Diseño e implementación de un sistema de enfriamiento para molinos de bolas

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA MOLINOS DE BOLAS. Tesis presentada por la bachiller EDITH LUCERO FLORES SÁNCHEZ Para optar el título profesional de Ingeniero Mecánico. AREQUIPA – PERÚ 2016.

(2) INDICE INDICE ............................................................................................................... 2 RESUMEN ......................................................................................................... 1 1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 2 1.1 Planteamiento del problema ............................................................. 2 1.2 Hipótesis ............................................................................................ 2 1.3 Objetivo General ................................................................................ 2 1.4 Objetivos Específicos ....................................................................... 2 1.5 Justificación....................................................................................... 3 1.6 Alcances y límites ............................................................................. 3 2. MARCO TEORICO ...................................................................................... 4 2.1 Sistema de enfriamiento ................................................................... 4 2.1.1 Configuración del sistema de refrigeración de un molino de bolas…………………………………………………………………………4 2.1.2 Propiedades térmicas del agua ............................................. 5 2.2 Tipos de sistema de enfriamiento por evaporación de agua ......... 6 2.2.1 Estanques ................................................................................ 6 2.2.2 Sistemas de enfriamiento mediante torres de enfriamiento 7 2.3 Torre de enfriamiento ........................................................................ 8 2.3.1 Componentes de una torre de enfriamiento ......................... 8 2.3.2 Clasificación de las torres de enfriamiento ........................ 10 2.3.3 Selección de las torres de enfriamiento ............................. 13 2.4 Intercambiador de calor .................................................................. 15 2.4.1 Intercambiador de tubos concéntricos ............................... 15 2.4.2 Intercambiador compacto .................................................... 16 2.4.3 Intercambiador de tubo y coraza ......................................... 17 2.4.4 Intercambiador de placas y armazón .................................. 17 2.4.5 Calculo del Intercambiador de placas ................................. 18 2.5 Sistema de bombeo ......................................................................... 21 2.5.1 Bombas de agua ................................................................... 21 2.5.2 Transferencia de calor en las tuberías del sistema ........... 24.

(3) 2.5.3 Tuberías y accesorios .......................................................... 24 2.6 Sistema de tratamiento de agua ..................................................... 24 2.6.1 Características de agua de enfriamiento ............................ 24 2.6.2 Tratamiento del agua de enfriamiento ................................ 26 2.6.3 Componentes del sistema de tratamiento de agua............ 28 2.6.3.1 Filtro de mallas ....................................................... 28 2.6.3.2 Ablandador de agua ............................................... 28 2.6.3.3 Sistema de dosificación de productos químicos . 29 3. DESCRIPCIÓN DEL OBJETO DE ESTUDIO ........................................... 31 3.1 Parámetros de diseño ..................................................................... 31 3.2 Sistema de enfriamiento en circuito abierto (actual) ................... 31 3.3 Descripción de alternativas ............................................................ 34 3.3.1 Alternativa 1 .......................................................................... 34 3.3.2 Alternativa 2 .......................................................................... 34 3.3.3 Alternativa 3 .......................................................................... 35 3.3.4 Alternativa 4 .......................................................................... 35 3.4 Evaluación de alternativas.............................................................. 36 3.4.1 Alternativa 1 .......................................................................... 36 3.4.2 Alternativa 2 .......................................................................... 37 3.4.3 Alternativa 3 .......................................................................... 38 3.4.4 Alternativa 4 .......................................................................... 38 3.5 Conclusiones de las alternativas ................................................... 40 4. CALCULOS ............................................................................................... 41 4.1 Diseño del Sistema de enfriamiento para molinos de bolas ....... 41 4.1.1 Cargas térmicas .................................................................... 41 4.1.2 Condiciones de operación ................................................... 41 4.2 Selección del Sistema de enfriamiento ......................................... 42 4.3 Calculo y selección del tipo de torre de enfriamiento .................. 42 4.4 Calculo y Selección del intercambiador de calor ......................... 47 4.5 Calculo del sistema de bombeo ..................................................... 55 4.5.1 Calculo de tuberías y bombas ............................................. 55 4.6 Selección del sistema de tratamiento de agua ............................. 66.

(4) 4.6.1 Ablandador de agua.............................................................. 66 4.6.2 Filtro de malla auto limpiable ............................................... 67 4.6.3 Filtro turbidex ........................................................................ 68 4.6.4 Sistema de Control de Purga y Dosificación de Producto Químico ............................................................................................ 69 5. IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO ....................... 71 5.1 Fase de inicio ................................................................................... 71 5.1.1 Acta de constitución del proyecto....................................... 71 5.1.2 Identificación de los Stakeholders ...................................... 71 5.2 Fase de Planificación ...................................................................... 72 5.2.1 Desarrollo del plan de gestión para la dirección del proyecto ………………………………………………………………………72 5.2.2 Definición del alcance del proyecto .................................... 72 5.2.2.1 Alcance del proyecto .............................................. 72 5.2.2.2 Elaboración de la EDT ............................................ 74 5.2.3 Desarrollo del cronograma maestro.................................... 74 5.2.4 Elaboración de presupuesto ................................................ 76 5.2.5 Planificar la Gestión de Calidad .......................................... 76 5.2.6 Planificar la Gestión de lo RR.HH. ....................................... 78 5.2.7 Matriz de distribución de Comunicaciones ....................... 79 5.2.8 Planificar la gestión de adquisiciones ................................ 80 5.3 Fase de Ejecución ........................................................................... 81 5.3.1 Selección de constructores y proveedores ........................ 81 5.3.2 Desarrollo del plan de trabajo del proyecto ....................... 81 5.3.3 Desarrollo del plan de aseguramiento de calidad del proyecto ........................................................................................... 82 5.3.4 Gestión de seguridad y medio ambiente. ........................... 82 5.4 Fase de Monitoreo y control ........................................................... 83 5.4.1 Forecast del proyecto ........................................................... 83 5.4.2 Técnica del valor ganado ..................................................... 83 5.4.3 Curva S .................................................................................. 85 5.4.4 Reportes diarios y three week ............................................. 86.

(5) 5.5 Fase de cierre .................................................................................. 86 5.5.1 Entrega del proyecto ............................................................ 86 5.5.2 Aceptación formal de proyecto ........................................... 87 5.5.3 Presentación de lecciones aprendidas ............................... 87 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................. 88 6.1 Conclusiones ................................................................................... 88 6.2 Recomendaciones ........................................................................... 88 7. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 89 ANEXOS .......................................................................................................... 90 Anexo 01 ......................................................................................................... 90 Anexo 02 ......................................................................................................... 93.

(6) INDICE DE FIGURAS Figura 01 Esquema del sistema de refrigeración ............................................... 4 Figura 02 Superficie PVT del agua ..................................................................... 5 Figura 03 Esquema de un Estanque Natural ..................................................... 6 Figura 04 Esquema de estanque con rociadores ............................................... 7 Figura 05 Partes de una torre de enfriamiento ................................................... 9 Figura 06 Disipación de calor en una gota de fluido ......................................... 10 Figura 07 Torres de aspersión atmosférica ...................................................... 10 Figura 08 Torre eyectora de enfriamiento ........................................................ 11 Figura 09 Torre de tiro forzado a contraflujo .................................................... 12 Figura 10 Torre de enfriamiento de tiro forzado a contraflujo ........................... 13 Figura 11 Intercambiador de calor de tubo concéntrico paralelo y contraflujo . 16 Figura 12 IC de flujo cruzado mezclado y no mezclado ................................... 16 Figura 13 Partes del intercambiador de tubo y coraza ..................................... 17 Figura 14 Parte de un intercambiador de placas .............................................. 18 Figura 15 Intercambiador de calor a contraflujo ............................................... 19 Figura 16 Tipos de Bomba centrifuga horizontal .............................................. 22 Figura 17 Partes de la bomba centrifuga vertical ............................................. 23 Figura 18 Partes de la bomba sumergible ........................................................ 23 Figura 19 Incrustaciones en tuberías ............................................................... 25 Figura 20 Esquema de tanque ablandador de intercambio ionico AWT........... 29 Figura 21 Esquema del sistema de enfriamiento Actual .................................. 32 Figura 22 Partes principales de un molino de bolas ......................................... 33 Figura 23 Unidad de Refrigeración de molinos ................................................ 34 Figura 24 Esquema del sistema de enfriamiento para molinos de bolas ......... 42 Figura 25 Temperaturas al ingreso y salida del intercambiador de calor ......... 46 Figura 26 Esquema de tuberías para la bomba de recirculación de agua ....... 56 Figura 27 Diagrama de flujo del Sistema de tratamiento .................................. 66 Figura 28 Estructura de desglose de trabajo .................................................... 74 Figura 29 Cronograma propuesto del proyecto ................................................ 75.

