INDICE
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………2
I.
OBJEIVOS………….……………………………………………………………………….3
II.
FUNDAMENTO TEÓRICO……………………………………………………………….4 II.1. II.2. II.3. II.4.
III.
Condensadores………………………………………………………………………...4 Función de los Condensadores…………………………………………………….4 Partes de un Condensador………………………………………………………….5 Tipos de Condensadores……………………………………………………………8
CONDENSADOR BAROMETRICO…………………………………………………….14 III.1. Definición y funcionamiento……………………………………………………….14 III.2. Estructura de un condensador barométrico……………………………………..16 III.3. Balance de masa y energía en un condensador barométrico………………..18 III.4. Diseño del equipo…………………………………………………………………..19 III.4.1. Selección de variables………………………………………………………….20 III.4.2. Diseño metodológico……………………………………………………………21 III.4.3. Descripción de variables………………………………………………………23 III.4.4. Técnica de recolección y procesamiento de datos…………………………..24 III.4.5. Procesamiento y tabulación de datos………………………………………..25 III.4.6. Dimensiones……………………………………………………………………..28 3.4.6.1Diseño del cuerpo del condensador……………………………….…….29
3.5. Determinación de la eficiencia teórica del equipo……………………………………..36 IV. CONCLUSIONES…………………………………………………………………………….38 IV.
BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………………43
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INTRODUCCION
Es sabido, que cuando se disminuye la temperatura de un vapor hasta la temperatura de saturación a una presión específica, se produce la condensación. El condensador termodinámico es utilizado muchas veces en la industria de la refrigeración, el aire acondicionado o en la industria naval y en la producción de energía eléctrica, en centrales térmicas o nucleares. Adopta diferentes formas según el fluido y el medio. En el caso de un sistema fluido/aire, está compuesto por un tubo de diámetro constante que curva 180° cada cierta longitud y unas láminas, generalmente de aluminio, entre las que circula el aire. Un condensador es un cambiador de calor latente que convierte el vapor de su estado gaseoso a su estado líquido, también conocido como fase de transición. El propósito es condensar la salida (o extractor) de vapor de la turbina de vapor para así obtener máxima eficiencia e igualmente obtener el vapor condensado en forma de agua pura de regreso a la caldera. Condensando el vapor del extractor de la turbina de vapor, la presión del extractor es reducida arriba de la presión atmosférica hasta debajo de la presión atmosférica, incrementando la caída de presión del vapor entre la entrada y la salida de la turbina de vapor. Esta reducción de la presión en el extractor de la turbina de vapor, genera más calor por unidad de masa de vapor entregado a la turbina de vapor, por conversión de poder mecánico.
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I. I.1.
OBJETIVOS: OBJETIVO PRINCIPAL:
La finalidad principal de este tema es diseñar un condensador barométrico. I.2.
OBJETIVOS SECUNDARIOS:
Describir los tipos básicos de condensadores, indicando sus aplicaciones y usos principales y los criterios de selección. Exponer el método de cálculo en un condensador, identificando la superficie de intercambio, dimensiones y configuraciones.
Explicar el proceso que se lleva a cabo internamente en un condensador, para poder entender el funcionamiento del mismo.
Conocer las condiciones y variables de operación que requiere un condensador para un correcto funcionamiento. Determinar de los cálculos del balance energético del condensador.
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II.
FUNDAMENTO TEORICO
II.1.
CONDENSADORES:
Los condensadores de vapor son aparatos en los cuales se condensa el vapor de escape procedente de máquinas y turbinas, y de donde el aire y otros gases no condensables son evacuados en forma continua. Dos son las ventajas que pueden considerarse empleando condensadores en las máquinas y turbinas de vapor: a) Disminución de la presión de escape, con el consiguiente aumento de energía utilizable. b) Recuperación del condensado para utilizarlo como agua de alimentación para las calderas. En la mayoría de las centrales productoras de vapor la recuperación del condensado es muy importante, constituyendo una necesidad en la mayoría de las aplicaciones marítimas. El agua de alimentación de las calderas tomadas de lagos, ríos o mares, debe vaporizarse o tratarse apropiadamente antes de introducirla en los generadores de vapor. Con la tendencia a hacer trabajar las calderas a presiones y temperaturas cada vez más elevadas, ha aumentado la necesidad de trabajar con aguas de alimentación puras, dando como resultado que la mayoría de los condensadores instalados sean del tipo de superficie, los cuales permiten recuperar el condensado. II.2.
FUNCIÓN DE LOS CONDENSADORES:
La función principal del condensador es ser el foco frío o sumidero de calor dentro del ciclo termodinámico del grupo térmico. Por tanto, su misión principal es condensar el vapor que proviene del escape de la turbina de vapor en condiciones próximas a la saturación y evacuar el calor de condensación (calor latente) al exterior mediante un fluido de intercambio (aire o agua). Página 4
En el caso de una máquina frigorífica, el condensador tiene por objetivo la disipación del calor absorbido en el evaporador y de la energía del compresor.
Además, el condensador recibe los siguientes flujos: Las purgas de los calentadores y otros elementos, que una vez enfriadas son incorporadas
al circuito de condensado. El aire que procede de entradas furtivas en los diversos elementos del ciclo agua-vapor, a
través de los cierres de la turbina de vapor o con el agua de reposición al ciclo. Éste debe ser extraído y enviado al exterior mediante eyectores o bombas de vacío. El vapor procedente del escape de la turbo-bomba de agua de alimentación si la hay en la
instalación. El vapor de los by-passes de turbina de vapor, que en determinados modos de operación
transitorios (arranques, paradas, disparos, cambios bruscos de carga) conducen directamente al condensador todo el vapor generador en la caldera una vez atemperado. El agua de aportación al ciclo para reponer las purgas, fundamentalmente la purga continúa.
Esta agua es desmineralizada y proviene del tanque de reserva de condensado.
