DETERMINACION EXPERIMENTAL DE LA CANTIDAD DE ADITIVO EN EL FLUIDO DE TRABAJO DE UN TUBO TERMOSIFON BIFASICO PARA INHIBIR SU CORROSION INTERNA

i

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA

MECANICA Y ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO

Sección de Estudios de Posgrado e Investigación

Determinación experimental de la cantidad

de aditivo en el fluido de trabajo de un tubo

termosifón bifásico para inhibir su corrosión

interna.

T E S I S

Que para obtener el grado de:

MAESTRO EN CIENCIAS

en Ingeniería Mecánica

Presenta:

Ing. Raul Oreste Catalán Marín

Directores de Tesis

Dr. Ignacio Carvajal Mariscal

Dr. Florencio Sánchez Silva

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RESUMEN

En el presente trabajo se realizo una investigación experimental para determinar el tipo de inhibidor, y su cantidad requerida, para disminuir los efectos de la corrosión interna de tubos termosifones hechos de acero A179 y con agua como fluido de trabajo.

En base a los datos obtenidos de la literatura fue posible comparar diferentes aditivos usados para inhibir la corrosión. Se eligió el hidrato de hidrazina ya que reúne las características requeridas para poder aplicar los termosifones en el campo de la recuperación de calor.

Para comprobar la viabilidad de usar el hidrato de hidrazina como inhibidor de la corrosión, se realizaron varias pruebas experimentales. La primera se hizo en anillos de acero A179 sumergidos en agua bidestilada, la cual contenía diferentes cantidades de inhibidor, en condiciones ambiente y sin agitación. A continuación se estudio el comportamiento isotérmico de termosifones, con diferentes concentraciones de inhibidor en el fluido de trabajo, durante 800 horas de operación continúa y una temperatura de la superficie externa de 200 °C. Por último, se evalúo la eficiencia térmica de los termosifones al variar el flujo de calor suministrado y para diferentes velocidades de flujo de aire de enfriamiento.

Los resultados mostraron que al incrementar la concentración de inhibidor, la protección de la superficie interior aumenta pero el desempeño térmico disminuye. Como resultado final se encontró que la concentración mínima de hidrato de hidrazina, necesaria para disminuir los efectos de la corrosión pero casi no modificar el comportamiento térmico del termosifón, es de 45 mg/L.

v

ABSTRACT

In the present work it realized an experimental research to determine the kind of inhibitor, and its quantity to reduce the effect of internal corrosion of thermosyphon made of steel A179 and water as working fluid is presented in this thesis.

Using the information of literature it was possible to compare different inhibitors in order to avoid corrosion. The hydrate hydrazine was chosen as inhibitor in this land of waste heat recovery.

Some experiments were carried out in order to determine the viability of the hydrate hydrazine as corrosion inhibitor. The first experiment consisted of the immersion of steel A179 ring bidestilate water with different concentration of the inhibitor; all experiments were developed at atmospheric conditions without stirring. Later on with the concentration which induced a range of study, 4 experiments were conducted in order to study the isothermal condition in the thermosyphon. The experiment was carried out during 800 hours continually at a temperature of 200 °C on its external surface. The thermosyphon performance was also evaluated of which the heat supply and the air cooling were changed.

The results obtained show that the increment of the inhibitor concentration protects the material but the thermosyphon performance is reduced. The best results for corrosion were obtained with a concentration of 45 mg/L and the same time it didn´t modified the device thermal efficiency.

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NOMENCLATURA

Símbolo Nombre SI

A área m2

Cp calor específico (J/kg K)

d diámetro (m)

g aceleración de la gravedad, gramo (m/s2) Fe fierro

gnc gas no condensable H2 hidrógeno

h coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m2 K)

hfg entalpia (J/kg)

k conductividad térmica (W/m K)

l longitud (m)

flujo másico (kg/s)

L litro N₂ nitrógeno Nu Nusselt O₂ oxígeno

flujo de calor (W)

flux de calor o densidad del flujo térmico (W/m2)

R resistencia térmica (C/W) Re número de Reynolds

T temperatura (°C, K)

TTB Tubo Termosifón Bifásico

u velocidad (m/s)

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Letras Griegas

η eficiencia % viscosidad kg/m s viscosidad cinemática (m2/s)

ρ densidad (kg/m3)

σ tensión superficial (N/m)

Ѱ carga de llenado, Vl/Vt (%)

Subíndices

a aire ad adiabática

c condensador e evaporador ent entrada ext exterior int interior

l líquido m mezcla máx máxima

p pared, pérdida v vapor

sal salida sum suministro

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RELACIÓN DE FIGURAS

Figura Título Pág.

1.1 Recuperador de calor gas-liquido de envolvente y tubos 7 1.2 Recuperador de calor gas-líquido con tubos aletados 8 1.3 Recuperador de calor gas-gas concéntrico 9

1.4 Precalentador de aire 10

1.5 Precalentador de aire en base de tubos termosifones 11

2.1 Tubo termosifón bifásico 14

2.2 Ciclo termodinámico del termosifón bifásico 15 2.3 Esquema de las resistencias térmicas en un termosifón con aletas 19 2.4 Modelo de película no perturbada. 22 2.5 Mecanismo de corrosión del fierro debido a una gota de agua 25 3.1 Propiedades del fluido de trabajo en el intervalo de 20 °C a 80 °C 34

3.2 Espécimen de prueba 34

3.3 Especímenes sumergidos en el fluido de trabajo al inicio de la prueba 35 3.4 Especímenes sumergidos en el fluido de trabajo al final de la prueba 36 3.5 Esquema de la instalación experimental para carga de fluido de trabajo 37 3.6 Esquema de la instalación experimental para prueba de isotermicidad 38 3.7 Ubicación y sujeción de termopares en la superficie exterior del condensador 39 3.8 Fotografía que muestra el banco de pruebas para experimento de isotermicidad 40 3.9 Esquema de la instalación para prueba de desempeño 41 3.10 Esquema de la ubicación del termosifón y de los termopares en el túnel de viento. 42

4.1 Muestras de los anillos sumergidos en el fluido de trabajo en 800 horas de _exposición 48 4.2 Comportamiento del termopar T4 para tres casos de prueba 49

4.3 Comportamiento de los termopares T1, T2 y T4 50

4.4 Comportamiento de los termosifones a una velocidad de aire de enfriamiento de 6 _m/s 52

4.5 Perfil de temperaturas medida en la superficie externa del condensador en el túnel

de viento 52

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RELACIÓN DE TABLAS

Tabla Título Pág.

x

INTRODUCCIÓN

Una de las líneas de investigación que actualmente se trabaja en el Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada del IPN es el diseño de equipos de intercambio de calor, que se pueden aplicar para aprovechar la energía contenida del gas de desecho en diversos equipos y procesos industriales. A estos equipos comúnmente se les llama recuperadores de calor, y se usan en el precalentamiento de aire para la combustión, ó bien para generar vapor húmedo.

Una opción para el desarrollo de precalentadores de aire es usar como componente principal a los Tubos Termosifones Bifásicos (TTB), los cuales son elementos que transfieren calor por medio del proceso de evaporación y condensación de un fluido de trabajo que circula por el interior de un tubo que se encuentra sellado. El elemento bifásico, se distingue por transmitir calor con rapidez entre las zonas de evaporación y condensación, con una diferencia de temperaturas muy pequeño entre ellas y a una alta eficiencia. Además de no poseer partes móviles en su interior.