(7) Figura 30 Estimado de costo del proyecto ....................................................... 76 Figura 31 Organigrama del proyecto ................................................................ 78 Figura 32 Matriz de comunicaciones ................................................................ 79 Figura 33 Plan de Procura ............................................................................... 80 Figura 34 Plan de Contrataciones .................................................................... 81 Figura 35 Valor ganado .................................................................................... 84 Figura 36 Interpretación de datos..................................................................... 85 Figura 37 Indicadores de desempeño .............................................................. 85 Figura 38 Ejemplo de curva s ........................................................................... 86.

(8) INDICE DE TABLAS Tabla 01 Clasificación de la Dureza por CaCO3 en el Agua ............................ 25 Tabla 02 Procesos para tratar el agua ............................................................. 26 Tabla 03 Costo aproximado de equipos ........................................................... 36 Tabla 04 Gasto aproximado por año ................................................................ 39 Tabla 05 Flujo de caja ...................................................................................... 39 Tabla 06 Capacidad térmica disipada por los componentes ............................ 41 Tabla 07 Caudal y temperatura requerida ........................................................ 41 Tabla 08 Temperatura máxima mensual .......................................................... 43 Tabla 09 Temperatura mínima mensual ........................................................... 43 Tabla 10 Porcentaje de purga en base al salto termico ................................... 45 Tabla 11 Comparación cualitativa de TE .......................................................... 47 Tabla 12 Selección cualitativa del IC ................................................................ 48 Tabla 13 Registro de interesados ..................................................................... 71 Tabla 14 Cumplimiento de Presupuesto de Proyecto ...................................... 77 Tabla 15 Cumplimiento de Cronograma de Proyecto ....................................... 77 Tabla 16 Cumplimiento del Forecast ................................................................ 78 Tabla 17 Forecast del proyecto ........................................................................ 83.

(9) RESUMEN El presente trabajo describe el actual sistema de refrigeración abierto de los molinos de bolas de una planta que se diseñó para operar con agua fresca sin tratamiento químico, debido a la calidad del agua su circuito de tuberías presenta problemas de encalichamiento ocasionando el incremento de labores y costos de mantenimiento. El objetivo del estudio es el diseño e implementación de un sistema de enfriamiento cerrado para refrigerar la carga térmica utilizando agua tratada reduciendo significativamente los costos de operación y mantenimiento. Este diseño pretende reducir los problemas de encalichamiento y disminuir el coste del mantenimiento del sistema, el agua que refrigera a los componentes de los molinos debe reducir la temperatura de los mismos a las condiciones normales de trabajo incrementando la disponibilidad del equipo, además será diseñado y se propondrá un plan de gestión para su implementación determinando un plazo y costo de instalación. En el trabajo se propone diseñar un sistema que cumpla con los requerimientos exigidos mediante el cálculo térmico. Desarrollar planes y herramientas de gestión eficiente en las distintas fases del proyecto estableciendo indicadores de desempeño. y métricas para una eficiente administración de recursos,. cuantificando el cumplimiento del alcance, presupuesto cronograma. Para desarrollar los temas, se dividió la tesis en cinco capítulos principales, en el primer capítulo se establece el problema, hipótesis, objetivos, justificación, límites y alcances del trabajo. El segundo capítulo es el marco teórico que define los principales componentes del sistema de enfriamiento, bombeo y tratamiento de agua, evaluando sus características para una adecuada selección. El tercer capítulo proporciona la descripción del sistema de enfriamiento que será el objeto de estudio. En el cuarto capítulo se presentan los cálculos de diseño y selección de componentes principales. El quinto capítulo desarrolla planes y herramientas aplicadas así como la evaluación de sus indicadores de desempeño para la implementación,. los. resultados. proporcionan. las. conclusiones. y. recomendaciones del último capítulo.. 1.

(10) 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Planteamiento del problema Debido a la calidad del agua fresca sin tratamiento químico, el sistema de enfriamiento abierto actual que utiliza el sistema de molienda en una unidad minera presenta problemas de encalichamiento que incrementa las labores de mantenimiento y en consecuencia el costo del mismo. Se requiere desarrollar una alternativa para instalar un sistema de enfriamiento cerrado con agua blanda, con la temperatura adecuada para disipar el calor generado y con un costo que justifique su inversión, debe ser implementado en el plazo establecido y dentro del presupuesto. La empresa requiere su desarrollo para reducir los costos de operación y mantenimiento del sistema de enfriamiento actual que ascienden aproximadamente a 400,000 dólares por año. 1.2 Hipótesis Realizar el diseño e implementación, el sistema de enfriamiento reducirá las labores de mantenimiento al usar agua tratada, aumentar la disponibilidad del equipo al reducir su temperatura a las condiciones normales de trabajo. Al aplicar lineamientos de gestión en construcción se espera que la ejecución del proyecto tenga un plazo establecido y costo estimado, con los beneficios empresariales proyectados. 1.3 Objetivo General . Seleccionar un sistema de enfriamiento desde el punto de vista técnico y económico.. 1.4 Objetivos Específicos . Realizar el dimensionamiento del sistema de enfriamiento y selección de equipos.. . Validar o refutar la hipótesis.. 2.

(11) . Determinar el plazo y costos estimados, aplicando conocimientos, habilidades y herramientas, además de las técnicas a cada una de las actividades del proyecto desde la conceptualización hasta su entrega.. . Mejorar la administración, coordinación, planificación y control de la gestión de proyectos en empresas mineras.. 1.5 Justificación El estudio busca desarrollar una alternativa que cumpla con el objetivo general y específico para así disminuir los costos operativos. 1.6 Alcances y límites El estudio se centra en diseñar e implementar un Sistema de enfriamiento realizando un cálculo térmico de acuerdo a las condiciones actuales del equipo. Aplicar las herramientas y técnicas para su eficiente implementación futura.. 3.

(12) 2. MARCO TEORICO 2.1 Sistema de enfriamiento Un sistema de enfriamiento tiene el propósito de remover el calor de una sustancia o elemento para reducir o mantener su temperatura. Se distinguen tres tipos de sistemas: . Sistema sin recirculación: El agua proveniente de la fuente térmica luego de ser utilizada es descargada sin reutilizarla, usada comúnmente con grandes caudales y con un gran consumo de agua.. . Sistema con recirculación en circuito abierto: El agua de enfriamiento recircula extrayéndose en calor absorbido en contacto directo con el medio ambiente y por evaporación del elemento enfriador.. . Sistema con recirculación en circuito cerrado: El calor absorbido se extrae mediante tubos o serpentines y no existe contacto directo con el elemento enfriador.. Figura 01 Esquema del sistema de refrigeración Fuente: Elaboración propia 2.1.1 Configuración del sistema de refrigeración de un molino de bolas El sistema de refrigeración de los molinos de bolas consiste en la circulación de aceite en circuito cerrado a través de sus componentes por medio de un intercambiador de calor tubos coraza aceite-agua, estos transfieren su carga 4.