Las condiciones en el interior del condensador son de saturación, es decir, está a la presión de saturación correspondiente a la temperatura de condensación del vapor. Esta presión es siempre inferior a la atmosférica, es decir, se puede hablar de vacío.
II.3.
PARTES DE UN CONDENSADOR
Las partes más significativas de un condensador son:
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Cuello. Es el elemento de unión con el escape de la turbina de vapor. Tiene una parte más
estrecha que se une al escape de la turbina de vapor bien directamente mediante soldadura o bien a través de una junta de expansión metálica o de goma que absorbe los esfuerzos originados por las dilataciones y el empuje de la presión atmosférica exterior. La parte más ancha va soldada a la carcasa del condensador.
Carcasa o cuerpo. Es la parte más voluminosa que constituye el cuerpo propiamente dicho
del condensador y que alberga los paquetes de tubos y las placas. Suele ser de acero al carbono.
Cajas de agua. Colector a la entrada y a la salida del agua de refrigeración (agua de
circulación) con el objeto de que ésta se reparta de forma uniforme por todos los tubos de intercambio. Suelen ser de acero al carbono con un recubrimiento de protección contra la corrosión que varía desde la pintura tipo epoxy (para el agua de río) hasta el engomado (para el agua de mar). Suelen ir atornillados al cuerpo del condensador.
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Tubos. Son los elementos de intercambio térmico entre el agua y el vapor. Su disposición es
perpendicular al eje de la turbina. Suelen ser de acero inoxidable (agua de río) y titanio (agua de mar).
Placas de tubos. Son dos placas perforadas que soportan los dos extremos de los tubos.
Constituyen la pared de separación física entre la zona del agua de las cajas de agua y la zona de vapor del interior de la carcasa. Suelen ser de acero al carbono con un recubrimiento (cladding) de titanio en la cara exterior cuando el fluido de refrigeración es agua de mar. La estanqueidad entre los extremos de los tubos y las placas de tubos se consigue mediante el aborcardado de los extremos de los tubos y mediante una soldadura de sellado.
Placas soporte. Placas perforadas situadas en el interior de la carcasa y atravesadas
perpendicularmente por los tubos. Su misión es alinear y soportar los tubos, así como impedir que éstos vibren debido a su gran longitud. Su número depende de la longitud de los tubos. Suelen ser de acero al carbono.
Pozo caliente. Depósito situado en la parte inferior del cuerpo que recoge y acumula el agua
que resulta de la condensación del vapor. Tiene una cierta capacidad de reserva y contribuye Página 7
al control de niveles del ciclo. De este depósito aspiran la bombas de extracción de condensado.
Zona de enfriamiento de aire. Zona situada en el interior de los paquetes de tubos, protegida
de la circulación de vapor mediante unas chapas para conseguir condiciones de subenfriamiento. De esta manera, el aire disuelto en el vapor se separa del mismo y mediante un sistema de extracción de aire puede ser sacado al exterior.
Sistema de extracción de aire. Dispositivos basados en eyector que emplean vapor como
fluido motriz o bombas de vacío de anillo líquido. Su misión, en ambos casos, es succionar y extraer el aire del interior del condensador para mantener el vacío. Estos dispositivos aspiran de la zona de enfriamiento de aire.
II.4.
TIPOS DE CONDENSADORES:
II.4.1. CONDENSADOR DE AIRE Los condensadores que tienen como medio enfriador el aire ambiente pueden ser estáticos o de tiro forzado: •
Estáticos: Suelen ser de tubo liso, como la velocidad del aire es lenta se acumula mucha suciedad. Suelen ser bastante largos y se usa sólo en el entorno doméstico.
•
Tiro forzado: Utilizan ventiladores para aumentar la velocidad del aire, por lo tanto reducimos superficie de tubo. Exteriormente es bastante parecido a un evaporador.
II.4.2. CONDENSADOR DE AGUA
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Son aquellos que usan el agua como medio condensable. Para asegurar un buen funcionamiento y limitar el consumo de agua, las temperaturas idóneas del agua a la salida del condensador con respecto a la temperatura de entrada han de ser: •
Temperatura de entrada hasta 15ºC, la salida ha de ser 10ºC más que la entrada.
•
Temperatura de entrada a partir de 16ºC, la salida ha de ser 9ºC más que la entrada.
•
Temperatura de entrada a partir de 21ºC, la salida ha de ser 8ºC más que la entrada.
•
Se deben instalar torres de recuperación de agua a partir de las siguientes potencias frigoríficas:
•
En sistemas de refrigeración, a partir de 18.000frg/h.
•
En aire acondicionado, a partir de 6.000frg/h.
•
Estas torres de recuperación deben de recuperar hasta el 75 % del agua.
II.4.3. CONDENSADOR DE MEZCLA: Sistemas que condensan vapor mediante contacto directo que permite una condensación eficiente del vapor y enfriamiento de los gases no condensados
a) CONDENSADORES DE SUPERFICIE En los condensadores de superficie se puede recuperar el condensado porque no se mezcla con el agua de refrigeración. El vapor que hay que condensar normalmente circula por fuera de los tubos (fig. 1), mientras que el agua de enfriamiento o circulante pasa por el interior de los mismos. Esto se hace porque el vapor limpio no ensucia la superficie externa de los tubos, la cual es difícil de limpiar. El agua de refrigeración, frecuentemente está sucia y deja sedimento en el interior de los tubos. El método usual de limpiarlos consiste en desmontar las tapas del condensador y hacer pasar por dentro de los tubos cepillos de alambre movidos por un motor eléctrico. Esta tarea no es tan sencilla como puede parecer, porque un condensador puede tener de mil a once m in tubos.
