salida, del agua y del aceite, de los intercambiadores de calor. Así como los respectivos flujos
másicos.
Intercambiadores de Calor de las Centrales de Lubricación, Tijeras y Deslizadores
Agua
Aceite
Flujo másico
Ganancia Térmica
Ubicación / Tipo
del agua
en el agua
de
Te
Ts
Te
Ts
(°C)
(kg/s)
(kW)
Intercambiador
(°C)
(°C)
(°C)
30
32
46
36
4.03
24.914
CDL 1 – B
CDL 2 – B
30
32
43
33
4.15
24.961
Tijera 16 – A
30
31
63
59
2.16
9.906
CDL 3 – B
30
31
50
40
4.89
24.906
CDL 4-1 – B
30
31
52
42
4.85
24.890
CDL 4-2 – A
30
32
52
48
1.66
9.955
Tijera 27 – A
30
31
63
59
2.08
9.910
CDL 5-1 – A
30
31
49
45
1.72
9.962
CDL 5-2 – A
30
31
52
48
1.87
9.952
Tijera 33 – A
30
32
63
57
1.30
9.910
CDL 6 – B
30
32
53
43
4.10
24.882
CDL 7-1 – C
30
32
41
33
2.01
19.977
CDL 7-2 – C
30
33
43
35
1.66
19.968
Deslizador 1 – A
30
31
41
37
3.02
9.985
Deslizador 2 – A
30
31
41
37
3.27
9.985
Total Ganancia Térmica (kW)
244.063
165
Temperatura de salida de la Viga Refrigerada
Conocido el calor que es necesario retirar de la Viga Refrigerada, se determina la
temperatura de salida del agua a partir de la siguiente expresión.
Tsal  Tent 
Qviga
magua  Cpagua
Se obtienen los siguientes resultados:
Sección
VR – 1 – 1
VR – 1 – 2
VR – 1 – 3
VR – 1 – 4
VR – 1 – 5
VR – 1 – 6
VR – 1 – 7
VR – 2 – 1
VR – 2 – 2
VR – 2 – 3
VR – 2 – 4
VR – 2 – 5
VR – 2 – 6
VR – 2 – 7
Viga Refrigerada – Ganancia de Calor
Flujo másico (kg/s) T entrada del T salida del
agua (°C)
agua (°C)
30
2.79
34
1.64
2.13
1.23
1.15
1.10
1.10
1.77
1.95
1.69
1.52
1.41
1.36
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
1.34
Ganancia Térmica Total (kW)
36
35
38
39
39
39
36
35
36
35
36
37
37
Ganancia
Térmica (kW)
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
41.064
574.896
166
D.4: Cotizaciones.
167
168
169
170
171
172
Apéndice E: Estudio de factibilidad del remplazo de todos los ventiladores del Air Cooler
del Circuito Cerrado de Refrigeración.
E.1: Resultados de Pipe Flow Expert.
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
E.2: Simulación de Air Cooler en HTRI para condiciones actuales
185
186
187
188
E.3: Simulación de Air Cooler en HTRI para condiciones propuestas
189
190
191