(13) térmica al agua de enfriamiento en circuito abierto (línea punteada verde). El estudio pretende diseñar un nuevo sistema de enfriamiento en un circuito cerrado. (Ver Fig. 01) 2.1.2 Propiedades térmicas del agua El agua tiene una gran capacidad de absorber el calor de manera eficiente (2277 J/Kg) gracias a la variación de su calor sensible, este refrigerante secundario (R718) generalmente es usado para acondicionar el aire, posee un elevado calor específico y alto coeficiente convectivo de transferencia de calor además de un bajo costo, sus propiedades son: . Elevado calor específico y alto coeficiente convectivo.. . Baja viscosidad a las temperaturas de trabajo que influye en el régimen del fluido.. . Las presiones de trabajo son bajas por lo tanto las bombas requieren menor consumo de potencia.. El agua presenta un amplio rango de presiones y temperaturas en su estado líquido, como se observa en la figura 02, con la presión mínima de 0.00603 atm y su conocido rango de temperaturas de 0°C a 374°C.. Figura 02 Superficie PVT del agua Fuente: Calor y termodinámica–Mark W. Zemansky. 5.

(14) Además de ser la alternativa menos tóxica que reduce el daño de la capa de ozono y el calentamiento global. Tiene también, algunas desventajas como refrigerante, el agua a ciertas presiones se convierte en vapor y puede escapar fácilmente perdiendo cierto porcentaje del fluido refrigerante, además de requerir un buen mantenimiento para evitar el encalichamiento y en algunas ocasiones es necesario incorporar un sistema de tratamiento de agua. 2.2 Tipos de sistema de enfriamiento por evaporación de agua Los sistemas de enfriamiento por evaporación consiste en transferir calor de una fuente de alta temperatura (agua) a una fuente de baja temperatura (aire), este último llega a vaporizarse por la ganancia de calor a cierto grado de presión de saturación del fluido. Se encuentran dos configuraciones. que enfrían el agua mediante la. evaporación: 2.2.1 Estanques Es un dispositivo usado ocasionalmente para este fin, existen estanques naturales y estanques con rociadores. a) Estanques Naturales: También llamados “Cooling Ponds”, presenta un sistema de bombeo que alimenta el agua caliente en un extremo y retira el agua fría en el extremo opuesto (Fig. 03). Se elimina calor del agua por evaporación y convección al aire, y se gana calor por radiación solar.. Figura 03 Esquema de un Estanque Natural. 6.

(15) b) Estanques con rociadores: Llamado también “Spray pond”, presenta un sistema de bombeo que se alimenta de agua caliente a las líneas de distribución colocadas en el aspersor que poseen toberas ascendentes, y retira el agua fría de la pileta. Este sistema aumenta la evaporación y la transferencia de calor de manera significativa, debido a que el área superficial aumenta al dividirse en pequeñas gotas incrementando la convección natural (Fig. 04). Los estanques naturales y con rociadores presentan inconvenientes por diferentes razones, la transferencia de calor varia significativamente con la velocidad del viento, si la velocidad es baja el estanque requerirá un mayor área, si la velocidad es elevada podría arrastrar el agua de aspersión incrementando el costo o perjudicando el entorno del estanque.. Figura 04 Esquema de estanque con rociadores 2.2.2 Sistemas de enfriamiento mediante torres de enfriamiento Las torres de enfriamiento son los dispositivos más comunes utilizados para enfriar agua por evaporación. Es una estructura cerrada diseñada para enfriar el agua extrayendo su calor mediante la evaporación o conducción, estos dispositivos poseen un gran control y eficiencia. El diseño de una torre de enfriamiento refrigera grandes volúmenes de agua, esto ocurre cuando el agua que circula y cae a través de la torre, el agua se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado. La temperatura de bulbo húmedo del aire es inferior a la temperatura del agua caliente, en esta condición el agua se enfría por transferencia de masa. 7.

(16) (evaporación) y por transferencia de calor sensible y latente del agua al aire, este al ganar calor eleva su temperatura y humedad mientras que la temperatura del agua desciende; la temperatura límite de enfriamiento del agua es la temperatura de bulbo húmedo del aire a la entrada de la torre. 2.3 Torre de enfriamiento Como vimos en el punto anterior estos dispositivos transfieren calor por convección gracias al contacto directo entre el agua y aire, logrando disminuir la temperatura del agua caliente aumentando la temperatura del aire frio, este equipo presenta diversos componentes para lograr su propósito de manera eficiente. 2.3.1. Componentes de una torre de enfriamiento. Las torres de enfriamiento poseen una estructura que le ofrece resistencia y constituye el armazón que soporta todos sus componentes y la carga a refrigerar, debe poseer resistencia mecánica y química cumpliendo los requisitos sanitarios, los materiales más usados son los plásticos (fibra de vidrio, polipropileno, polietileno, PVC, etc.), madera, hormigón, acero inoxidable y galvanizado. (Ver figura 05) Posee también un sistema de distribución de agua, existen dos tipos sistemas por gravedad que requiere poca altura para el bombeo de agua (menor costo de operación), y los sistemas por presión que inyectan el fluido por medio de tuberías y toberas que pulverizan el agua en gotas incrementado el rendimiento del dispositivo. La función de este sistema es distribuir uniformemente el agua sobre todo el relleno de la torre. El elemento encargado de crear la corriente de aire es el ventilador. Este equipo puede ser axial o centrífugo y puede estar ubicado en la parte superior de la torre, succionando el aire (torre de tiro inducido) o en la parte inferior, inyectando el aire al interior (torre de tiro forzado). Su interior está compuesto de un relleno o empaque su función es acelerar la disipación de calor, es el componente principal que aumenta la transferencia de calor entre el agua y el aire por el incremento de la superficie húmeda. Se. 8.

(17) caracteriza por ser de bajo costo y fácil instalación, poco peso por unidad de volumen y gran área superficial, con gran resistencia mecánica y química pero con poca resistencia al paso del aire. Existen tres tipos: -. Rellenos de goteo o salpicadura su objetivo es formar gotas pequeñas por medio de pisos superpuestos de rejillas sobre los cuales cae el agua en forma de cascada fraccionando las gotas.. -. Rellenos de película o laminares, su objetivo es crear una lámina extensa y delgada para incrementar la evaporación y al no existir gotas las perdidas por arrastre son menores.. -. Rellenos Mixtos, este dispositivo emplea los principios anteriores ya que pulveriza el agua por goteo pero en ciertas partes del relleno se forman láminas de agua. Entre los materiales con los que se fabrican los rellenos encontramos plásticos, fibrocemento, madera y materiales metálicos.. Figura 05 Partes de una torre de enfriamiento Fuente: ERW Torres de Refrigeración Los separadores de gotas tienen como objetivo evitar que las pequeñas gotas arrastradas por el aire salgan fuera de la torre, provocando cambios bruscos de. 9.

(18) la dirección de la corriente de aire que disipa el calor (Fig. 06) arrastrando a las gotas sobre las láminas del separador haciéndolas volver al interior. qev, calor de evaporación (7090%) qc, calor por conducción (30-10%). Figura 06 Disipación de calor en una gota de fluido Fuente: ERW Torres de Refrigeración 2.3.2 Clasificación de las torres de enfriamiento Existen diversos equipos, los cuales se enuncian a continuación: a) Equipos de tiro natural Estos dispositivos no poseen con ventiladores para desarrollar la presión que generar la circulación del aire a través de la torre, encontramos en esta clasificación las torres de aspersión atmosférica (Fig. 07) en las que el aire proviene de corrientes atmosféricas son de gran volumen y no presentan relleno.. Figura 07 Torres de aspersión atmosférica Fuente: Escuela Superior Politécnica del Litoral. 10.