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b) CONDENSADORES DE CHORRO, DE NIVEL BAJO En la figura aparece un condensador de chorros múltiples, de nivel bajo. El condensador consiste en una cámara cilíndrica cerrada, en cuya parte superior hay una caja de boquillas de agua, la cual va acoplada a un tubo en forma de Venturi, cuyo extremo inferior se halla sumergido en el agua. El agua inyectada pasa por las boquillas por la presión de la bomba y por el vació existente. Los chorros están dirigidos a la garganta del tubo en donde se reúnen para formar un solo chorro. El vapor de escape en el condensador por la par te superior se pone en contacto directo con los chorros de agua convergentes, y se condensa. Por el efecto combinado de la presión de agua externa, el vacío existente dentro del condensador, y la acción de la gravedad, los chorros de agua alcanzan una velocidad suficiente para arrastrar el vapor condensado, el aire y los gases no condensables, y para descargarlos en el pozo caliente venciendo la presión atmosférica. Los chorros de agua crean el vacío al condensar el vapor, y lo mantienen al arrastrar y evacuar el aire y los gases no condensables. De esta forma no se requiere bomba alguna para evacuar el aire y el agua. La unión que aparece en la figura entre la turbina y el condensador consiste en un tubo de cobre ondulado con bridas de hierro colado. Esta unión permite las dilataciones y contracciones producidas por las variaciones de temperatura.
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El condensador eyector requiere más agua que cualquier otro tipo de condensador de chorro, pero la ausencia de bombas de vacío compensa esta desventaja. Los condensadores de chorros múltiples pueden mantener un vacío del orden de 737 mm con respecto a una presión barométrica de 762 mm, con agua de refrigeración a 15,6r C; este tipo de condensador es apropiado para turbinas de una potencia hasta 10 000 kW. En los condensadores de chorro, de nivel bajo, la cámara de condensación se halla a poca altura, el agua se saca mediante una bomba, y su altura total es lo suficientemente baja para poderlos instalar debajo de la turbina o máquina de vapor. Los condensadores de tipo barométrico se colocan a un nivel suficientemente elevado (del orden de 12 m), sobre el punto por donde se descarga el agua, para que ésta pueda salir por sí sola por la acción de la gravedad a través de un tubo con cierre hidráulico o columna barométrica. La figura 8 representa una vista y una sección de un condensador de chorro, de nivel bajo. La bomba del vacío-húmedo evacua el condensado, el aire arrastrado y los otros gases no condensables. El condensado líquido ayuda a hacer la junta delos anillos del émbolo y disminuye las fugas, no necesitándose ningún eyector de aire independiente.
c) CONDENSADORES BAROMÉTRICOS
La figura
representa la sección de un condensador barométrico (de contacto directo), a
contracorriente, en el cual se emplea el sistema de discos para distribuir el agua. En el condensador Página 11
ilustrado el agua de refrigeración entra por un punto situado por encima de la entrada del vapor, y el agua va cayendo de disco en disco, tal como aparece en la figura. El aire contenido es evacuado por medio de un eyector de aire, de chorro de vapor con dos escalonamientos y un refrigerador intermedio. El vapor a alta presión al expansionarse a través de las toberas a una elevada velocidad, arrastra el aire y los gases no condensables; la energía cinética de esta elevada velocidad se transforma en presión en la garganta del tubo combinado, comprimiendo e impidiendo hacia el exterior la mezcla a ire-vapor. El agua caliente resultante del proceso de condensación cae en el fondo del condensador y, a continuación, en el tubo de salida, mientras que el aire es enfriado en la parte superior del aparato, quedando a una temperatura próxima a la del aguade entrada. De esta manera el eyector de aire trabaja con gases fríos, que contienen poco vapor y prácticamente nada de agua. La parte inferior del tubo de salida (de unos 10,7 m de longitud) está sumergida en el pozo caliente. Como quiera que la presión atmosférica pueda soportar una columna de agua de 10,36 m de altura, el tubo de salida constituye una bomba de evacuación automática, y el agua sale de dicho tubo tan ´rápidamente como se va acumulando en el mismo. En los condensadores barométricos y de nivel bajo es normal elevar el aguade la fuente de alimentación a la altura necesaria para la inyección, mediante el vacío que existe dentro del condensador. La altura máxima a que por este procedimiento puede elevarse el agua es de unos 5,49 m con un vacío de 712 mm con respecto a una presión barométrica de 762 mm. Cuando resulta necesario se emplea una bomba para ayudar a elevar el agua a la altura requerida por el condensador. Los condensadores barométricos son de construcción simple, sin órganos móviles, ni toberas, ni orificios estrangulados que pueden taparse y no necesitan válvulas de comunicación con la atmósfera.
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II.4.4. CONDENSADORES EVAPORTIVOS: Está formado por un serpentín por el cual circula el refrigerante, este es mojado por unas duchas de agua de manera que al hacer circular una corriente de aire el agua que moja los tubos se evapora extrayendo calor. Tiene un rendimiento muy bueno El condensador evaporativos es uno de los medios más modernos y ampliamente utilizados en la industria, en plantas de proceso, para ahorrar energía en su operación. Este tipo de condensador es una combinación de condensador y torre de enfriamiento.
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III.
CONDENSADOR BAROMETRICO III.1.
Definición y funcionamiento
El condensador barométrico es un equipo de alta confiabilidad para condensar el vapor proveniente de los evaporadores de múltiple efecto y producir vacío en el sistema. Es un condensador de contacto directo en el que el agua es rociada como spray y el vapor puede fluir en paralelo o en contracorriente. Una de las principales ventajas del condensador barométrico es que el agua de inyección se puede descargar a través de una pierna por gravedad, sin requerir una bomba de vacío. Además que en el condensador barométrico no hay piezas móviles, por lo que el costo de mantenimiento es bajo; requiere poco espacio y es fácil de instalar. En un condensador barométrico a contracorriente, el vapor de escape entra al condensador por la parte inferior se pone en contacto directo con los chorros de agua y se condensa; los Página 14
chorros de agua alcanzan una velocidad suficiente para arrastrar el vapor condensado, no así el aire y los gases no condensables. No se requiere bomba alguna para evacuar el agua, ya que esta fluye por gravedad.. Estos condensadores son apropiados en lugares en los que hay abundante agua fría de buena calidad (arroyos de montaña). La condensación puede mejorarse automatizando el agua fría. A continuación se presentan los esquemas de los condensadores de contacto directo a contracorriente más comunes.