Por ello, es atractivo y se construye de diferentes materiales como por ejemplo cobre, aluminio o acero al carbón. Este último material ofrece ventajas, una de ellas es su bajo costo ya que estos últimos son diez y cuatro veces más caros que el acero al carbón respectivamente, sin embargo es conocido que cuando el acero está en contacto con agua se tiene una reacción electroquímica. Esta interacción causa que se produzca un gas no condensable y la conocida herrumbre. En el interior de los tubos termosifones esos fenómenos afectan el desempeño del elemento. Por ejemplo, cuando el gas no condensable se separa del fluido y se acumula en la parte superior del condensador, reduce el área de transmisión de calor. Y la herrumbre causa la disminución de la vida útil.

Una manera de proteger el tubo termosifón construido de una aleación de acero que trabaja con agua, es reduciendo su corrosión interna, y una forma es mediante el uso de un inhibidor. Lo anterior con la finalidad de hacer que el tubo termosifón se cubra de una película protectora y de este modo se podría evitar la reacción electroquímica entre el fluido y la pared del recipiente. Sin embargo, la adición de un aditivo implica conocer la cantidad que debe agregarse y que no afecte los procesos de transmisión de calor.

Por lo que el objetivo de este trabajo es determinar la cantidad de inhibidor de la corrosión que debe agregarse al fluido de trabajo.

Para lograr el objetivo más arriba presentado, este trabajo estará integrado de la siguiente manera:

En el Capítulo I, se describen en forma breve los fundamentos de la transferencia de calor, se aborda la importancia de la energía térmica residual y de algunas técnicas que existen para el ahorro de energía térmica. De estas últimas, se trata con mayor detalle la recuperación del calor residual, la cual para implementarse requiere de un equipo de intercambio de calor, una opción, dadas sus excelentes características en la transmisión de calor, es el Tubo Termosifón Bifásico (TTB)

xi

inhibidores que se usan para contenerla. Finalmente, se justifica la selección de uno para usarse en las pruebas experimentales de este trabajo.

En el Capítulo III, se ponen las bases del diseño de los experimentos, se describen las instalaciones experimentales y se muestra el procedimiento para llevar a cabo y ejecutar las pruebas.

Se presenta en el Capítulo IV, el análisis de los resultados, obteniéndose la cantidad de aditivo que hay que agregar al fluido de trabajo para el caso de estudio.

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ÍNDICE DE CONTENIDO

Pág.

RESUMEN

ABSTRACT

NOMENCLATURA

RELACIÓN DE FIGURAS

RELACIÓN DE TABLAS

INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO 1 AHORRO DE ENERGÍA TÉRMICA

1.1 Fundamentos de transferencia de calor 2 1.2 Ahorro de energía térmica y sus beneficios 3 1.2.1 Técnicas de ahorro de la energía térmica 4 1.2.2 Calor residual o de desecho 4 1.3 Recuperación del calor residual 6 1.3.1 Recuperadores de calor líquido-líquido 7 1.3.2 Recuperadores de calor gas-líquido 8 1.3.3 Recuperadores de calor gas-gas 9 1.3.4 Recuperador de calor en base a Tubos Termosifones Bifásicos 10 1.4 Limitaciones de la recuperación del calor residual 12

CAPÍTULO II TUBOS TERMOSIFONES BIFÁSICOS

2.1 Principio de funcionamiento de un TTB 14 2.2 Límites de operación de un TTB 16 2.3 Calor transportado por el TTB 18 2.4 Fluidos de trabajo y materiales de construcción 23

2.5 Corrosión 24

2.6 Disminución de la corrosión en los termosifones 26

2.7 Selección del inhibidor 27

2.8 Reacciones de la hidrazina 29

CAPÍTULO III INVESTIGACIÓN EXPERIMENTAL

3.1 Experimento para obtener las propiedades físicas del fluido de trabajo 32 3.2 Experimento para determinar la cantidad de inhibidor en condiciones de

ambiente y sin agitación 34

3.2.1 Características de los especímenes 34 3.2.2 Metodología del experimento 35

3.2.3 Prueba experimental 35

3.3. Experimento para determinar la isotermicidad del TTB en base a la cantidad de aditivo en el fluido de trabajo 36

3.3.1 Instalación experimental 38

3.3.2 Pruebas experimentales 39

3.4 Experimento para determinar el desempeño del TTB 41 3.4.1 Instalación experimental 41

xiii

CAPÍTULO IV ANÁLISIS DE RESULTADOS

4.1 Análisis del efecto de la concentración de inhibidor bajo condiciones de

temperatura ambiente y sin agitación 48 4.2 Análisis de los resultados de los termosifones operando continuamente durante

más de 800 horas 49

4.3 Análisis del desempeño del TTB 51 4.4 Comparación del TTB con fluido de trabajo sin inhibidor y con inhibidor 53 4.5 Inspección visual de la superficie interna del termosifón y del fluido de trabajo 55

CONCLUSIONES

RECOMENDACIONES

REFERENCIAS

ANEXO A Ejemplo de reserva de ahorro de energía térmica

ANEXO B

Certificado de calidad del hidrato de hidrazina y agua

_bidestilada

ANEXO C Propiedades del fluido de trabajo

ANEXO D Perfil de velocidad obtenido en el túnel de viento

1

CAPÍTULO I

2

1.1 Fundamentos de transferencia de calor

La transferencia de calor es la rama de la física que estudia el transporte de la energía térmica en dos o más cuerpos debido a una diferencia de temperaturas, por lo que, deberán existir dos regiones a diferente temperatura para que ocurra una interacción de energía entre estas. El fenómeno de transmisión de calor, sucede por medio de tres mecanismos diferentes: conducción, convección y radiación térmica.

La transmisión de calor por conducción, es la transferencia de energía térmica debido a la existencia de un gradiente de temperatura entre partículas o moléculas que componen el medio. Este puede ser un material sólido o un fluido. El gradiente de temperaturas provoca un movimiento o interacción de las partículas que componen el medio. En los líquidos y gases, el movimiento se debe al choque de las moléculas entre ellas mismas. En los sólidos la interacción se debe a la vibración de las moléculas y a la energía que transporta cada electrón libre.

La conducción de calor obedece la Ley de Fourier, la cual menciona que la tasa de conducción de calor, a través de un espesor constante, es proporcional a la diferencia de temperaturas, y al área normal a la dirección del flujo es inversamente proporcional al espesor.

=− (1.1)

Donde es el flux de calor por unidad de área, y sus unidades son 2 _{y es un}

coeficiente de proporcionalidad, el cual es llamado la conductividad térmica, y sus unidades son . Este coeficiente de proporcionalidad es una propiedad física del medio donde ocurre el transporte de calor e indica la capacidad que posee el material para conducir el calor, ya que la conductividad térmica depende de la estructura molecular de los materiales.

La transferencia de calor por convección, es el proceso de transporte de energía térmica debido al movimiento de un fluido -líquido o gas- desde una región a otra que se encuentra a diferentes temperaturas. El fenómeno de transmisión de calor por convección se realiza en forma simultánea por conducción y convección. La conducción se obtiene por contacto directo de las partículas en la capa límite térmica. Esta es una película de fluido que se forma, en la vecindad de la pared sólida debido a los efectos viscosos. Por esta forma de transmisión de calor se tienen dos tipos: natural y forzada. La convección natural se debe a que ocurre a una diferencia de densidades en el fluido. Por lo tanto, se tiene un movimiento del fluido. En la convección forzada se induce el movimiento por medio de una máquina eléctrica ya sea ventilador o bomba. La forma de transferencia de calor por convección obedece a la Ley de enfriamiento de Newton.

= (1.2)

Donde es el flux de calor entre una frontera sólida y el fluido, sus unidades son 2 _y

3

o de película y sus unidades son 2 _{y es la diferencia de temperatura entre la pared}

y la corriente libre del fluido. El coeficiente de convección depende de propiedades físicas y geométricas como por ejemplo: densidad, viscosidad, velocidad del fluido, y geometría de la superficie por lo que el principal problema en la transmisión de calor por convección es determinar precisamente este coeficiente.