(19) En este sistema el agua caliente ingresa por la parte superior de la torre, el agua es rociada y cae a través del espacio vacío, el aire ingresa por la izquierda y fluye hacia la derecha quitando calor al agua caliente, concentrando el agua fría en el reservorio que circula por la tubería en la parte inferior. Este dispositivo tiene una baja eficiencia ya que depende de los efectos de la velocidad del viento y requiere un mayor tamaño para aumentar la transferencia de calor en el espacio vacío. Encontramos también la torre eyectora de enfriamiento (Fig. 08), el aire caliente es succionado (efecto Venturi) por diferencia de densidades entre la base y su tope superior, son usadas para grandes flujos de agua y tienen rellenos de baja capacidad. La aspersión de agua caliente a una alta velocidad induce la entrada de aire, este gana calor e incrementa su densidad haciendo circular al aire hacia la parte superior y exterior de la torre.. Figura 08 Torre eyectora de enfriamiento Fuente: Escuela Superior Politécnica del Litoral. 11.

(20) b) Equipos de ventilación mecánica o tiro mecánico Estos dispositivos utilizan ventiladores para inducir el flujo de aire en el interior de la torre, proporcionando y controlando un gran flujo de aire que circula a través de la torre. Este gran volumen de aire permite que la estructura de la torre de enfriamiento tenga un menor tamaño y sea más compacta en comparación a los equipos de tiro natural. La capacidad de enfriamiento de la torre puede determinarse con mayor magnitud ya que la velocidad del viento es conocida y no depende de la velocidad natural del viento, por lo tanto la temperatura del agua de salida puede determinarse con gran exactitud. Existen dos tipos de tiro mecánico, torres de enfriamiento de tiro forzado y tiro inducido. Las torres de tiro forzado, este dispositivo tiene el ventilador en la base de la torre de enfriamiento (Fig. 09), el ventilador succiona el aire que ingresa por la base forzándolo a salir por la parte superior de la torre con baja velocidad, el agua caliente ingresa en contracorriente a la circulación del aire. Este equipo presenta ventajas al realizar el mantenimiento al ventilador y motor, gracias a que estos elementos se ubican al exterior siendo de fácil accesibilidad.. Figura 09 Torre de tiro forzado a contraflujo Fuente: Eure – Uso Racional de la energía. 12.

(21) En las torres de tiro inducido el ventilador se sitúa a la salida del aire (Fig. 10), de manera que succiona e induce al aire que ingresa por los laterales de la estructura a salir por la parte superior, la ventaja de este tipo de torres es que el agua más fría se pone en contacto con el aire más seco, logrando así un máximo rendimiento. El aire que ingresa a gran velocidad puede llevar consigo partículas extrañas y suciedad al interior de la torre, además los ventiladores requieren una mayor potencia para vencer las pérdidas que presenta el contraflujo.. Figura 10 Torre de enfriamiento de tiro forzado a contraflujo Fuente: Eure – Uso Racional de la energía 2.3.3. Selección de las torres de enfriamiento. Para la determinación de las torres de enfriamiento realizaremos primero una selección cualitativa, en la cual seleccionaremos el tipo de torre de enfriamiento y el tipo de tiro. Posteriormente se realiza el balance térmico tomando en consideración las propiedades del agua para hallar la cantidad de agua que requieren las torres mediante la siguiente formula: 𝑄̇. = 𝑚̇ 𝑐 (𝑡 − 𝑡 ). (2-1). 13.

(22) Donde, -. Calor a disipar, 𝑄̇. Kw. -. Flujo de agua, 𝑚̇. Kg/s. -. Temperatura de agua fría (salida), 𝑡. °C. -. Temperatura de agua caliente (entrada), 𝑡. °C. -. Calor especifico del agua, 𝑐. kJ/kg °C. Con los datos anteriores realizamos el balance de materia: a) Ciclos de concentración En los sistemas de enfriamiento se producen pérdidas de agua y para evitar que la concentración de sales en el agua, parte del fluido en la torre de enfriamiento es purgada (P), evaporada (E) y reposición (R). Se debe limitar el número de veces que recircula el agua por ello definimos el número de concentraciones N.. 𝑁=. ó. =. ó. (2-2). Este número debes estar entre 3 y 8. Para evitar sobrepasar este límite de concentración de solidos se debe controlar mediante el agua de purga y reposición. b) Perdida por evaporación (E) Este es el calor que se pierde cuando el fluido pulverizado se evapora para disminuir la temperatura, adicionalmente está perdida es aproximadamente el 1% del caudal de la torre de enfriamiento por cada 5.6 °C de diferencia de temperatura.. 𝐸=. (. ). (2-3). E, Perdida por evaporación. 𝑚 ⁄ℎ. Hv, Calor latente de vaporización del agua. 𝑘𝐽⁄𝑘𝑔. ΔT, Diferencia de temperaturas de la torre de enfriamiento. °𝐶. Cp, Calor específico del agua. 𝑘𝐽⁄𝑘𝑔 °𝐶. 14.

(23) c) Caudal de reposición (R) Es la cantidad de agua que de tendría que reponer para comenzar un nuevo ciclo, mediante el balance de materia tenemos que:. 𝑅=. ∗. (2-4). d) Caudal de purga (P) Es el caudal que se extrae para mantener la concentración de las sales en el sistema y es la diferencia entre el caudal de reposición y el caudal por perdida de evaporación.. 𝑃 =𝑅−𝐸. (2-5). 2.4 Intercambiador de calor Son equipos que facilitan el intercambio de calor entre dos fluidos a temperaturas diferentes sin mezclarse, poseen diversas aplicaciones industriales. Los fluidos presentan la transferencia de calor por convección (en el fluido) y conducción (cámaras que contienen el fluido). Estos dispositivos tienen diversas configuraciones y se fabrican en distintos tipos. 2.4.1 Intercambiador de tubos concéntricos Es llamado también intercambiador de doble tubo y es el más sencillo que existe, en este equipo un fluido pasa por un tubo de menor diámetro mientras que el otro fluido pasa por el espacio anular del tubo de mayor diámetro. Presentan dos disposiciones del flujo, si los fluidos (frio y caliente) se mueven en la misma dirección el flujo es paralelo, si los fluidos se mueven en direcciones contrarias es flujo en contracorrientes (contraflujo). Los tubos del intercambiador pueden ser desnudos o poseer aletas que incrementan la transferencia de calor, se utilizan cuando se requiere un área de transferencia de calor pequeña de 10m2 a 20 m2 y son muy útiles para operar a altas presiones. Ver figura 11.. 15.

(24) Figura 11 Intercambiador de calor de tubo concéntrico paralelo y contraflujo Fuente: HeatTransfer-InFood, Cap. 6 2.4.2 Intercambiador compacto Está diseñado para conseguir una gran área de transferencia de calor por unidad de volumen, mayor a 700 m2/m3. Estos dispositivos los encontramos en los radiadores de los automóviles, turbinas a gas, motor Stirling. La disposición de los flujos es perpendicular entres si, conocido como flujo cruzado y a su vez pueden ser flujo mezclado y no mezclado (Fig. 12). Los intercambiadores ocupan poco espacio y generan ahorro de material para su construcción, los fluidos en su interior deben se limpios, poco corrosivos y por lo general uno de ellos debe estar en estado gaseoso.. Figura 12 IC de flujo cruzado mezclado y no mezclado Fuente: Apuntes de transferencia de calor, Ramiro Alba 2006, tema 6. 16.