Condensadores barométricos tipo spray
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Condensador barométrico de bandeja
En los condensadores barométricos en contracorriente, el vapor del jugo entra al condensador cerca de la parte inferior, se eleva a través de la corriente de agua que cae y se condensa conforme se aproxima a la salida inferior. Los gases no condensables se acumulan en la parte superior. El condensador cuenta con dispositivos para la remoción de estos gases no condensables que entran con el vapor o con el agua. La rápida reducción del volumen del vapor que se transforma en agua produce vacío, y bombeando el agua de la parte baja del condensador, tan pronto como se va formando, se podría mantener el vacío así creado. En un condensador barométrico de flujo contracorriente, el vapor de jugo entra al condensador por la parte inferior, fluye hacia a arriba y se condensa a medida que cede su calor latente al agua de condensación. El agua de condensación fluye hacia abajo a una velocidad controlada mientras que los gases no condensables con extraídos en la parte superior del equipo. En la pierna barométrica entra la mezcla resultante de la condensación a vacío líquida y se descarga al pozo de agua caliente. Esto hará que la columna del líquido en la pierna barométrica descienda automáticamente manteniendo la diferencia hidrostática entre el vacío de operación y la presión atmosférica. Por lo tanto el condensador necesita una
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pierna barométrica para remover el agua sin perder el vacío, manteniendo una carga hidrostática. Si no hay aire o gases no condensables presentes en el vapor que llega al condensador, solamente sería necesario condensar el vapor y extraer el condensado, con el objeto de crear y mantener el vacío. Sin embargo, como es prácticamente imposible evitar la entrada de aire y otros gases no condensables al interior del condensador, fue necesario hacer uso de una bomba de vacío o un eyector para mantener el vacío en el interior del condensador.
La función primaria del condensador puede ser considerada, por lo tanto, como la de producir y mantener una baja presión para permitir la evacuación. La condensación del vapor evacuado de un evaporador puede llevarse a cabo en una u otra de las siguientes formas: 1) Por medio de automatización de agua relativamente fría en una cámara, a la cual se envía el vapor de evacuación del evaporador (condensador de mezcla). 2) Haciendo fluir el vapor de evacuación sobre un cierto número de tubos de metal enfriados interiormente por una corriente relativamente fría de agua de circulación (intercambiador del tipo indirecto o de superficie). En ambos casos: a) La cámara del condensador debe ser cerrada, para evitar la pérdida del vacío debido a las entradas de aire. b) El vapor condensado o agua debe ser extraído en forma continua, para permitir un flujo constante de vapor de evacuación dentro de la cámara de condensación. c) Se debe agregar los dispositivos que permitan la extracción del aire y otros gases no condensables que podrían entrar en el condensador, ya sea debido a pequeñas fugas, o con el vapor. Esto es necesario con el objeto de mantener el vacío.
III.2.
Estructura de un condensador barométrico
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A continuación se presenta un esquema de un condensador barométrico de tipo spray de bandeja simple con flujo en contracorriente. Los vapores ingresan al equipo por “A”, luego van ascendiendo a medida que se van enfriando y condensando por el contacto con el agua fría. El agua fría ingresa al condensador por “C” y luego cae por los platos. El conducto “B” está conectado a una bomba de vacío y es por donde salen los gases no condensables.
Estructura de un condensador barométrico en contracorriente
El conducto “D” son salidas que permiten evacuar el agua de refrigeración junto con los productos condensables, además de servir como un sello para mantener el vacío en el interior del condensador barométrico. Este conducto es lo que anteriormente se mencionó como pierna barométrica. La longitud de la misma puede variar, según la localización geográfica y la presión de vacío a la que se desee llegar. Generalmente se desea un vacío casi perfecto. La sección “F” del esquema señalado en la figura 3 representa la bandeja perforada. Esta bandeja permite distribuir el agua de condensación uniformemente por el cuerpo del condensador. Cuenta con un agujero central, con agujeros periféricos y con un labio de desbordamiento. Los agujeros periféricos permiten regular la velocidad a la que fluye el Página 18
80% del agua de condensación. Mientras que el labio de desbordamiento permite que el agua moje las paredes del cuerpo del condensador. El diseño de los condensadores barométricos puede variar, mas no significativamente; la estructura presentada no es la estructura más común que se utiliza en las industrias actualmente, sin embargo, este diseño representa altas eficiencias y bajos costos de inversión inicial y de mantenimiento. Las principales diferencias entre los distintos condensadores barométricos consisten en el sistema de distribución de agua a través del cuerpo del condensador. En el diseño mostrado en la figura 3, el agua forma cortinas al tiempo que fluye por las distintas bandejas, generando así un tiempo de contacto adecuado entre ambas fases.
III.3.
Balance de masa y energía en un condensador barométrico
Todos los productos que entran en una operación salen como productos y como residuos. Un balance de masa se define como la verificación de la igualdad cuantitativa de masa que debe existir entre los insumos de entrada y los productos y residuos de salida. El balance de masa usualmente se realiza utilizando unidades de peso, ya que la magnitud de los volúmenes cambia con la temperatura. El balance de masa es aplicable a cualquier proceso y a cualquier operación unitaria a través de la siguiente ecuación genérica:
En el caso específico del condensador barométrico la masa total de vapor y agua de enfriamiento entrante debe ser igual a la sumatoria de las salidas del condensador. Entre las salidas se tiene la mezcla del condensado con agua y los gases no condensables. Los gases no condensables entran al condensador como fracciones en el vapor y agua de alimentación, por lo que estas fracciones deben ser tomadas en cuenta para realizar el balance de masa del equipo. La masa residente inicial y final para el condensador barométrico analizado deben ser consideradas como cero. Pero es importante tomar en cuenta que las velocidades de alimentación y de evacuación no son las
mismas.