Dentro de la transferencia de calor por convección también se tienen los procesos de cambio de fase, ya que hay también un movimiento de un fluido. Estos procesos son la ebullición y la condensación. La ebullición es un proceso de cambio de fase de líquido a vapor, en donde el flujo de calor ocurre de una superficie sólida hacia el fluido. Por otro lado la condensación es el proceso de cambio de fase de vapor a líquido. En estos dos tipos de transmisión de calor es de importancia conocer: el calor latente, la tensión superficial, la presión y temperatura de saturación del fluido.

La radiación térmica es la energía térmica emitida por la materia debido a los cambios de su configuración de sus átomos y moléculas. Todos los cuerpos radian energía dependiendo de su composición, forma o el estado de la materia en que se encuentre y de la temperatura de su superficie. La energía térmica por radiación es transportada en forma de ondas electromagnéticas (fotones). A diferencia de los anteriores mecanismos de transmisión de calor, la radiación térmica no tiene un medio por el cual se transmite la energía, ya que el proceso ocurre de mejor manera en el vacío. Esta forma de transmisión de calor obedece a la Ley de Stefan-Boltzman.

= 4 (1.3)

Donde = 5.67∙10−8 2 4 es la constante de Stefan-Boltzman

En la investigación desarrollada en este trabajo, los mecanismos de transmisión de calor de conducción y convección, junto con la ebullición y condensación, serán la base para determinar las características térmicas del tubo termosifón. El flujo de calor suministrado al termosifón en este caso se pretende provenga de la energía residual de algún proceso, esto con el fin de contribuir al ahorro de energía térmica.

1.2 Ahorro de energía térmica y sus beneficios

Actualmente, el ahorrar se puede asociar a la toma de iniciativa, decisión y conciencia y utilizar solo lo necesario. En el caso del ahorro de energía, se puede interpretar como el hecho de evitar suministrar energía adicional para un mismo propósito. El ahorro se puede manifestar de diferentes maneras: económico, eléctrico, o térmico, habiendo entre estos una estrecha relación [1].

4

Y junto a ello resultará en un ahorro económico. Sin embargo, para poder llevar a cabo un programa de ahorro térmico, se deberá realizar una inversión económica.

A continuación se enlistan posibles beneficios de implementar un método o técnica de ahorro de energía [2].

 Ahorro de combustible

 Reducción en la contaminación ambiental

 Reducción del tamaño de los equipos

 Aumento de la eficiencia del proceso

El ahorro térmico se conseguirá evitando suministrar energía adicional para un mismo propósito, por ejemplo, si se requiere calentar un fluido, la energía se puede obtener del calor residual del mismo proceso, es decir, se tendrá que implementar una medida de ahorro de la energía térmica.

1.2.1 Técnicas de ahorro de la energía térmica

Al implementar programas o técnicas de ahorro se tendrá una mayor eficiencia en el uso de energía que se suministra a un proceso, obteniendo con ello un beneficio [3].

Algunos métodos y medidas que se pueden poner en funcionamiento son:

1. Racionalización de la combustión.

2. Ahorro de la energía en la generación y uso del vapor. 3. Racionalización de los procesos de transferencia de calor. 4. Reducción de pérdidas de energía térmica.

5. Recuperación y utilización del calor residual o de desecho.

Esta última técnica de ahorro lo que hace es aprovechar el calor residual de los gases de escape producidos por combustión. La implementación de esta técnica de ahorro de energía permite contribuir al incremento de la eficiencia térmica del equipo o proceso y sumado a esto en disminuir el consumo de combustible y emisiones contaminantes. A continuación se define lo que es el calor residual o de desecho.

1.2.2 Calor residual o de desecho

Es la energía térmica que abandona las fronteras de un equipo o proceso industrial hacia el medio ambiente, después de haber cedido la energía en un proceso primario (por ej. generación de vapor). Por lo tanto, es la energía desechada y en apariencia sin valor. Sin embargo, un análisis de temperatura, flujo másico, presión y calor específico determina el valor de esta energía.

5

México. La temperatura de los gases de combustión es un parámetro importante para determinar la cantidad de energía térmica que contienen los gases de escape (cantidad y calidad del calor de desecho) y poder realizar r un análisis de una estimación del potencial de ahorro de energía térmica que pudiera haber. [4].

Tabla 1.1.-Temperatura de salida de los gases de escape de algunas fuentes fijas ubicadas en la ZMVM [4]

fábrica equipo

máx cap (ton/hr)

combustible

consumo de combustible gas (m3_/h)

aceite (L/h)

temperatura de salida de los gases de escape (°C)

Uniroyal CTA 12 gas oil 900 326

Cía. Papelera El

Fénix CTA 16 gas natural 1301 196

Empaque de Cartón

United CTA 9.5 gas oil 400 330

Papelera Iruña CTH 7.8 gas oil 350 230 Química Lucava Horno 35 hp/hr gas oil 66 499 Empaque de cartón CTA 6.8 gas oil 152 300 American Textil Caldereta 5.5 gas oil 180 300 Cía.HuleraTornel Caldereta 1.9 diesel 136 325 Industrias de Hule

Galgo CTA 3.136 diesel 100 169

Ciba-Geigy CTH 3.13 diesel 83 268

Polaquímia calentador gas natural 52 418

Ideal Standard Horno

intermitente 0.3 gas natural 118.5 277 Procter&Gamble,

Talisman CTA 22.7 gas natural 12000 325 XYZ Fábrica

México CTA 20 gas natural 1600 480

CTA caldera tubos de agua

ZMVM Zona Metropolitana del Valle de México

Un balance térmico de las fuentes fijas por el método indirecto muestra que el calor rechazado es igual a la suma de las pérdidas de calor debidas a la radiación, humedad, gases de escape, etc. Esta última es generalmente la más importante, y por lo tanto, la mejor opción de aprovechar esta energía residual. A continuación se establece el potencial de energía térmica que contiene el calor residual producido por la combustión [5,6].

De lo establecido por Sadi Carnot, la eficiencia de una máquina térmica esta dado por la ecuación (1.4).

6

Donde, , es la eficiencia de la caldera, es la suma de pérdida de calor por: q1, por

combustión química incompleta, q2 pérdida mecánica de calor, q3 pérdida de calor por convección

y radiación, q4, pérdida de calor por los gases de escape.

= ₁ + ₂+ ₃+ ₄ (1.5)

Si se toma en cuenta solo las producidas por los gases de escape q2, entonces estás se determinan

por la ecuación (1.6).

2 = − (1.6)

el flujo másico se determina por la siguiente relación:

= ₀ . (1.7)

Donde,

, es el calor suministrado a la caldera, (W)

, es el calor rechazado por la caldera sin considerar a las debidas por radiación, (W) , es el flujo másico del gas de combustión, (kg/s)

, son las entalpias del gas de escape y del aire respectivamente, (J/kg) A0, es el consumo de combustible de la caldera

, es la carga de trabajo de la caldera

En el anexo A se enlistan los tipos de combustibles y su poder calorífico inferior, así como una tabla del posible potencial de ahorro de energía térmica en las fuentes fijas de calor ubicado en la ZMVM.

La importancia del calor residual radica en reutilizar algo que en apariencia no tiene valor, ya que es arrojado al medio ambiente.

1.3 Recuperación del calor residual

El aprovechamiento de la energía antes de que sea desechada a la atmósfera por un equipo o proceso, se denomina recuperación del calor residual. Esta recuperación del calor de desecho se puede lograr por diferentes formas, uno de ellos es mediante la introducción de un equipo de intercambio de calor, también nombrado recuperador de calor.

Las aplicaciones de la recuperación de calor son diversas y depende en mayor medida en la temperatura que contenga el calor de desecho.

