TECNOLOGIA DE LA ENERGIA TERMICA

TECNOLOGIA DE LA

ENERGIA TERMICA

AEROENFRIADORES

AEROENFRIADORES

1. Objetivos

2. Alcance

3. Desarrollo

• Geometría

• Códigos constructivos • Elementos constitutivos • Configuraciones

• Fuerza impulsora

• Cálculo de coeficientes peliculares • Cantidad de tubos

• Corrección de coeficientes peliculares • Verificación del equipo

• Pérdida de carga • Ventiladores

• Control de temperatura • Aerocondensadores • Aplicaciones

AEROENFRIADORES -

OBJETIVOS

•

Empleo de correlaciones para cálculo de coeficientes peliculares

•

Empleo de la ecuación de diseño como herramienta de verificación

•

Cálculo de pérdida de carga

•

Conocer los criterios para el diseño

ALCANCE

AEROENFRIADORES

-•

Aspectos constructivos

•

Verificación térmica

Geometría

DESARROLLO

-Geometría

DESARROLLO

-Códigos constructivos

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Institutos normalizadores

Normas

ASTM Materiales de construcción

ASME Diseño mecánico de recipientes a presión (Sec. VIII)

API (661) Aspectos constructivos de Aeroenfriadores

Elementos constitutivos – Conjunto general

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Video

Elementos constitutivos – Haz de tubos

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Videos

Air Cooled - Construccion - Plenos y soportes Air Cooled - Construccion - Haz de tubos Air Cooled - Construccion - Ventiladores

Air Cooled - Construccion - Plataformas y escaleras

1. Placa portatubos 2. Placa portatapones

3. Placa superior e inferior del cabezal

4. Placa lateral del cabezal 5. Tubos

6. Placa de partición 7. Rigidizador

8. Tapones (roscados)

9. Entrada/salida fluido de tubos 10. Marco lateral

11. Espaciador de tubos 12. Soporte de tubos 13. Sujetador de tubos 14. Conexión de venteo 15. Conexión de drenaje

Elementos constitutivos – Aletas

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Vista exterior

Material

Aluminio

Configuraciones – Tipos de tiro

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

Configuraciones – Tipos de tiro

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

Configuraciones – Tipos de tiro

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Ventajas – Desventajas (para tiro inducido)

• Mejor distribución del aire en haz de tubos

• Menos posibilidad de que el aire efluente caliente recircule nuevamente por el ventilador • Mayor independencia a los factores climáticos

• Mayor capacidad en caso de falla de los ventiladores.

• Mayor consumo de potencia, más aun si el aumento de temperatura del aire es considerable • La temperatura de salida del aire queda limitada a unos 90 ºC.

Configuraciones – Bahías

DESARROLLO

-Fuerza impulsora – Cálculo de DMLT

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Elección de la temperatura de entrada del aire

Consideraciones

• Temperatura de diseño de entrada en función de las máximas temperaturas ambientales no debe excederse más del 2-5% de los días del año

Fuerza impulsora – Cálculo de DMLT

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Determinación de la temperatura de salida del aire

Depende de

• Caudal de aire

• Coeficiente global de transferencia de calor

( )

2

.

10

1

t

T

U

t

t

=

+

+

−

Fuerza impulsora – Factor de corrección F

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Corrección del DMLT

• No existe mezclado transversal el aire sólo circula en dirección perpendicular a los tubos • Se define ∆T_VERDADERO

• ∆T_ML definido para disposición contracorriente • 0 < F_T < 1

Fuerza impulsora – Factor de corrección F

DESARROLLO

-Cálculo de coeficientes peliculares

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Coeficiente pelicular interno - Dependencia del régimen

µ

µ

π

ω

µ

π

ρ

µ

ρ

G

d

d

d

Q

d

v

⋅

=

⋅

⋅

⋅

=

⋅

⋅

⋅

⋅

=

⋅

>

<

⋅

=

4

4

Re

Transición: Zona inestable. Las correlaciones presentan desviaciones importantes. En lo posible, evitar el diseño en este régimen.

Laminar Re < 2100

Transición 2100 < Re < 10.000

Turbulento 10.000 < Re

N

d

Af

=

⋅

⋅

Cálculo de coeficientes peliculares

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Coeficiente pelicular interno – Régimen Laminar

Correlación Sieder-Tate para régimen laminar

φ

⋅













⋅

⋅

⋅

=

Pr

Re

86

.

1

L

d

Nu

k

Cp

⋅

µ

=

Pr

k

d

h

Nu

=

⋅

14 . 0













=

µ

µ

φ

• Válida para fluidos orgánicos, soluciones acuosas, gases.