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El balance de energía se puede realizar utilizando el mismo método que en el balance de masa en cada operación unitaria o en los procesos en donde intervenga energía. Se puede realizar un balance adecuado de la energía térmica por medio de las relaciones que indica el siguiente cuadro:
En el condensador barométrico el balance de energía, balance entálpico, se debe dar entre la entalpía inicial tanto del agua como del vapor de alimentación y la entalpía resultante de la mezcla. La entalpía de salida de los gases no condensables puede ser despreciada.
El balance de energía en un condensador barométrico puede calcularse cuantificando las energías que entran y salen de él. La energía que entra está formada por:
Energía cinética del vapor entrante. Entalpía del vapor entrante. Energía cinética del agua entrante. Entalpía del agua entrante. Energía potencial del agua entrante.
La energía que sale está formada por:
Energía cinética de la mezcla a la salida del condensador. Entalpía de la mezcla. Energía potencial de la mezcla.
Sin embargo, considerando un condensador real, las energías cinética de entrada y salida del agua de circulación son pequeñas y se puede considerar que se anulan una con otra, las energías cinética de entrada del vapor y salida de condensado así como las energía potenciales pueden despreciarse. De esta manera, las energías resultantes para el balance de energía dentro del condensador son:
Entalpía de entrada del vapor y agua de enfriamiento. Página 20
Entalpía de salida de la mezcla.
III.4.
Diseño del equipo
Uno de los condensadores más eficientes utilizados en la actualidad para la condensación en el proceso de producción de azúcar es el condensador barométrico de
bandeja
simple tipo spray. Este condensador presenta una gran
área de
contacto y permite controlar el tiempo de contacto por
medio
de sus diversas perforaciones circundantes y el área de desbordamiento. Además, al sólo poseer una bandeja, representa
menores
costos
de
inversión
y
de
mantenimiento que el condensador barométrico de bandejas múltiples. Una de las partes más complejas para el diseño del condensador barométrico tipo spray de bandeja simple es precisamente el diseño de la bandeja.
III.4.1. Selección de materiales La corrosión es la causa principal del deterioro de los equipos de la Industria química. La mayoría de destrucciones pueden prevenirse escogiendo adecuadamente los materiales dentro de la gama muy amplia que dispone el ingeniero. Entre ellos se encuentran una gran variedad de metales, plásticos, materiales cerámicos y pinturas. En las plantas que operan en continuo, las pérdidas en producción debido a deterioros por corrosión son tan costosas que justifican los materiales más costosos. En instalaciones más sencillas, puede ser más económico seleccionar materiales de menor costo y programar limpiezas frecuentes de los equipos para prevenir la corrosión. Para la selección del material a utilizar en los distintos equipos dentro de una planta es necesario tomar en cuenta los siguientes factores:
Tamaño de planta Condiciones de trabajo Tipo de corrosión Adecuada información de los materiales que se puedan escoger Página 21
Características frente a la corrosión Cuestiones económicas
Para asegurar la solución más económica en problemas de corrosión, es necesario estudiar el tipo de corrosión que tiene lugar y conocer las condiciones a las que opera el equipo, tanto las normales como los posibles casos circunstanciales; como en paradas o puestas en marcha. No suele ser interesante económicamente diseñar una planta que esté totalmente libre de corrosión. Velocidades de 0,1 mm/año y hasta 6 mm/año suelen ser tolerables, dependiendo del costo de los materiales alternativos; y del grado de contaminación que puede aceptarse. En caso de temperaturas muy elevadas, es necesario utilizar el teflón; a pesar de su costo muy elevado y de su difícil aplicación y procesado. A menudo la corrosión puede ser atendida mejor cuidando pequeños detalles en el diseño que seleccionando los materiales más resistentes y costosos. Algunos ácidos concentrados en frío suelen transportarse en tubos de acero al carbono, siempre que la velocidad de circulación sea inferior a 1 m/s. Debido a ello, es mejor utilizar tuberías de acero al carbono de diámetros grandes que de acero inoxidable de diámetros pequeños. La corrosión por picaduras de aceros inoxidables en condensadores se puede prevenir eliminarse los restos de productos remanentes cuando no se utiliza el equipo. Por lo general en los condensadores no se requiere materiales sumamente resistentes a la corrosión, ya que el condensado es un líquido de alta pureza. El acero inoxidable 3CR12 es un tipo de acero de características soldables y estructural. Acero resistente a la corrosión que contiene un cromo nominal del 12%. Este tipo de acero fue desarrollado originalmente como un material alternativo de construcción de materiales tales como acero al carbono, galvanizado, entre otros, donde las propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión de estos materiales eran inadecuadas. Con una esperanza de vida promedio de 5 a 10 veces la del acero al carbono y con un costo considerablemente inferior a los grados superiores de acero inoxidable, 3CR12 es reconocida como una alternativa muy eficaz para acero al carbono recubierto, resultando en aumentos de capital mínimo de costos y ahorros significativos en costos de mantenimiento.
III.4.2.
Diseño metodológico
Variables independientes Página 22
Variables de proceso
Velocidad de entrada de vapor. Calidad del vapor. Temperatura de entrada del agua. Proporción de ingreso de no condensables.
Variables de diseño
Presión en el condensador. Temperatura de salida de la mezcla. Velocidad de entrada de agua. Variables dependientes intermedias
Variables de proceso
Velocidad de caída del agua. Velocidad de salida de mezcla. Velocidad de salida de no condensables.