7

 Generación de vapor. Los gases de escape de una turbina de gas se pueden utilizar para generar vapor en calderas de recuperación.

 Recalentamiento de insumos líquidos o sólidos en los procesos industriales.

 Precalentamiento de agua para alimentación de la caldera.

 Precalentamiento de combustible para su inyección en quemadores de calderas, hornos o turbinas de gas, también para el precalentamiento del aire atmosférico para la combustión.

Por lo tanto, las áreas de mayor aplicación en la recuperación de calor son: calentamiento de un líquido, generación de vapor y precalentamiento de aire. Por lo que para poder transferir esta energía térmica se debe hacer uso de equipos concebidos para poder recuperar esta energía térmica.

En este apartado se dará una breve descripción de los intercambiadores de calor utilizados para recuperar el calor de desecho.

Los intercambiadores de calor se pueden clasificar según el estado físico en que se encuentre el calor residual [6]:

 Recuperadores de calor líquido-líquido De coraza y tubos

De placas

 Recuperadores de calor gas-líquido Economizador

 Recuperadores de calor gas-gas Regeneradores

Rueda de intercambio de calor Intercambiador pasivo de placas Recuperadores

Tipo radiación Tipo convección

Tubos termosifones bifásicos

1.3.1 Recuperadores de calor líquido - líquido

8 Fig.1.1.- Recuperador de calor gas-liquido de envolvente y tubos

Dentro de este tipo de recuperador de calor se pueden tener los de tipo de tubos y coraza y los de tipo de placas. Los intercambiadores de calor de coraza y tubos, están constituidos por un haz de tubos metálicos en paralelo contenidos en una coraza metálica, en donde un fluido circula por el interior de los tubos y el otro por el exterior del haz tubular. En estos tipos de intercambiadores de calor se encuentra el de tubos en forma de U. Otro tipo que se encuentra en los recuperadores de calor líquido-líquido es el de placas. El intercambiador de placas, se conforma de un conjunto de placas paralelas y corrugadas las cuales sirven como paso de fluido. Las placas son separadas por un empaque de elastómero el cual evita la mezcla de ambos fluidos. Estos tipos de intercambiadores de calor son usados donde la diferencia de temperaturas entre los fluidos es pequeña.

1.3.2 Recuperadores de calor gas-líquido

9 Fig.1.2.-Recuperador de calor gas-líquido con tubos aletados

1.3.3 Recuperadores de calor gas-gas

10 Fig.1.3.- Recuperador de calor gas-gas concéntrico

11 Fig.1.4.-Precalentador de aire

En los recuperadores de calor del tipo gas-gas, también se tiene a los que no son convencionales como es el caso del recuperador de calor que se compone de tubos termosifones bifásicos, el cual se abordará en el siguiente apartado.

1.3.4 Recuperador de calor en base a Tubos Termosifones Bifásicos

Un Tubo Termosifón Bifásico (TTB) es un elemento que sirve para transmitir calor de una región a otra, aprovechando los procesos de evaporación y condensación de un fluido, que se encuentra dentro de un recipiente sellado herméticamente. Usualmente, el recipiente es de forma cilíndrica. En el capítulo 2 se explicará con más detalle el funcionamiento del tubo termosifón.

El TTB puede estar en posición inclinada o vertical, y no tiene estructura capilar como él caloducto [8]. Pero también se llama caloducto al tubo termosifón.

Los TTB pueden ser una opción en intercambiadores de calor para recuperar el calor residual desechado por equipos y procesos.

Precalentador de aire en base a Tubos termosifones Bifásicos

12

Cabe mencionar que los elementos bifásicos funcionan en forma individual; ya que los tubos están sellados en un extremo y no hay conexión entre ellos. Además, tienen aletas para aumentar la eficiencia en la transferencia de calor [9]. En todo momento hay una separación entre la corriente de los gases de escape y el suministro de aire ambiente por calentar, evitando que se mezclen esos fluidos.

La transferencia de calor será continua en la medida en que haya una diferencia de temperatura entre las dos secciones por las que fluyen los gases de combustión y el aire.

Fig.1.5.-Precalentador de aire en base de tubos termosifones

Las características que hacen atractivo a un recuperador de calor en base a tubos termosifones son:

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 No se tiene contaminación entre las corrientes de los fluidos caliente y frío, debido a que estas están completamente separadas.

 Se tiene gran flexibilidad en cuanto a tamaño.

 Se tiene una alta eficiencia térmica.

 El calor a transferir se puede controlar ajustando el ángulo de inclinación de los tubos.

 Requiere de mínimo mantenimiento.

1.4 Limitaciones de la recuperación del calor residual

La utilización del calor residual tiene algunas restricciones las cuales pueden limitar el uso del calor residual, por ejemplo, los materiales que puedan soportar altas temperaturas de los gases de salida.

Algunas otras limitantes que se tienen son:

 Ensuciamiento, se refiere a la incrustación de hollín en el exterior de los tubos, el cual añade una resistencia al flujo de calor, lo que resulta en pérdida de calor.

 Restricciones de espacio.

 Económico, debido a que el aprovechamiento del calor de desecho requiere la compra de elementos o equipos como son: intercambiadores de calor, conductos, aislamiento térmico, etc. Y el costo del material es elevado ya que por ejemplo el cobre y aluminio son diez y cuatro veces más caros que el acero al carbón respectivamente.

 La temperatura misma. Una alta temperatura de los gases de combustión limita el uso de materiales que puedan resistir elevadas temperaturas. Por el contrario, una temperatura de salida de los gases que abandonan el equipo recuperador de calor deberá estar por encima del punto de rocío, esto para evitar la condensación de componentes de los gases sobre la pared exterior de los tubos y evitar la corrosión. Por ejemplo, en el caso del uso del combustible gasóleo la temperatura de salida deberá mantenerse por encima de 140°C y para el caso del diesel será de 110°C [4]

 Cantidad y calidad del calor de desecho, el cual deberá ser suficiente para que se justifique el costo de inversión en utilizar el calor residual.

 Compatibilidad de materiales, el uso del acero al carbón en la construcción de los termosifones es muy atractivo, sin embargo cuando la superficie interna del tubo se encuentra en contacto con agua es sabido que se tiene una reacción química entre el fluido de trabajo y el metal. Se manifiesta, por ejemplo, en la generación de gases no condensables, la formación de oxido de fierro y fisuras en la pared del recipiente y uniones. Por lo tanto, el desempeño y vida útil del elemento bifásico se ve disminuido.

14

CAPÍTULO II

15

2.1 Principio de funcionamiento de un TTB

El termosifón es un simple pero efectivo aparato para transmitir calor de una región a otra, también es llamado tubo de calor asistido por gravedad. En estos dispositivos el calor puede ser transferido de un extremo a otro unos 500 ó 1000 veces más rápidos que a través de un metal un metal sólido. El principio de funcionamiento es simple y efectivo, ya que es un sistema de transferencia de calor que funciona por medio de un ciclo de evaporación y condensación de un fluido de trabajo dentro de una cavidad cerrada.

El TTB consta de tres secciones: condensador, zona adiabática y evaporador. En la Fig. 2.1 se muestra el esquema de un TTB.

sección condensador

sección adiabática

sección

evaporador suministro de

calor

disipación de calor

película de condensado flujo de vapor

liquído en ebullición g

16

Ciclo termodinámico

El termosifón bifásico trabaja en un ciclo termodinámico. La Fig. 2.2 muestra el diagrama esquemático del ciclo que sigue el fluido de trabajo y los procesos involucrados dentro del tubo.

Fig. 2.2.-Ciclo termodinámico del termosifón bifásico en un diagrama T-S

Los procesos que suceden en el interior del tubo termosifón se describen a continuación.