(25) 2.4.3 Intercambiador de tubo y coraza Este tipo de intercambiador presenta una coraza que contiene un gran número de tubos en su interior sujeto por láminas perforadas en sus extremos, poseen también deflectores que obliga al flujo que ingresa a la coraza circular perpendicularmente a los tubos. Los tubos se abren a los extremos conocidos también como cabezales, es en parte el fluido se acumula antes de salir del intercambiador. Estos equipos los podemos encontrar en industrias químicas o refinerías ya que proporciona grandes flujos de calor, sencillo mantenimiento, es versátil y de fácil construtibilidad.. Figura 13 Partes del intercambiador de tubo y coraza Fuente: Grupo 1MI131 dispositivos FEEE 2.4.4 Intercambiador de placas y armazón Este tipo de intercambiador compacto consta de flujos alternados separados por láminas delgadas y corrugadas, las placas se conectan una a otras con empaques que sellan la cavidad impidiendo el escape del flujo caliente o frio formando el canal del flujo (Fig. 14). La geometría de las placas incrementa el área efectiva y genera turbulencia en el fluido logrando altos coeficientes de transferencia de calor, las placas aumentan su resistencia mecánica al ser corrugadas. Este equipo es adecuado para trabajar con fluidos viscosos y en la industria alimenticia cuando se requiere condiciones sanitarias, su mantenimiento es sencillo, las condiciones de operación se encuentran limitadas por las empaquetaduras así como temperatura y vida útil, operan hasta 3 MPa y 250°C.. 17.

(26) Figura 14 Parte de un intercambiador de placas Fuente: Flowgasket - Empaques ICP 2.4.5 Calculo del Intercambiador de placas Para este cálculo se requieren datos de entrada de los fluidos que circularan por este dispositivo, estos son (las variables Xi fluido caliente y Xo fluido frio): -. Flujo másico, ṁᵢ. kg/s. -. Temperatura de ingreso, Th, ent (T1). °C. -. Temperatura de salida, Th, sal (T2). °C. -. Caída de presión. kPa. -. Temperatura promedio, Tmᵢ. °C. -. Densidad, ρᵢ. kg/m3. -. Calor especifico, cpᵢ. kJ/kg.K. -. Conductividad térmicaᵢ. W/m.K. -. Viscosidad dinámica, μᵢ. mPa.s. a) Calculo de la diferencia media de logarítmica de temperatura (ΔTml,CF) Es la temperatura promedio que se utiliza en el análisis de los I C. (Fig. 15). 18.

(27) (2-6). Figura 15 Intercambiador de calor a contraflujo Fuente: Yunus A. Çengel, Transferencia de calor y masa Diferencia de temperatura en el lado caliente, ΔT1. ΔT1 = Th, ent – Tc, sal. Diferencia de temperatura en el lado frio, ΔT2. ΔT2 = Th, sal – Tc, ent. b) Calculo del área requerida (As) Se asume un coeficiente global de temperatura y utilizamos la ecuación de transferencia de calor. Transferencia de calor, Q = U As ΔTml,CF, entonces: (2-7) c) Selección de la placa del intercambiador de calor Seleccionando una placa con un área Ao, calculamos el número de placas necesarias y recalculamos U: Nro. Placas = As / Ao. (2-8). d) Calculo del coeficiente de transferencia de calor en operación Utilizando la ecuación de transferencia de calor tenemos: (2-9) Dónde: Coeficiente de convección en el lado caliente, hi Coeficiente de convección en el lado frio, ho Resistencia de la pared, Rpared. 19.

(28) La pared del tubo es pequeña y la conductividad térmica del material del mismo es alta, son casi idénticas (Ai ≈ Ao ≈ As), entonces la resistencia térmica de dicho tubo es despreciable (Rpared = 0) y las superficies interior y exterior del mismo, calculamos los coeficientes convectivos mediante el número Nusselt (2-11) y la conductividad térmica (2-10):. ∗. ℎ=. 𝑁𝑢 = 0.14188 * 𝑅𝑒. (2-10). .. ∗ 𝑃𝑟. .. (2-11). e) Aplicación de factores de corrección En el paso anterior se asumió que la viscosidad es constante en el canal de la placa, realmente la temperatura en la placa del lado caliente (2-13) es más baja y debe ser compensada con un factor de corrección (2-12). De acuerdo a la red de resistencias térmicas (2-14) la transferencia de calor se expresa por: 𝑅 = 𝑅 +𝑅 + 𝑅. 𝑄̇ =. =. =. 𝑓=. (. 𝑇 =𝑇. -(. 𝑅 =. . ) .. (2-12) (2-13). )*𝑅 𝑅 =. 𝑅 =. (2-14). 20.

(29) f) Calculo de la caída de presión La caída de presión en el fluido caliente es igual al fluido frio porque ambos tienen el mismo número de canales, y está definida por (2-15):. ∆𝑝=𝑓. ̇₁. (2-15). El factor de fricción (𝑓 ) en un régimen turbulento (2-16), está dado por la siguiente ecuación:. 𝑓 = 0.0892 *10⁶ * 𝑅𝑒. .. (2-16). 2.5 Sistema de bombeo 2.5.1 Bombas de agua Las bombas a ser utilizadas para el abastecimiento de agua en la industria son las centrifugas verticales, horizontales y sumergibles, las cuales se describen a continuación: a) Bombas centrifugas horizontales Este equipo tiene el eje de transmisión dispuesto de forma horizontal, estas máquinas son simples y versátiles con eficiencia aceptable, su mantenimiento es económico y sencillo, son fáciles de instalar, son equipos fáciles de desmontar ya que no tienen la necesidad de desmontar el motor ni las conexiones de aspiración e impulsión. Bajo el aspecto mecánico, en el mercado existen diferentes configuraciones que poseen diversas variantes constructivas, entre las más utilizadas son (Fig. 16): -. Bombas Monobloc, son los equipos más simples y forman un conjunto compacto con su electromotor.. -. Bombas de silla, estas máquinas presentan cuatro componentes, la carcasa, motor eléctrico, base metálica y un acoplamiento bomba-motor.. -. Bombas de caja partida horizontal, son equipos grandes y poseen conexiones embridadas en la succión y descarga.. 21.

(30) 1. Bomba Monoblock. 2. Bomba de silla. 3. Bomba de caja partida. Figura 16 Tipos de Bomba centrifuga horizontal Fuente: 1. BOMINOX-Bombas de acero inoxidable, 2. LICAR-Bomba horizontal, 3. Área mecánica Mantenimiento mecánico en una fábrica de papel – Bomba de cámara partida b) Bombas centrifugas verticales Son equipos que tienen el eje transmisión de la bomba en forma vertical sobre el cual se apoya un determinado número de impulsores que elevan el agua por etapas. Se ubican directamente sobre el punto de captación, por lo cual casi se limita su uso a pozos profundos (Fig. 17). Su ventaja es su versatilidad y amplio rango de velocidades pero son ruidosas y su instalación exige la formación de un pozo. Su instalación es más barata que las horizontales pero su operación y mantenimiento requiere un mayor presupuesto.. 22.

(31) Figura 17 Partes de la bomba centrifuga vertical Fuente: Manual gould pumps c) Bombas sumergibles Estos equipos tienen la bomba y el motor acoplados de manera compacta, funcionan sumergidas en el punto de captación, son empleadas para su uso en pozos profundos, su costo de operación es alto (Fig. 18). Su mantenimiento es una desventaja ya que estas máquinas son de difícil accesibilidad.. Figura 18 Partes de la bomba sumergible Fuente: Bombas Grundfos. 23.

(32) 2.5.2 Transferencia de calor en las tuberías del sistema En las aplicaciones de la transferencia de calor el medio de transporte del fluido a calentar o enfriar son las tuberías, con la ayuda de la bomba logramos forzar la circulación del fluido. Con la determinación de la caída de presión, la razón y el coeficiente de transferencia de calor calculamos la potencia de bombeo y la longitud requerida del tubo. 2.5.3 Tuberías y accesorios Para el cálculo de tuberías según la ANSI se realiza el siguiente procedimiento: -. Caudal del fluido. -. Selección del material. -. Presión nominal del trabajo. -. Diámetro nominal. -. Espesor requerido. -. Selección de tubería normalizada. -. Determinación de la velocidad. 2.6 Sistema de tratamiento de agua 2.6.1 Características de agua de enfriamiento El agua, en su estado básico es originalmente “agua blanda”, luego recorriendo su ciclo hidrológico, pasando por lagos, ríos y corrientes de agua subterránea absorbe minerales que la hacen dura. El agua blanda facilita las labores de limpieza, requiere menos detergentes o jabones y resuelve el problema de las incrustaciones, constituyendo así un ahorro de tiempo y dinero. Por el contrario esta agua es muy corrosiva y no posee los minerales necesarios como, por ejemplo, para el crecimiento de las plantas. El agua fresca es utilizada en la refrigeración de algunos sistemas en los procesos. El agua dura tiene una alta concentración de minerales diluidos como carbonatos de calcio y magnesio, el alto contenido de impurezas es inadecuado o excesivo para poder emplear el agua directamente en un proceso de. 24.