Variables de diseño
Número de agujeros en la bandeja. Diámetro de agujeros periféricos. Diámetro de agujero central. Altura de la bandeja. Variables finales
Variables de diseño
Altura del cuerpo del condensador. Diámetro del cuerpo del condensador. Altura de la pierna barométrica. Diámetro de la pierna barométrica. Diámetro de las bridas. Potencia de la bomba. Coeficiente del eyector.
Variables dependientes Eficiencia del condensador. Costo estimado.
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III.4.3. Descripción de las variables
Tabla I. Descripción metodológica de las variables de proceso
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III.4.4. Técnica de recolección y procesamiento de datos La recolección de información teórica es una etapa previa a la investigación en sí, pero que proporciona a los mismos fundamentos y validez. Durante esta etapa se recopiló toda la información proveniente de la literatura que puedan ayudar para el posterior tratamiento de datos e interpretación de los resultados obtenidos al final del proceso de investigación. Durante esta etapa también es de suma importancia que se realice una compilación de las ecuaciones matemáticas y ecuaciones de diseño que serán utilizadas en el desarrollo del modelo. A través de la recolección teórica se recaudaron todos los datos que posteriormente fueron utilizados para poder generar adecuadamente los criterios de diseño. Recolección de datos Durante la etapa de recolección de datos se consultó personal de un ingenio, de donde se obtuvieron los datos de cuantos toneladas de caña procesan diariamente. A través de esta entrevista también se logró recopilar información adicional, como las condiciones del ambiente, eficiencias y capacidades máximas a las que se trabaja. Otra parte fundamental en la toma de datos fue la visita a un taller especializado en la realización de equipos industriales, INMECASA. En donde se pudo obtener información sobre los materiales más utilizados, económicos y resistentes. A partir de ello se pudo determinar que el material más conveniente para el cuerpo del evaporador es el acero inoxidable 4CR12, mientras que para los accesorios puede ser utilizado acero al carbón. Así mismo se recopilaron datos sobre los accesorios del equipo, así como de costos.
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Diagrama de flujo:
III.4.5. Procesamiento y tabulación de datos Balance de masa del condensador barométrico:
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Balance de masa general:
V +W =G+ M Balance de masa del agua en el condensador:
0.993 V =xM
0.991W =( 1−x ) M 0.0070 V +0.009 W = A
Balance de energía del condensador barométrico De la primera ley de la termodinámica; balance entálpico.
∑ Hentra=¿ En donde:
∑ Hsale
……..
(2)
Hentra = entalpías de las corrientes de entrada (Btu). Hsale = entalpías en las corrientes de salida (Btu). Entonces,
despreciando
la
entalpía
de
los
gases
no
condensables, se obtiene:
mw hw +m v h v =mm hm En donde: hm= entalpía másica de la mezcla (Btu /lb) hw = entalpía másica del agua (Btu /lb) Página 28
Diagrama de flujo del condensador ……….(3) barométrico (balance de
hv = entalpía másica del vapor (Btu /lb)
mw = flujo másico total de la mezcla (lb/s) mv = flujo másico total del vapor (lb/s) mw = flujo másico total del agua (lb/s) Planteando la mezcla como la suma del flujo másico del agua y del condensado se obtiene que:
m w hw +m v h v =m v hm +m m hm … … …(4) hm−h h (¿ ¿ m−h v )… … … .(5) (¿¿ w)=mv ¿ mw ¿ Planteando el cambio entalpía en términos del cambio de temperatura y de la capacidad calorífica del agua.
h (¿ ¿ m−hv ) m w c p T m−mw c p T w =m v ¿
T h (¿ ¿ m−h v )… … … …( 6) (¿ ¿ m−T w )=mv ¿ mw c p ¿ Planteando el cambio de entalpía del vapor en términos del calor latente de vaporización.
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T (¿ ¿ m−T w )=mv λ … … …(7) mw c p ¿ En esta ecuación se puede fijar 0 oC como la temperatura de referencia para la entalpía y asumiendo la capacidad calorífica como constante. Despejando el flujo másico del agua y convirtiéndolo a toneladas sobre hora:
mw =
mv λ … … … (8) 500(T v + T w −T m )
En donde:
mv = flujo másico del vapor (ton/h) mw = flujo másico del agua (ton/h) T v = temperatura del vapor de alimentación (F) T w = temperatura del agua de refrigeración (F) T m = temperatura de la mezcla (F) cp = capacidad calorífica (Btu/lbF) λ = calor latente de vaporización del agua (Btu/lbF) Utilizando los datos del inciso 3.5.1 y datos de propiedades del vapor saturado (Cheng, pág. 215, Tabla A-1) y sustituyendo en la ecuación anterior se obtiene:
mw =
(5.91 Btu /lbF)(200.3ton/h)(19ºF ) 500(250.5ºF +78.8 F +241.50 ºF)
Página 30
mw =1171.9 ton /h Sustituyendo los datos encontrados en el balance general y los elementales de masa se pueden obtener los flujos restantes:
• Balance de masa del agua en el condensador:
0.0070 ( 200.3ton/ h ) +0.009 (1.171.9 ton/h)=A A=11.94 ton/ h • Balance de masa general:
200.3
ton ton ton +1171.9 =11.94 +M h h h
Resumen flujos en el condensador
III.4.6. Dimensionamientos Página 31
Para poder determinar las dimensiones adecuadas para el cuerpo del condensador barométrico, se utilizarán las deducciones planteadas en Hugot (Ref. No. 8) para un condensador de contacto directo de bandeja perforada sencilla, debido a que según Hugot, Cheng y Graham Corporation es el que representa una eficiencia hasta del 5% superior a la de otros condensadores barométricos y reducción de costos. Este condensador combina la eficiencia
de
un condensador sprayer con la simplicidad mecánica de un condensador de bandejas. A continuación se presenta el esquema de un condensador de bandeja sencilla tipo lluvia a contracorriente: III.4.6.1. Diseño del cuerpo del condensador Bandeja perforada Hugot (Ref. No. 8) propone la siguiente
ecuación
de diseño para el cálculo del flujo del agua,
a través
de los agujeros circunferenciales.