Procesos Descripción

1 a 2 El termosifón empieza a funcionar cuando se suministra calor (gases residuales), sobre la pared exterior del evaporador a una temperatura promedio del evaporador . El calor es transferido por conducción a través de la pared hacia el fluido de trabajo, aumentando la temperatura y la presión del fluido de trabajo, entonces el fluido en el interior cambia de fase. Por lo que en este proceso se lleva a cabo la evaporación del fluido de trabajo.

2 a 3 Debido a la diferencia de presiones, el vapor que se genera fluye del evaporador hacia la sección del condensador, llevando la energía de evaporación pasando por la zona adiabática, hasta alcanzar la sección del condensador, la cual se ubica en una región de menor temperatura (aire ambiente).

3 a 4 Ahí, el vapor que entra en contacto con la pared, se condensa y cede su calor latente al fluido frío del exterior.

4 a 1 Entonces y debido a que la posición del termosifón bifásico es vertical provoca que la acción de la gravedad sobre el fluido condensado escurra o se deslice por la pared en forma de película, hacia la sección del evaporador.

17

Sin embargo, el alcance de un análisis termodinámico es muy limitado y en la mayoría de los casos sólo los métodos convencionales de transferencia de calor son necesarios para resolver los problemas de termosifones bifásicos, especialmente cuando se requiere una cantidad cuantitativa [10].

De esta manera el termosifón puede transportar en forma continua el calor latente de vaporización, a menos que sea interrumpida por anomalías que pueden limitar de manera significativa el buen funcionamiento del termosifón.

2.2 Límites de operación de un TTB

La operación correcta de un elemento bifásico está sujeta a que no deberá alcanzar los límites de operación. Los cuales, son fenómenos que ocurren dentro del tubo, por ejemplo, la formación de burbujas de vapor en el seno del líquido, que debido a un suministro excesivo de calor radial en el evaporador dificultará la circulación del líquido y, de esta forma se ha llegado a un límite de funcionamiento.

Los límites de operación se obtienen al saber la tasa máxima de calor que transfiere el tubo para una cantidad de fluido, geometría y temperatura de operación dada. Y se deben determinar para saber hasta dónde debe ser utilizado el elemento sin disminuir la transferencia de calor y con seguridad (sobrecalentamiento, daños o ruptura del tubo).

Limite de arrastre o inundamiento

Al estar en operación y comportarse el termosifón de manera estable, es decir con un equilibrio entre el calor que es suministrado al evaporador y el calor que es rechazado en la sección del condensador, en el termosifón se tendrá, una capa de líquido condensado de forma bien definida escurriendo por la pared. Además de una corriente de vapor ascendiendo en forma estable. Debido a esto, habrá una interacción entre el vapor y la superficie líquido. El ciclo de funcionamiento será de manera continúa. Pero, cuando se tiene como origen un alto flujo de calor, suministrado al evaporador, se cambian las características del vapor dando como consecuencia que se eleve la velocidad de este. El contacto entre el vapor a una mayor velocidad y la superficie del líquido ocasiona que se detenga el regreso del líquido condensado hacia la sección del evaporador. De este modo se ha alcanzado el límite llamado de inunda miento de la sección del condensador, lo que también ocasiona que el liquido en el evaporador se evapore por completo.

El límite de operación por arrastre se manifiesta por una lectura intermitente de las temperaturas en toda la sección del evaporador, ya que cuando se evapora todo el líquido la velocidad del vapor disminuye iniciándose de nueva vez el ciclo pero en forma intermitente. También se caracteriza por la presencia de gotas en la región de la sección del condensador, ya que se podría escuchar el golpeteo de las gotas arrastradas en la tapa superior del tubo.

Para obtener el flux de calor crítico debido al límite de inunda miento la siguiente ecuación es normalmente usada y es de la forma:

18

Donde

=

0.14

2 0.25

= −

0.5

Donde Aes el área interna del tubo termosifón, dint es el diámetro interior del tubo, y Bo es el

numero de Bond.

Limite de evaporador seco

Este límite ocurre cuando la cantidad de líquido con que se carga el tubo no es suficiente. Esto es, una cantidad de condensado debe escurrir por la pared interior del tubo de tal manera que se forme una capa uniforme de líquido, también una cantidad en forma de vapor subiendo por en medio del tubo, además una parte del líquido en el fondo del evaporador. De no haber toda esta cantidad de líquido, y a un incremento de calor se evaporara el líquido en el evaporador. Por el contrario, un exceso de líquido debe ser evitado ya que estando en funcionamiento el líquido en el evaporador no deberá invadir la sección del condensador, ya que su presencia restará la operación adecuada del condensador.

Una seña de que se ha alcanzado este límite, es que se manifiesta en una diferencia de temperaturas en la parte de inferior y superior de la sección del evaporador. Esto indica que se ha extralimitado la máxima capacidad de transporte de calor, para una cantidad de fluido dada.

Para el límite de secado es usado para ilustrar la relación entre la carga de fluido de trabajo y el flux de calor.

á

− ₂ −0.25

=

2

3 4 2 − ∗ _{4 5 + +} − 2 3 _{+ 3 4} 3

∗ − 1−

3

(2.2)

Limite de ebullición o flujo de calor

19

La aparición de este límite puede llevar a un sobrecalentamiento de la pared y puede ocasionar una ruptura del recipiente.

En una tubería cilíndrica se observo la formación de burbujas sobre la pared. Según un análisis estadístico de la permanencia de formación de burbujas se permitió establecer la siguiente relación para límite de ebullición.

á

= 3 − ₂ 0.25

(2.3)

Donde,

= es el área interna del evaporador ; es la tensión superficial del líquido

K3 es un parámetro de proporcionalidad donde Kutateladze y Borishanski demostraron

experimentalmente está ecuación para _{3 �} 0.12−0.157

El menor de los anteriores límites de funcionamiento una temperatura dada definirá la máxima transferencia de calor para esa temperatura.

2.3 Calor transportado por el TTB

Cantidad de fluido de trabajo

Como se trato anteriormente en los límites de operación, es importante que el tubo termosifón sea cargado con la cantidad correcta de fluido de trabajo, ya que, al no contar con la cantidad adecuada de líquido se alcanzará principalmente el límite de evaporador seco. La relación de llenado se define como el porcentaje del volumen ocupado por el fluido de trabajo entre el volumen del evaporador.

= (2.4)

Dependiendo de la cantidad de fluido de trabajo se tendrá o no ciertas áreas secas de la sección de evaporación

Cuando el elemento bifásico trabaja por debajo del máximo flujo calor, Qmáx. El desempeño del

tubo termosifón puede ser caracterizado por la resistencia térmica, R. El actual suministro de

calor, Q y la diferencia de temperaturas entre el evaporador y el condensador (∆ = , −

, ), estas se relacionan por medio de la ecuación 2.5

=∆ (2.5)

Resistencias térmicas

20 Rp,e, Rp,c, son las resistencias térmicas conductivas en las paredes del evaporador y del

condensador.

Rint,e, Rint,c, son las resistencias térmicas convectivas en el interior del evaporador y condensador Rcc, son las resistencias térmicas por contacto entre el tubo de acero y las aletas de aluminio en el

condensador.

Rext,c, son las resistencias térmicas convectivas en el exterior del evaporador y condensador

Fig. 2.3.- Esquema de las resistencias térmicas en un termosifón con aletas

Las resistencias térmicas pueden ser obtenidas de la siguiente manera:

, =

2 1

2 , =

2 1

2 (2.6 2.7)

, =

1

, ,

, =

1

, ,

(2.8 2.9)

, =

1

, ,

21

Coeficientes de transferencia de calor

El coeficiente de convección en la parte externa de la superficie del condensador he,cse obtiene de

la ecuación

= (2.17)

El número de Nusselt

= 0.26 0.6 0.37 0.25 (2.18)

=

0.25

, ocurre un calentamiento del aire

El número de Reynolds

= (2.19)

Para calcular el coeficiente de eficiencia teórica E se necesita calcular el valor del parámetro de la aleta m para esto, a su vez se requiere conocer la conductividad térmica de la aleta

correspondiente a su temperatura media TA. También se deberá conocer la temperatura a la cual

se determinaran las propiedades termo físicas del aire de enfriamiento y será la temperatura media.