(33) refrigeración cerrado. Según el grado de dureza se clasifican de la siguiente forma (Ver tabla 01): Concentración de mg/L CaCO3. Tipo. 1-60. Agua blanda. 61-120. Agua semi-dura. 121-180. Agua dura. >180. Agua muy dura. Tabla 01 Clasificación de la Dureza por CaCO3 en el Agua Fuente: OMS Cuando el agua se evapora libera dióxido de carbono y deja atrás el carbonato de calcio (cal). Mientras el agua va circulando se van acumulando trazas de calcio y magnesio sobre las superficies, esta forma una capa de depósitos que es perjudicial ya que obstruye las tuberías y no abastece el caudal de agua suficiente, aumentan los costos del mantenimiento, podría producir paradas del sistema, estropear conductos, juntas, rodamientos, etc. (Fig. 19). En el sistema a diseñar el objetivo es recircular es agua de enfriamiento, disminuyendo la frecuencia del mantenimiento por las incrustaciones de minerales y reutilizar el agua en un circuito cerrado, entonces este sistema requiere agua blanda para su operación.. Figura 19 Incrustaciones en tuberías Fuente: IONOZONE-CaCO3 en agua cristalina 25.

(34) 2.6.2 Tratamiento del agua de enfriamiento El tratamiento de agua puede realizarse de distintas formas, dependiendo de la necesidad requerida (Ver Tabla 02):. Proceso. Operación Eliminación magnesio. Precipitación. de. hierro. Separación de sólidos y gases disueltos. y. Coagulación – Floculación Descarbonatación ablandamiento de cal. Separación Sólido- Líquido. Características Oxidación Adición de químicos y. Eliminación de la dureza. Sedimentación. Separación por densidad. Hidrociclones. Cantidad de movimiento. Centrifugas. Fuerza centrifuga. Filtración. Medio filtrante. Ultrafiltración. Membrana y diferencia de presión. Intercambio Iónico. Uso de resina. Desgasificación. Aireación. Osmosis inversa. Membrana osmótica. de. presión. Destilación Diferencia de volatilidades Tabla 02 Procesos para tratar el agua En los circuitos de refrigeración, el agua recircula constantemente a través de equipos como torres de enfriamiento e intercambiadores de calor mediante un sistema de tuberías. En el circuito cerrado, se originan perdidas por arrastre o evaporación y una porción se descarta continuamente como agua de purga (para prevenir la aparición de sales en el agua que provoca problemas de incrustación y corrosión). Por ello esta agua debe ser repuesta de como agua tratada (agua con biocida, biodispersante y anticorrosivo). Debido al permanente contacto del agua de enfriamiento con el medio exterior es inevitable la contaminación por. 26.

(35) bacterias, algas o impurezas. Este tratamiento debería basarse en los siguientes conceptos. a) Tratamiento de agua de reposición El agua de reposición a tratar pasara primeramente por un filtro de protección (mallas), para garantizar su calidad y protección de partículas extrañas. El tratamiento se basara en la descalcificación, dosificación de anti-incrustantes y regulación de PH. Para el tratamiento anti bacterias se basa en la dosificación de biocida. b) Tratamiento del agua de recirculación Este tratamiento tiene como objetivo eliminar las impurezas que ingresan al agua de enfriamiento que está en contacto con el medio ambiente, esto se realiza por medio de un filtro para partículas finas. El régimen de purgas es indispensable para el control de sales en el circuito, debido a las constantes variaciones en estos sistemas es recomendable la instalación de una purga automática por conductividad, que garantiza una concentración salina constante. c) Tratamiento frente bacterias y algas Estos tratamientos se basan en la elevación de temperatura (mínimo 70°C) y desinfección mediante el cloro, presenta inconvenientes ya que el cloro tiene a evaporarse y disminuye su concentración.. Esto se complementa con la. utilización de biodispersantes para eliminar los biofilms existentes, en cuyo interior se reproducen fácilmente las bacterias, además el cloro favorece al proceso de corrosión. Debido a estos inconvenientes, se están utilizando con más frecuencia y mejores resultados desinfectantes alternativos con peróxido de hidrogeno y sales de plata, esta mezcla no produce los inconvenientes de la aplicación del cloro. Las sales de plata actúan como agente antibacteriano y cuando el peróxido entra en contacto con microorganismos se produce el efecto de desinfección. Esta mezcla no produce procesos de corrosión.. 27.

(36) 2.6.3 Componentes del sistema de tratamiento de agua 2.6.3.1 Filtro de mallas La filtración es un proceso en el cual las partículas sólidas y microorganismos que se encuentran en un fluido se separan mediante un medio filtrante, o filtro, que permite el paso del fluido a través de este, sin dejar pasar las partículas sólidas. Los filtros de malla realizan un tamizado superficial del agua, reteniendo aquellas partículas de tamaño superior al de los orificios de malla. Esto hace que su colmatación sea mucho más rápida que la de los filtros de arena. Por esta razón se suelen utilizar con aguas no muy sucias que contengan partículas de tipo inorgánico. Cuando las aguas contienen algas su uso no está indicado, porque se colmatan rápidamente y dejan pasar las impurezas. Existe una clasificación que distingue entre “cartuchos” y filtros de malla propiamente dicho. Están especialmente indicados para la retención de partículas de origen mineral, ya que la materia orgánica con estructura fibrosa, suele colarse con relativa facilidad a través de los orificios de la malla. Estos filtros deben ser capaces de retener partículas cuyo tamaño sea superior a 1/8 del diámetro mínimo de paso del emisor que se piensa instalar. 2.6.3.2 Ablandador de agua Son equipos diseñados para reducir la concentración de carbonatos de calcio y magnesio que provocan la incrustación en tuberías, accesorios, superficies de intercambio de calor entre otros, dichas sales forman una capa dura que es perjudicial para el sistema (Fig. 20). Este tipo de agua se usa en la generación de vapor entre otros. En este proceso se realiza un intercambio iónico sobre la superficie de la resina polimérica entre iones de sodio por iones de calcio y magnesio, cuando esta se satura debe ser regenerada. Los regenerantes pueden ser salmuera, soda caustica, ácido clorhídrico, etc.). 28.

(37) Figura 20 Esquema de tanque ablandador de intercambio ionico AWT Fuente: FILTRANET – Filtros industriales 2.6.3.3 Sistema de dosificación de productos químicos a) Biocidas Son productos químicos que controlan el crecimiento microbiológico de bacterias, algas, etc. Son dosificados para reducir rápidamente la población de microorganismos, se clasifican en oxidantes y no oxidantes: Oxidantes, encontramos al cloro, dióxido de cloro, isocianatos de cloro, hipoclorito y el ozono. No oxidantes, acrolina, aminas, fenoles tratados con cloro, sales de cobre, compuestos órgano-sulfúricos, sales cuaternarias de amonio. b) Biodispersante Los. biodispersantes. son. productos. que. facilitan. la. penetración. y. desprendimiento de las células extracelulares (biofilm) asegurando su mortalidad y remoción. Ellos trabajan. disminuyendo o evitando la formación y adhesión de micro. colonias bacterianas a las superficies. Pueden ser compuestos mono moleculares, polímeros, o formulaciones altamente especializadas que contienen surfactantes, dispersantes orgánicos, penetrantes, quelantes y estabilizadores. Estos productos dispersan los biofilmes, reducen en el uso de biocidas, bio-degradabilidad.. 29.