π Q p= ∗d 2∗C D √ 2 gh … ..(9) 4
En donde:
Q p = flujo volumétrico a través de cada orificio (ft3/seg) d = diámetro de orificio (ft) h= altura del líquido sobre la bandeja (ft) g= aceleración por gravedad (ft/s2)
C D = coeficiente de descarga (Sugerido por Hugo como 0,65)
Página 32
Como criterio de diseño se pueden utilizar un diámetro de orificio de 0,42 pies y una cabeza de altura de 0,166 pies. Sustituyendo datos se obtiene que el caudal que fluye por cada orificio es de:
√
π 2 ft Q p= ( 0.0426 ft ) (0.65) 2(32.3 2 )(0.166 ft ) 4 s 3
Q p=0.003031 ft /s •
N=
Se determina el número de agujeros circunferenciales:
0.8∗Qw … … …(10) Qp
En donde: N= número de perforaciones en la bandeja. Qp= flujo volumétrico que fluye por cada orificio (ft3/s) Qw= flujo volumétrico de agua que entra al condensador (ft3/s) Sustituyendo el flujo de agua encontrado mediante el balance de masa y Energía se obtiene que:
0.80 .(1171.9 N=
•
ft 3 lb 0.003031 ∗62.3 3 s ft ∗36000 s /h 20000lb ton
)
=114.13 ≈ 114
Ahora, para determinar el diámetro de la bandeja se utiliza:
π Aa=
(
tn ) h
∗d 2
2 √3 p2
… … … . ( 11 )
Página 33
A a∗A b=N∗AO … … … ( 12 ) π
∗d2
2√ 3 ∗π p2 N∗π ∗D2= ∗d 2 … … …(13) 4 4 De donde se obtiene:
D=
( N∗2π √3 ) 0.5∗p … … … ( 14 )
En donde: Aa= área abierta por unidad (ft2) d= diámetro de agujero (ft) Ab= área de bandeja (ft2) Ao = área del orificio (ft2) N= número de orificios circunferenciales p = pitch del plato perforado (Hugot (Ref. No. 8) sugiere 0,124ft como criterio de diseño) D= diámetro de la bandeja (ft) Sustituyendo datos en la ecuación No. 14 se obtiene que:
D=
( 114∗2π √3 )0.5∗( 0.124 ft )
D=4.50 ft
Página 34
A lo que debe añadirse el área no perforada debajo de la entrada de agua, las cuales no son tomadas en cuenta en los cálculos anteriores. Esta área corresponde al 20% del total de la bandeja, por lo que se obtiene:
D=4.50 ft ( 1.2 )=5.4 ft Para calcular el diámetro del agujero circunferencial a la entrada de la bandeja se utiliza:
π 2 π 2 2 A b = D = 5.4 ft =22.06 ft 4 4 A PC =0.10 A b … … … ( 15 ) Entonces se obtiene que:
22.016 ft 2=2.206 ft 2 A PC =0.10 ¿ Pero:
D pc =√2.206 ft 2∗4 /π … … … . (16 ) D pc =0.0653 ft En donde: Apc= área de la perforación circunferencial ( ft
2
)
Dpc= diámetro de la perforación circunferencial ( ft
2
)
Finalmente, para determinar la altura de rebosadero de la bandeja Hugot sugiere que debe ser la décima parte del diámetro de bandeja, a la cual debe ser restado el 20% del diámetro por el que no circula agua en la bandeja. Con lo Página 35
cual se obtiene:
H R =0.8
( 10D )=0.8( 4.510ft )=0.36 ft … …(17)
En donde: HR= altura de rebosadero de bandeja (ft) D= diámetro de bandeja (ft)
Cuerpo del condensador El diámetro interno del condensador debe ser tal que permita
que el
10% de agua que desborda de la bandeja fluya adecuadamente, más un factor de seguridad del 15% recomendado por Hugot. Se conoce que el área por el que fluye el 10% es de 2,206 ft2;
lo cual
corresponde al área de flujo por perforación. Entonces se
puede
encontrar el diámetro de la coraza de la siguiente manera: 2
A +0.0653 ft AS= b … … … (18 ) 1.15 2
AS=
2
22.06 ft +0.0653 ft =27.9059 ft 2 1.15
Finalmente, para encontrar el diámetro:
D pc =√27.90259 ft 2∗π /4=6.54 ft … … … . (19 ) En donde: As = área de la coraza (ft2)
Ds = diámetro de coraza (ft) Página 36
Ab = área de la bandeja (ft2)
Según Chen (Ref. No. 3), como criterio de diseño se puede determinar la altura de la coraza como:
H S =2 D S−1 … … …(20) H S =2 ( 6.54 ft )−1=12.08 ft Para encontrar la altura de la bandeja se utiliza:
2 H b= H S … … …(21) 3 En donde: Hb= altura de la bandeja (ft)
Hs= altura de la coraza (ft)
2 H b= ( 12.08 ft )=7.95 ft 3 De esta manera, se puede aproximar la altura de la bandeja a 8 pies sobre el nivel de entrada del vapor al condensador. 5.1.3.- Diseño de boquillas Para la dimensión de las boquillas se utiliza las velocidades recomendadas de diseño “Velocidades de fluidos en tuberías”:
Q= A∗V … … .(22) En donde: Q = caudal volumétrico ( ft
3
/s)
v = velocidad lineal del fluido (ft/s) Página 37
A = área de flujo ( ft
2
)
• Para la boquilla de entrada de vapor:
tn lb ∗2000 h tn m = A∗60 ∗3.2806 ft / m lb s 13.18 3 ∗3600 s/ h ft 200.3
A=129.447 ft 2 D= √129.447 ft 2∗4 /π =3.93 ft • Para la boquilla de entrada de agua:
tn lb ∗2000 h tn m = A∗2 ∗3.2806 ft / m lb s 32.2 3 ∗3600 s/ h ft
1171.9
A=28.9917 ft 2 D= √ 28.9917 ft 2∗4 /π =1.91 ft • Para la boquilla de salida de gases no condensables:
tn lb ∗2000 h tn m = A∗15 ∗3.2806 ft / m lb s 9.41 3 ∗3600 s/ h ft 11.94
A=0.1432 ft
2
D= √ 0.1432 ft 2∗4 /π =0.6519 ft Página 38
Diseño de la pierna barométrica a) Diámetro de la pierna barométrica Según Hugot (Referencia 8) la velocidad recomendada para el flujo de la mezcla corresponde a 0,98 ft/s. Esta velocidad permite que la presión hidrostática en la parte superior de la pierna se mantenga. De la ecuación No. 22:
Q= A∗V Sustituyendo datos y despejando:
tn lb ∗2000 h tn m = A∗0.98 ∗3.2806 ft /m lb s 25.75 3 ∗3600 s /h ft
1360.26
A=3.2851 ft 2 D= √3.2851 ft 2∗4 /π =2.35 ft De manera que el diámetro de la pierna barométrica puede ser aproximado a 2 pies. b) Altura de la pierna barométrica: Para calcular la altura de la pierna se utiliza un balance de energía entre la parte superior y la parte inferior de la pierna barométrica.