= + ,

2 (2.20)

El coeficiente de convección de la pared hacia el fluido de trabajo en la sección del evaporador

,

Si se conoce el flux de calor por unidad de longitud _� = en todo el largo del evaporador y si

la temperatura de la superficie exterior del tubo se conoce en forma experimental, entonces se determina el coeficiente de convección en el interior de la sección del evaporador.

, =

1

2 , _�− ,

(2.21)

El coeficiente de convección de la pared hacia el fluido de trabajo en la sección del condensador

,

, = 0.943

2 3

, − ,

22

Para poder calcular los anteriores coeficientes de convección es necesario determinar la temperatura interior del termosifón haciendo la consideración de que la temperatura de operación es usualmente definida como la temperatura del vapor.

= _, + , + ,

, − ∞ (2.23)

Estudio de Nusselt (película no perturbada)

Este estudio se refiere al análisis del flujo anular en un conducto cilíndrico, en donde no se considera los efectos del flujo de vapor sobre la película de líquido. Se escogió la circulación de la película vertical sin perturbación, porque es el caso más simple donde el líquido circula con interface lisa, es decir, no contempla las fuerzas de corte en la interface. Con esto se considera que la velocidad del vapor es pequeña y además la fuerza de corte y la caída de presión del vapor proveniente del evaporador son despreciables.

Las fuerzas de gravedad que hacen que el líquido descienda, se expresan de la siguiente manera (ver figura 1.5):







g    y (2.24)

Por otra parte, la fuerza de corte entre el tubo y el líquido se representa por:

l l

u y  

 (2.25)

Para evitar que el flujo se acelere, se deben igualar ambas fuerzas







l

l l v

u

g y

y

      

23 Fig.2.4.-Modelo de película no perturbada.

Integrando esta ecuación, se puede deducir una expresión para la velocidad del líquido:





2

l l v

l

g y

u   y



 

  _  _

  (2.27)

Por otro lado la expresión que representa el flujo volumétrico para este modelo es:





V Du dy Dg

 _{  }     

_

la cual, se obtiene el espesor de la película teórico:





   (2.29)

Por otro lado, relacionando la expresión del flujo volumétrico con el flujo másico se tiene:

 

_{l l l}

m V (2.30)

Ahora, sabiendo el flujo másico de líquido, el flujo de calor se obtiene sustituyendo el flujo másico para este modelo en la ecuación (1.9), se tiene:





3

3  

 l v

l fg

l

Q Dg    h

 (2.31) l l u y   







g    y



z

y 0

24

Esta última expresión representa el flujo de calor que transmite el termosifón cuando se tiene una interface lisa. Este modelo es muy simplificado, pero puede servir de referencia en los cálculos del espesor de película con datos experimentales. La experiencia ha mostrado que la expresión anterior es válida solamente para circulación con número de Reynolds menores a 4000

2.4 Fluidos de trabajo y materiales de construcción

El fluido de trabajo es el principal elemento del termosifón. Este deberá tener las siguientes propiedades:

1.- Alta tensión superficial para asegurar el bombeo. 2.- Buenas características de mojado por la misma razón. 3.- Baja viscosidad para asegurar el bombeo.

4.- Alto calor latente para aumentar el calor transportado.

5.- Alta conductividad térmica para ayudar en la transmisión de calor entre el fluido y la pared del tubo.

6.-Puntos de condensación y evaporación compatibles con la gama de operación. 7.-Alta densidad para reducir la resistencia al flujo.

8.-Estabilidad química.

Por otro lado, los fluidos de trabajo se pueden clasificar en 4 categorías dependiendo de la aplicación, estas pueden ser: ultra baja temperatura (criogénica), baja temperatura, media temperatura y alta temperatura.

En la Tabla 2.1 se muestran algunos fluidos de trabajo utilizados en los tubos termosifones [11, 12,13].

Tabla 2.1.-Intervalos de temperatura de aplicación y fluidos de trabajo[11,12,13]

Criogénica (1 a 200 K)

Baja temperatura (200 K a 500 K)

Media temperatura (500 a 700 K)

Alta temperatura (700 a 3000 K)

Helio Agua Sulfuro Plata

Hidrógeno Amoniaco Mercurio Indio

Neón Refrigerante R-134ª Agua+Na2HPO4 Litio

Oxígeno Dowtherm A Agua+Naphtaleno Sodio Nitrógeno Etanol Agua+FC-72(C6F14) Potasio

Trietilenglicol-Agua Dowtherm A(fluido térmico) Cesio Glicol

El agua es un importante fluido de trabajo este se puede utilizar solo o como mezcla agregándole otra sustancia. Además, presenta una temperatura de operación, que es similar a la que se encuentra en la temperatura de la salida de los gases de escape de diversos equipos industriales.

25

Los materiales con que son construidos el recipiente son varios por ejemplo, aceros al carbón, cobre, aluminio, aceros inoxidables, etc. En la tabla 2.2 se muestran algunos más materiales de fabricación y fluidos de trabajo.

Tabla 2.2.-Materiales de construcción y fluidos de trabajo[11,12,13]

Fluidos de trabajo Material del recipiente

Acetona Níquel

Acero inoxidable (304,321) Amoníaco Acero al carbón

Fierro Diclorobenceno Cobre

Mercurio Acero inoxidable (304,321,347) Metanol Cobre

Acero

Potasio Acero inoxidable(304,347) _Níquel

Sodio Hastelloy-X(Ni con 22% Cr, 18% Fe, 9% Mo, 1.5% Co, 0.5% W) _{Haynes Alloy 25(Co con 20 % Cr, 15 % W, 10% Ni)}

Agua

Cobre

Cobre-níquel-acero Titanio

Nitrógeno Acero inoxidable Cobre

Etanol Cobre Metanol Cobre

El uso del acero y el agua como material de construcción y fluido de trabajo respectivamente en el tubo termosifón, es muy atractiva debido, por ejemplo, a su bajo costo y la alta transmisión de calor que se obtiene.

Sin embargo, es conocido que el material ferroso es químicamente incompatible con el agua, y una manifestación de esta incompatibilidad es la aparición de herrumbre. Esto a través del tiempo va destruyendo al material, por lo que es muy importante comprender el fenómeno de la corrosión.

2.5 Corrosión

La corrosión es sinónimo de la destrucción del metal, tiene muchas formas de manifestarse y depende del ambiente al que este sujeto. La detención de la corrosión es una ciencia que abarca muchas áreas y su estudio requiere de muchos conocimientos. Sin embargo, el producto de la corrosión es muy palpable y no es particular de una rama su estudio, lo que hace que cada persona tome acción contra ella de diferentes formas cada día.

26 Fig. 2.5.- Mecanismo de corrosión del fierro debido a una gota de agua [14]

Mecanismo de la corrosión

1.- La corrosión principia cuando a una superficie de metal ferroso le cae una gota de agua y en el centro de la gota en contacto con el Fe, donde da inició la reacción siguiente:

→ ++ _{+ 2} −_{, en la zona del ánodo (-).}

2.- Los electrones (2e-), se desprenden de la rotura del enlace atómico del Fe, se desplazan por el metal y lo cargan (-).

3.- Los iones Fe++ _{reaccionan con el 2H}

2O obteniéndose Fe(OH)2 más dos iones de hidrógeno

(2H+).