(38) c) Anti-incrustante El agregado de solución antiincrustante evita la incrustación debida a carbonato cálcico, sulfato cálcico, sulfato bárico, sulfato de estroncio en las membranas o cañerías de los equipos de tratamiento de agua. Los fosfonatos evitan además la incrustación de fluoruro cálcico e inhiben los depósitos de hierro, aluminio y sílice. Su dosificación varía de acuerdo a la dureza del agua a tratar.. 30.

(39) 3. DESCRIPCIÓN DEL OBJETO DE ESTUDIO El diseño se realiza en el área de Concentradora (Área Molienda) cuya la finalidad es la instalación de una planta de enfriamiento de agua que permita tener una buena calidad de agua, la cual contara con equipos de enfriamiento, sistema de propulsión y tratamiento de agua. 3.1 Parámetros de diseño Condiciones ambientales (16°32'17.7"S 71°36'48.4"W) Temperatura mínima promedio de aire. : 5.4 º C. Temperatura máxima promedio de aire. : 24.6 º C. Temperatura promedio de aire. : 14.3 º C. Temperatura de bulbo húmedo máxima. : 16.0 °C. Temperatura de bulbo húmedo mínima. : 8.8 °C. Elevación promedio de la zona. : 2700 m.s.n.m.. Presión atmosférica (2700 msnm). : 73.0 KPa. Humedad Relativa promedio anual. : 47.4 %. 3.2 Sistema de enfriamiento en circuito abierto (actual) El sistema actual de la planta Concentradora fue diseñado para operar con agua fresca y hacerla circular por un intercambiador de calor aceite-agua que reduce la temperatura del aceite a través del calentamiento del agua, el aceite a menor temperatura recircula por los molinos de bolas en un circuito cerrado, refrigerando los componentes requeridos. El agua contiene un alto grado de compuestos orgánicos y minerales que se acumulan en las tuberías, requiriendo así un continuo mantenimiento para prevenir taponamiento, reduciendo la eficiencia del sistema de refrigeración actual que disminuye la vida útil del equipo y sus componentes.. 31.

(40) La mejora de este sistema consiste en diseñar un sistema de enfriamiento en circuito cerrado evitando que el agua circulante tenga contacto con el ambiente con la finalidad de mejorar las condiciones de operación y mantenimiento. El sistema a enfriar está compuesto por los siguientes componentes (Fig. 21, 22 y 23): -. Gearless Drive (Accionamiento). -. Fixed/Floating bearings (Rodamientos). -. Ball mill drive cooling (Unidad de refrigeración). Figura 21 Esquema del sistema de enfriamiento Actual Fuente: Elaboración propia. 32.

(41) 1. Cuerpo del molino 2. Entrada 3. Salida 4. Blindaje del molino 5. Cojinete del molino 6. Accionamiento molino. Figura 22 Partes principales de un molino de bolas Fuente: Manual Fabricante Polysius. 33. del.

(42) Figura 23 Unidad de Refrigeración de molinos Fuente: Manual Fabricante Polysius 3.3 Descripción de alternativas 3.3.1 Alternativa 1 Conformado por los siguientes sistemas: -. Sistema de refrigeración por torre de enfriamiento para el circuito cerrado de refrigeración, 01 torre de enfriamiento convencional en fibra de vidrio más 01 intercambiador de calor de igual capacidad y 01 bomba de recirculación (considerando un 15% adicional como factor de seguridad para las bombas).. -. Sistema de Tratamiento de agua formado por equipos de control, filtración, bombeo y dosificación de aditivos. Sistema de Ablandamiento cuya bomba de agua de reposición deberá alimentar a la torre de enfriamiento.. 3.3.2 Alternativa 2 Conformado por los siguientes sistemas:. 34.

(43) -. Sistema de refrigeración por torre de enfriamiento en circuito cerrado de refrigeración, 01 torre de enfriamiento convencional de madera tratada más 01 intercambiador de calor de igual capacidad y 01 bomba de recirculación (considerando un 15% adicional).. -. Sistema de Tratamiento de agua formado por equipos de control, bombeo y dosificación de aditivos.. 3.3.3 Alternativa 3 Conformado por los siguientes sistemas: -. Sistema de refrigeración por 02 torres de enfriamiento barométricas en circuito cerrado, implementadas cada una con 01 intercambiador de calor de igual capacidad y 02 bombas de recirculación (una en operación y una en stand by, considerando un 15% adicional).. -. Sistema de Tratamiento de agua formado por equipos de control, filtración, bombeo y dosificación de aditivos. Sistema de Ablandamiento cuya bomba de agua de reposición deberá alimentar a la torre de enfriamiento.. 3.3.4 Alternativa 4 Conformado por los siguientes sistemas: -. Sistema. de. refrigeración. módulos. de. aeroenfriadores. secos,. implementadas con 01 bomba de recirculación (considerando un 15% adicional). -. Sistema de Tratamiento de agua formado por equipos de control, filtración, bombeo y dosificación de aditivos. Sistema de Ablandamiento cuya bomba de agua de reposición deberá alimentar a la torre de enfriamiento.. Todas las alternativas presentan un sistema de propulsión conformado por tuberías y accesorios necesarios.. 35.

(44) CUADRO COMPARATIVO DE ALTERNATIVAS POR COSTO DE EQUIPOS Ítem Alternativa 1 Costo ($) 1.1 Torres de enfriamiento (modulares de FRP) 115,000 1.2 Bombas de recirculación 47,500 1.3 Filtro para agua de enfriamiento 30,000 1.4 Intercambiador de calor 45,000 1.5 Equipos de tratamiento químico de agua 30,000 1.6 Bombas para dosificación 65,000 1.7 Ablandador de agua 50,000 Total 382,500 Ítem Alternativa 2 Costo ($) 1.1 Torres de enfriamiento (torre de madera) 135,000 1.2 Bombas de recirculación 47,500 1.3 Filtro para agua de enfriamiento 30,000 1.4 Intercambiador de calor 45,000 1.5 Equipos de tratamiento químico de agua 30,000 1.6 Bombas para dosificación 65,000 1.7 Ablandador de agua 50,000 Total 402,500 Ítem Alternativa 3 Costo ($) 1.1 Torres de enfriamiento (torre barométrica) 625,000 1.2 Filtro para agua de enfriamiento 30,000 1.3 Equipos de tratamiento químico de agua 30,000 1.4 Bombas para dosificación 65,000 1.5 Ablandador de agua 50,000 Total 800,000 Ítem Alternativa 4 Costo ($) 1.1 Aero enfriador 2,400,000 1.2 Equipos de tratamiento químico de agua 30,000 1.3 Ablandador de agua 50,000 Total 2,480,000 Tabla 03 Costo aproximado de equipos Fuente: Elaboración propia 3.4 Evaluación de alternativas 3.4.1 Alternativa 1 Ventajas -. Su construcción modular permite una mejor maniobralidad para el montaje y desmontaje de equipos, ya sea en su instalación o mantenimiento.. 36.

(45) -. El agua de enfriamiento no tiene contacto directo con el agua de proceso evitando la contaminación de la misma. Desventajas. -. Debido a la recirculación de agua, esta lleva material particulado en suspensión, por lo tanto de requiere la instalación de un filtro que retenga este material.. -. Requiere el cambio de relleno aproximadamente, dependiendo de las condiciones de operación.. -. El material del relleno tiene problemas con la presencia de sulfuros y amoniaco así como problemas de abrasión debido al contenido de partículas suspendidas en el ambiente.. -. Para la ubicación y operación de las torres de enfriamiento se requiere la construcción de una piscina de concreto para almacenar temporalmente el agua de enfriamiento.. 3.4.2 Alternativa 2 Ventajas -. Tiene construcción modular, facilidad de montaje y desmontaje.. -. Agua de enfriamiento no tiene contacto con agua de proceso evitando contaminación de la misma.. -. El cambio de placas de relleno se puede efectuar cada 15 a 20 años (referencial).. -. El material de relleno empleado (madera tratada a presión con sustancias preservadoras a base de sales hidrosolubles Cobre-Cromo-Arsénico) es recomendable debido a que es más resistente frente a condiciones de calidad de agua, ambientales y polución comparado con los rellenos laminares (tipo PP y PVC) usados en las alternativas 1 y 3. Desventajas. -. Debido a la recirculación de agua, esta lleva material particulado en suspensión, por lo tanto de requiere la instalación de un filtro que retenga este material.. 37.