(
P 1 Z 1 g V 12 P Z g V 22 + + m 1= 2 + 2 + m … … … ..(23) ρ g c 2 gc ρ gc 2 gc 2
) (
)
En donde:
m1 =flujo másico de la mezcla en la parte superior (lb/s) m2 =flujo másico de la mezcla en la parte inferior (lb/s) Página 39
V 1 = velocidad de la mezcla en la parte superior (ft/s) V 2 = velocidad de la mezcla en la parte inferior (ft/s) gc = compatibilizador (lbF/lbm) g = aceleración por gravedad (ft/ s
2
)
Z 1 = altura superior de la pierna (ft) Z 2 = altura inferior de la pierna (ft) P1 = presión en la parte superior de la pierna (psi) P2 = presión en la parte inferior de la pierna (psi) ρ= densidad (lb/ ft
3
)
Eliminando aquellas energías y términos que son despreciables se obtiene:
(
P1 Z1 g P Z g + = 2 + 2 … … … ( 24 ) ρ gc ρ gc
)(
)
Agrupando términos:
P (¿ ¿ 1−P2 ) … … … ( 25 ) ρ g ( Z 1−Z2 ) =¿ gc Finalmente, se obtiene:
Página 40
H Bp=
∆ Pgc … … ( 26 ) ρg
En donde:
H Bp =altura bruta de la pierna barométrica (ft) ΔP= diferencia de presión entre la presión atmosférica y la presión del condensador (psia)
gc = compatibilizador de unidades de medición. ρ= densidad del fluido (lb/ ft
3
)
g= aceleración de la gravedad (ft/ s
2
)
Lo cual permite obtener una altura de pierna de:
32.174 lbF /lbm ¿ ( ( 20−2 ) psia) ¿ H Bp=¿ A la altura de la pierna es recomendable agregar 2 pies, aquellos que irán sumergidos por debajo del nivel del pozo de descarga, lo cual servirá como soporte del equipo. Es importante además, añadir 0,5 pies bajo el nivel del agua, para evitar que el condensador pueda absorber aire a un nivel bajo de agua. Entonces, la altura neta de la pierna es:
H Np =34 ft +2 ft +0.5 ft=36.5 ft En donde:
H Np =¿ altura neta de la pierna barométrica (ft) Página 41
Diseño de la pierna barométrica
III.5.
Determinación de la eficiencia teórica del equipo
Según Gaffaret (Referencia 6) la eficiencia para un condensador barométrico está dada por:
η=
m v∗hv … … … ( 27 ) m w∗hw
En donde: ŋ = eficiencia del condensador (100%)
mw =flujo másico del agua de enfriamiento (lb/h) mv =flujo másico del vapor al condensador (lb/h) h v = entalpìa del vapor (btu*/lb) hw = entalpía del agua (btu/lb) Sustituyendo datos se obtiene:
Página 42
lb ∗250.53 Btu /lb h ∗100 lb 5955 ∗55.18 Btu /lb h
1127.77 η=
η=85.98
IV.
Conclusiones
Dimensionamiento del condensador barométrico
Página 43
Página 44
Página 45
Página 46
Esquema del equipo
Vista frontal del condensador
Página 47
Corte transversal de la vista de planta del condensador
Página 48
V.
BIBLIOGRAFIA: Bird, B y otros. Fenómenos de transporte. 2a ed. España: Reverté, 1992. Franco Fernández, José Alberto. Diseño de una simulación por computadora de procesos de evaporación en una línea de evaporadores de múltiple efecto. Trabajo de graduación de Ing.
Química. Guatemala. Universidad de San Carlos de Guatemala, Facultad de Ingeniería, 2006. Graham Corporation. Barometric condenser: Operation, maintenance and installation.
Nueva York, Estados Unidos, 1998. Hugot, E. Manual de ingeniería de la caña de azúcar. 3a ed. Estados Unidos:Elsevier Scienci,
1986. 830-875pp. Perry, Robert H., Don W. Green. Manual del Ingeniero Químico. 7a ed. Estados Unidos: Mc
Graw Hill, 1997. 1862 pp. Kresly Carlota Aguirre Chinchilla. DISEÑO DE UN CONDENSADOR BAROMÉTRICO TIPO BANDEJA PERFORADA SENCILLA PARA UN SISTEMA DE EVAPORACIÓN. Trabajo de graduación de Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química, 2010
Página 49