4.- Los iones hidrógeno (2H+) se reducen en el cátodo (+) con los electrones (2e-) obtenidos de la corrosión del Fe según la reacción:

2 ++ 2 −→ 2, por lo que el gas H2 puede escapar a la atmósfera o polarizar el cátodo (+),

pero el oxigeno del aire puede ser el despolarizante.

5.- El Fe(OH)2 (punto 3), el cual se puede encontrar en la periferia de la gota del agua, reacciona

con el O2 del medio ambiente, obteniéndose la herrumbre, esta se deposita a un lado del área

catódica de manera que no impida que el H2 (gas) escape.

6.- Se considera que la herrumbre tiene las siguientes fórmulas o sustancias:

 FeO

 FeO-H2O

 Fe(OH)3

 2Fe(OH)3

 Fe2O3-H2O  Fe2O3

27

Lo anterior es un proceso electroquímico porque ocurre sobre la superficie del metal y un medio ambiente, o sea el fluido. En este proceso sucede una combinación de una o más sustancias para formar un producto y también un desprendimiento de energía eléctrica debido a que el fenómeno de la corrosión sucede a nivel de los átomos y estos están conformados por un núcleo, el cuál contiene protones (+) y electrones (-). Siendo los electrones los que se pueden desplazar a través del metal y se pueden medir, porque generan una corriente eléctrica al moverse.

Entonces, en la zona en donde sucede la corrosión hay un proceso de oxidación, el cual se refiere al intercambio de energía entre dos zonas del mismo material y el agua. Estas áreas son el ánodo y el cátodo. El ánodo cede o pierde un electrón y el cátodo es el que lo recibe, es decir la zona que perdió a un electrón se oxida y el que lo capta se reduce.

Para que lo anterior no ocurra, se tendrá que evitar de alguna manera un flujo de electrones.

2.6 Disminución de la corrosión en los termosifones

Como se vio en el punto 2.5, una de las principales causas del deterioro del metal es el oxigeno disuelto en el agua, ya que este puede causar picaduras y posteriormente fisuras en la superficie interna del termosifón según la siguiente reacción:

2 + 2 + 2 → 2 3+ 2 2.32

En esta interacción los productos de la corrosión son el gas hidrógeno y la formación de oxido de fierro ( _{2 3}) hematita, la cual es un mineral de fierro de color café rojizo, es decir la

herrumbre, lo que normalmente se observa en la corrosión.

Para contribuir en la solución de la corrosión del acero se han llevado a cabo diversas investigaciones. Nishchick et al [15] encontraron que recubriendo la superficie interna y agregando un inhibidor, sin mencionar cual, al fluido de trabajo de un termosifón construido de acero, se podría ayudar a reducir la corrosión y la acumulación de hidrógeno. Novotna et al [16] anuncio que recubriendo con magnetita la superficie interior y añadiendo 5 g/L de cromato de potasio al agua fue el mejor método de protección de la corrosión en un tubo hecho de acero. Kiatsiriroat et al [17] estudiaron el comportamiento de fluidos de trabajo compuestos de las mezclas etanol-agua y trietilenglicol-agua a diferentes concentraciones. Se encontró que en el caso de TEG-agua la transferencia de calor varía con la cantidad de TEG-agua y que se puede retrasar la aparición del límite de inundamiento en pequeños termosifones. Terdtoon et al [18] llevaron a cabo un estudio en el que usaron diferentes métodos de protección interna de los termosifones, entre ellas: calentamiento del tubo y adición de inhibidores .Mou et al [19] realizaron un estudio para prolongar la vida útil de los caloductos fabricados de acero al carbón a través de hacer un cierto tratamiento en la superficie interior de los elementos.

28

El tubo termosifón normalmente usa un solo componente como fluido de trabajo, por ejemplo, agua bidestilada. Para mejorar unos aspectos, tal como la corrosión, se puede añadir otro componente al fluido de trabajo, un aditivo, para evitar o detener el deterioro del metal.

2.7 Selección del inhibidor

Un inhibidor es una sustancia orgánica o inorgánica que se agrega al agua o a la solución corrosiva y que es transportada por una tubería de Fe, con el fin de disminuir o reducir la velocidad de ataque del medio sobre el metal. Este, por lo regular es agregado en pequeñas concentraciones [20,21,] y su estado físico puede estar en forma de gas o líquido es decir volátil o soluble.

Como se vio en el punto 2.3 el oxigeno disuelto en el agua es el principal agente corrosivo.

Por lo que una manera de reducir la corrosión en sistemas cerrados consiste en agregar al fluido de trabajo un inhibidor que elimine el nivel de oxigeno disuelto. Y entonces la disolución del metal se puede detener porque se aísla un factor importante en el procedimiento de la corrosión el cuál es el flujo de electrones, es decir se inhibe que interactué el ánodo o el cátodo por la ausencia de oxigeno disuelto [22].

De los inhibidores encontraos en la industria que actúan como removedores de oxígeno se tienen varios, entre algunos tales como:

 Sulfito de sodio

 Carbohidrazida

 Diethylhydroxylamina (DEHA)

 1-Amino-4-methylpiperazine

 Hidrazina

Tabla 2.3.-Inhibidores removedores de oxígeno [23,24]

inhibidor reacción con el oxígeno

forma

sólidos pasivación

dosificación

teórica peligrosidad

Sulfito de sodio si si no 8:1 no

Carbohidrazida si no - 1.4:1 no

(DEHA) si no si 1.2:1 si

1-Amino-4-methylpiperazine si no

formación de

magnetita - no

Hidrazina si no formación _magnetita de 1:1 si

Comparación entre los inhibidores

29

son ni agresivos ni tóxicos.

Otro parámetro importante es la estabilidad del inhibidor, ya que a ciertas temperaturas y presiones el aditivo puede degradarse químicamente perdiendo su capacidad de remoción del oxígeno disuelto en el agua. Por ejemplo, la carbohidrazida no se degrada químicamente hasta los 48 bar, la hidrazina lo hace hasta los 16 bar, mientras que la DEHA es estable hasta los 21 bar. Sin embargo, dependiendo de las aplicaciones de los elementos bifásicos es posible que no se alcancen las presiones y temperaturas en las que el aditivo se degrade químicamente.

Por el lado de la dosificación, lo que significa la cantidad de aditivo necesaria para remover el oxigeno disuelto en el agua, es preferible que sea la menor. En esta comparación la hidrazina presenta que teóricamente se necesita 1mg/L de aditivo para remover 1mg/L de oxígeno disuelto en el agua, mientras que para los demás inhibidores mostrados en la tabla 2.3 se requiere una mayor cantidad.

En relación a la seguridad, se observa que la DEHA e hidrazina son las sustancias de mayor riesgo. Sin embargo, esta última se utiliza generalmente en forma de hidrato de hidrazina (N2H4+H2O), en la cual la hidrazina esta diluida en agua en diferentes proporciones, lo que

reduce considerablemente su nivel de peligrosidad. Para poder manejarlo se deberá usar la protección adecuada por ejemplo, lentes de seguridad, guantes de caucho, overol o bata y

mascará con filtro tipo “canister”. Lo cual no es excesivo pues estos equipos de seguridad son los

mismos que se recomiendan para trabajar con amoniaco.

Mención aparte es la protección física de la superficie del metal (pasivación), es decir, la formación de una película de oxido que no permita el desarrollo del proceso de corrosión. En el caso de la carbohidrazida probablemente forme una capa que se adhiera a la superficie, ya que se descompone en hidrazina. Los casos de la DEHA, 1-Amino-4-methylpiperazine e Hidrazina forman una película de oxido, magnetita, siendo la hidrazina el aditivo que produce una capa protectora con mejor adherencia a la superficie [25].