• Propiedades evaluadas a Temperatura media aritmética entre la entrada y salida del equipo (a excepción de µ_w).

Cálculo de coeficientes peliculares

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Coeficiente pelicular interno – Régimen Turbulento

Correlación Sieder-Tate para régimen turbulento

φ

⋅

⋅

⋅

=

Pr

Re

027

.

0

Nu

k

Cp

⋅

µ

=

Pr

k

d

h

Nu

=

⋅

14 . 0













=

µ

µ

φ

• Válida para fluidos orgánicos, soluciones acuosas, gases.

Cálculo de coeficientes peliculares

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Coeficiente pelicular interno – Agua

(

+

⋅

)

⋅

⋅

φ

⋅

=

1423

1

0

.

0146

d

v

t

h













=

µ

µ

φ

• Válida para agua.

• t [ºC] entre 5 ºC y 95 ºC • v [m/s] entre 0,3 m/s y 3 m/s • d [m] entre 0,01 m y 0,05 m • h [W/m2_K]

• Propiedades evaluadas a Temperatura media aritmética entre la entrada y salida del equipo (a excepción de µ_w).

Cálculo de coeficientes peliculares

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

Cálculo de coeficientes peliculares

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Coeficiente pelicular externo (aire)

k

d

ha

e

s

H

s

Nu

.

.

.

Pr

.

Re

.

134

,

0

0

_

=

Cantidad de tubos

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Uso de tablas

En función de

• Da

• Pt

• An

• Nf

Calculado

A partir de • Pt

Corrección de coeficientes peliculares

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-•

Corrección del coeficiente pelicular interno

Referenciar hi al área de transferencia

•

Corrección del coeficiente pelicular externo

Eficiencia de aleta uso de gráfico

X lisa aletada A lisa aletada lisa aletada A

A

A

A

A

A

A

A

+

=

+

+

=

ε

.

ε

.

η

η

.

ha

ha

=

X i X

A

A

hi

hi

=

.

Eficiencia del sistema aletado

Verificación del equipo

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Uso de la Ecuación de Diseño

T ML C

C

A

T

F

Ux

Q

=

⋅

⋅

∆

⋅

Q

=

Ux

⋅

A

⋅

∆

T

⋅

F

Despeje Despeje

Comparo contra A_A

A_C A_D

NO SI

Verificación del equipo

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Sobredimensionamiento

100

%

=

−

⋅

A

A

A

OS

En función de A_C En función de A_D

100

%

=

−

⋅

A

A

A

OS

• Refleja qué tan “grande” es realmente el equipo respecto de lo que se requiere

• Valores recomendados (OS_D%) 5% - 7% • Incertidumbre de correlaciones

• Margen de seguridad para la operación • Margen de seguridad para la vida útil

Pérdida de carga

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Pérdida de carga en tubos

(

)

2

4

2

⋅













Σ

+

⋅

⋅

⋅

⋅

⋅

=

∆

K

d

Npt

L

f

G

P

φ

ρ

Σ

K

=

4

⋅

Npt

Régimen laminar 25 . 0













=

µ

µ

φ

Re

16

=

f

Re

125

.

0

0014

.

0

+

=

f

Re

264

.

0

0035

.

0

+

=

f

Tubos lisos Tubos rugosos

Pérdida de carga

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Pérdida de carga del aire

estático dinámico

aire

P

P

P

=

∆

+

∆

∆

ρ

.

2

G

P

=

∆

[

f

Nf

]

G

P

4

.

.

.

2

ρ

=

∆

.

Re

.

93

,

18













=

d

Pt

f

• Caída de presión por circulación

Ventiladores

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Características

• Entre 2 y 20 palas

• Diámetro limitado a 4-5 m (Dv en relación al An)

• Posibilidad de variación de ángulo de inclinación de las palas

• Velocidad tangencial no mayor a 60 m/s

• Potencia del motor no mayor a 20 HP

Control de temperatura

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-• Variación del ángulo de las palas del ventilador (manual o automático)

• Variación de las rpm del ventilador

• Apagar un ventilador (siempre que Nv > 1)

Aerocondensadores

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-Aerocondensador de tiro forzado

Aplicaciones - Ventajas - Desventajas

DESARROLLO

AEROENFRIADORES

-• Aplicaciones en las que sea más económico emplear aire de enfriamiento en vez de agua • Uso racional de recursos

• Construcción simple para aplicaciones de alta presión

• Muy eficientes para enfriar fluidos a altas temperaturas (>100ºC)

• Fácil limpieza de aletas con aire comprimido (incluso durante la operación)

• Costo operativo menor que el de un intercambiador con agua (mismo calor a transferir)

• Limitación de la temperatura de salida del fluido de proceso

FIN