Por lo tanto, de acuerdo con lo anteriormente mostrado la hidrazina cumple con todos los requisitos para ser utilizada como aditivo para disminuir los efectos de la corrosión en los tubos termosifones. Además de que se ha aplicado con éxito como inhibidor de la corrosión de las tuberías de los generadores de vapor en plantas termoeléctricas desde la década de los sesenta.

2.8 Reacciones de la hidrazina

La hidrazina, cuya fórmula química es (N2H4), está compuesta de nitrógeno e hidrógeno,

no es conocido que ocurra en forma natural., por lo que se produce a través de la síntesis del amoniaco. Los usos más comunes de la hidrazina son como producto en la manufactura de químicos en la agricultura, productos farmacéuticos, combustible para cohetes, y como absorbente de oxígeno [26].

A continuación se presentan las reacciones químicas que se considera tendrán lugar en el interior del tubo termosifón cuando se agregue hidrazina como aditivo al fluido de trabajo (agua bidestilada).

30

2 4+ 2 ⟶ 2+ 2 2 (2.33)

Pasivación

La hidrazina puede llegar a ser un pasivador. El termino pasivación describe un proceso por el cual una película de oxido es formada sobre el metal. La reacción de la hidrazina con el oxido de fierro es como sigue:

2 4+ 6 2 3 →4 3 4+ 2 2 + 2 (2.34)

La hidrazina interactúa con el oxido de fierro para formar oxido de fierro magnético Fe3O4

(magnetita). La cual es de color negro y por lo general se forma en agua o vapor cuando hay una deficiencia de oxígeno y sobre una capa de Fe2O3 (hematita). La película o barrera que se adhiere

en la superficie del metal evita el transporte de las especies reactivas del agua sobre la superficie del mismo, o el transporte de los productos fuera de esta interfase, es decir, evita el flujo de energía eléctrica. Por lo tanto, el sistema metal-agua no se ve oxidado ni reducido y la adición de hidrazina puede retardar y en algunos casos detener la destrucción del acero.

Degradación térmica

Sin embargo, los cuidados que se deben tener son debidos a la degradación de la sustancia, que en este caso se lleva a cabo a presiones y temperaturas mayores de 16 bar y 250°C respectivamente. La reacción es como sigue:

3 2 4+ →4 3 + 2 (2.35)

Los productos de la descomposición son el amoniaco y nitrógeno, que también se acumularán en la parte superior del condensador del termosifón. Una solución es dejar un espacio en el tubo para que se alojen ahí estos gases.

31

CAPÍTULO III

32

3.1 Experimento para obtener las propiedades físicas del fluido de trabajo

Para poder cargar los termosifones usando la mezcla agua+hidrato de hidrazina como fluido de trabajo, se necesita tener información sobre sus propiedades físicas. En este primer experimento se obtendrán las propiedades físicas del fluido de trabajo (agua destilada+hidrato de hidrazina), a presión atmosférica y dentro de un intervalo de temperatura de 20 °C a 80 °C.

El agua bidestilada se adquirió con las características químicas siguientes: ph de 6 y conductividad específica de 1/cm y sin presencia de sólidos disueltos. El hidrato de hidrazina fue proporcionado por la planta termoeléctrica Valle de México perteneciente a la Comisión Federal de Electricidad. El certificado de calidad del agua bidestilada y del hidrato de hidrazina se muestra en el anexo B.

En la Tabla 3.1 se tienen las propiedades físicas del agua e hidrato de hidrazina a condiciones ambiente

Tabla 3.1.-Algunas propiedades físicas del agua e hidrato de hidrazina [27,28,29,30]

propiedad agua hidrato de hidrazina

composición H2O 64% N2H4*H2O

apariencia Líquido incoloro Líquido incoloro

punto de congelación,°C 0 -51.5

masa molar, kg/kmol 18.015 52.05

punto de ebullición a 1 atm, °C 100.0 120.1

temperatura crítica, °C 374.2 380

presión crítica, atm 218.3 145

presión de vapor a 20 °C, kPa 2.02 1

densidad a 20°C, g/cm3 _{0.998 1.0032}

solubilidad en agua - Muy alto

viscosidad a 25°C, P 0.008904 0.00905

calor específico(líquido),cal/mol K 17.98 (298K) 23.62 (298K) tensión superficial a 25°C dina/cm 72.8 74.2

entalpia del líquido a 25°C, kJ/kg 2448 1395.5

Se observa en la tabla anterior que el inhibidor no difiere demasiado en algunas propiedades con respecto del agua. Pero, si lo hace en el punto de ebullición. Lo cual es de gran ayuda, ya que cuando se lleve a cabo la carga de la mezcla en el termosifón a presión atmosférica y el agua se evapore, el inhibidor permanecerá en la mezcla. Sin embargo, no es posible usar las propiedades de los fluidos por separado, por lo que se deben comprobar las propiedades de la mezcla agua+hidrato de hidrazina.

En este estudio el fluido de trabajo -agua bidestilada + hidrato de hidrazina- fue preparado agregando diferentes cantidades de esta última sustancia en un litro de agua bidestilada hasta alcanzar la concentración requerida. Por ejemplo para la muestra marcada como número 2, en un litro de agua se agregó 0.5 g de inhibidor y se agitó para mezclarse.

33

En las figuras 3.1 a–d se muestran los resultados de algunas propiedades del la mezcla en su fase líquida y en el intervalo de temperatura 20 ºC a 80 ºC. Se puede ver que con las cantidades e intervalo de temperatura con las que se trabajo, las propiedades no se alteran de manera significativa en el fluido de trabajo. Sin embargo, cuando la mezcla se encuentre en estado gaseoso el comportamiento puede ser diferente. En el anexo C, se muestra el procedimiento para determinar las propiedades del fluido de trabajo tal como: densidad, viscosidad, calor de vaporización y tensión superficial.

a b

0.960 0.965 0.970 0.975 0.980 0.985 0.990 0.995 1.000

10 20 30 40 50 60 70 80

g/ m l Temperatura, °C Densidad 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

10 20 30 40 50 60 70 80

cP Temperatura, °C Viscosidad dinámica 0.071 0.071 0.071 0.071 0.071 0.072 0.072 0.072 0.072

10 20 30 40 50 60 70 80

N /m Temperatura, °C Tensión superficial 2200 2250 2300 2350 2400 2450 2500

10 20 30 40 50 60 70 80

kJ

/kg

Temperatura, °C

Calor de vaporización Tabla 3.2.- Concentraciones de aditivo para prueba de corrosión

Muestra concentración de hidrato de hidrazina (g/L)

1 0.5

2 1.0

3 1.5

34

c d

Fig. 3.1 a–d.-Propiedades del fluido de trabajo en el intervalo de 20 °C a 80 °C

3.2 Experimento para determinar la cantidad de inhibidor en condiciones de ambiente y sin agitación

Este experimento consistió en hacer varias mezclas con diferentes cantidades de inhibidor y observar su influencia al sumergir en ellas piezas hechas del mismo material como con el que se construyó el termosifón.

3.2.1 Características de los especímenes

En la figura 3.2 se muestra el espécimen de prueba. Este es hecho de una aleación de acero, es de forma circular de 25.4 mm de diámetro exterior y un espesor de 2.4 mm. El cual es del mismo material con él fueron construidos los termosifones, cuya composición química es:

Tubo ASTM A179 C.- 0.08-0.16, Mn.-0.3-0.60 %, P.-0.040 % máx., Si.-0.050% máx.

Fig. 3.2.-Espécimen de prueba

Otra característica de este material es que es hechos sin costura y un número de dureza Rockwell menor a B72. Se usa en intercambiadores de calor, condensadores y aparatos similares de transmisión de calor [31].

3.2.2 Metodología del experimento

Preparación de las muestras