(46) -. Para la ubicación y operación de las torres de enfriamiento se requiere la construcción de una piscina de concreto para almacenar temporalmente el agua de enfriamiento.. 3.4.3 Alternativa 3 Ventajas -. Este tipo de torre de enfriamiento tiene el intercambiador de calor incorporado, lo que permite un mejor aprovechamiento de la energía calorífica. Sin embargo, el intercambiador de calor agua-agua no es de naturaleza forzada por lo que se deduce que requiere mayor área para transferir el mismo calor, con lo cual resulta más caro.. -. Agua de enfriamiento no tiene contacto con agua de proceso evitando contaminación de la misma.. -. Sistema de tratamiento de agua incorporado Desventajas. -. Alto costo de inversión por equipo instalado (Torre de enfriamiento, bomba de recirculación, sistema de tratamiento de agua y filtración).. -. Requiere la instalación de un filtro que retenga este material particulado.. -. El hecho de tener tuberías de cobre eleva el costo de la torre de enfriamiento.. -. Maneja flujos de agua menores comparado con las otras alternativas, razón por la cual se requiere más de una celda, lo que se refleja en un mayor costo.. -. El material de relleno o placas laminares (PVC) tiene problemas con la presencia de sulfuros y amoniaco así como problemas de abrasión debido al contenido de partículas suspendidas en el ambiente.. 3.4.4 Alternativa 4 Ventajas -. El agua de enfriamiento no tiene contacto con el ambiente y sólo requiere un circuito de agua.. -. Estructura autoportante.. 38.

(47) Desventajas -. Alto costo de inversión por equipo instalado (Aeroenfriador, sistema de tratamiento de agua).. -. Requiere gran cantidad de unidades aeroenfriadoras porque el coeficiente global de transferencia de calor aire-agua es mucho menor que el coeficiente global de transferencia de calor agua-agua.. Evaluación de los costos de operación y mantenimiento (tabla 04 y 05) seleccionando la primera alternativa (costos referenciales). Descripción. Ratio/año Cantidad. Cambio de IC Tubos coraza Limpieza de intercambiador Consumo de agua Fallas por paradas en el sistema de enfriamiento. Total (US$/año). PU. 0.33 8 und 4.00 8 und 1.00 85,000 m3. 40,000 1,000 0.50. 106,667 32,000 42,500. 3.43. 75,000. 257,143. TOTAL DE GASTOS POR AÑO. 438,310. Cambio de IC Tubos coraza 0.17 8 und 40,000 Limpieza de intercambiador 1.00 8 und 1,000 3 Consumo de agua 1.00 10,000 m 0.50 Mantenimiento al nuevo sistema de 1.00 1 glb 25,000 enfriamiento Fallas por paradas en el sistema de enfriamiento (Se eliminan las fallas por 1.00 1 parada 75,000 temperaturas) TOTAL DE GASTOS POR AÑO (CON NUEVO SISTEMA). 53,333 8,000 5,000. 1 und. 25,000 75,000 166,333. AHORRO POR AÑO Tabla 04 Gasto aproximado por año. 271,976. Fuente: Elaboración propia ITEMS INVERSION AHORRO TOTAL. AÑOS. 0. 1. -1,600,000 -1,600,000. 271,976 271,976. 2 271,976 271,976. 3 271,976 271,976. 4 271,976 271,976. 5 271,976 271,976. 6 271,976 271,976. 7 271,976 271,976. 8. 9. 271,976 271,976. Tabla 05 Flujo de caja Fuente: Elaboración propia. 39. 271,976 271,976. 10 271,976 271,976.

(48) Analizando los beneficios de implementar el proyecto (para un periodo de 10 años) calculamos los siguientes parámetros: COSTO DE OPORTUNIDAD VAN. 10% 71,175.95. TIR PERIODO DE REPAGO. 11% 5.9. 3.5 Conclusiones de las alternativas -. De las cuatro alternativas planteadas y analizadas concluimos que las alternativas 3 y 4 con inviables económicamente, debido al elevado costo de equipamiento instalado. Por ese motivo quedan descartadas.. -. Las alternativas 1 y 2 presentan costos de equipamientos similares, diferenciados básicamente por el material de construcción (FRP y madera), siendo la alternativa 1 la opción más económica.. -. Desarrollaremos la alternativa 1, ya que este material aislante posee ventajas como, alta resistencia a la contaminación microbiológica, buena resistencia a la mayoría de las sustancias químicas y son estructuras más ligeras que la madera a presión.. -. El valor actual neto (VAN) o VPN (Valor presente neto), es positivo, esto determina una ganancia en la inversión, esta proviene del ahorro que generaría el nuevo sistema.. -. El TIR (11%) es mayor al costo de oportunidad (10%) por lo tanto es un proyecto rentable.. -. El tiempo en el que se recuperaría la inversión es en aproximadamente 6 años.. La evaluación fue hecha con costos referenciales y solo representa costo de equipo mas no de instalación.. 40.

(49) 4. CALCULOS 4.1 Diseño del Sistema de enfriamiento para molinos de bolas 4.1.1 Cargas térmicas La carga térmica que se requiere enfriar proviene del equipo de molinos, datos obtenidos del manual del equipo que lleva un monitoreo de dichas cargas según su capacidad (Ver tabla 06), si se tiene un total de 4 molinos, cada uno de ellos dispone de distintos componentes que determinan su carga térmica:. Item. Equipos del molino. Cantidad. Capacidad Nominal (kW) Und. Capacidad Nominal (kW) Total. 1. Accionamiento. 8. 438.4. 3507.2. 2. Rodamientos. 8. 174.1. 1392.8. 3. Unidad de refrigeración. 4. 274.0. 1096.0. Total. 5996.0. Tabla 06 Capacidad térmica disipada por los componentes Fuente: Manual de operación 4.1.2 Condiciones de operación Requerimiento de flujo y temperaturas máximas del agua de enfriamiento para los componentes del molino de bolas (Ver tabla 07). Consideramos para el caudal del diseño una condición permanente de régimen laminar, por lo tanto para un diseño conservador usaremos un factor de seguridad de 1.2. Caudal (m3/h) Item. Equipos del Molino. Cant. Und. Total. Diseño. Temperatura (°C) Tmáx. Tmáx. ingreso. salida. T. 1. Accionamiento. 8. 55. 440. 528.0. 24. 28.8. 4.8. 2. Rodamientos. 8. 31. 248. 297.6. 24. 28. 4. 3. Unidad de refrigeración. 4. 23.5. 94. 112.8. 24. 34.3. 10.3. 782. 938.4. Total. Tabla 07 Caudal y temperatura requerida Fuente: Manual de operación. 41.

(50) 4.2 Selección del Sistema de enfriamiento El sistema de enfriamiento será seleccionado teniendo en cuenta los siguientes parámetros y criterios: -. Cargas térmicas de los elementos a refrigerar. -. Condiciones de operación del sistema de refrigeración, flujos y temperaturas del agua refrigeración de circulación y reposición al ingreso y salida del sistema.. -. La temperatura máxima de ingreso a los elementos del molino de bolas a refrigerar es de 24°C (en la condición más elevada de temperatura del año).. -. Se considera que el calor que el molino requiere evacuar sea igual al calor disipado por la torre de enfriamiento.. 4.3 Calculo y selección del tipo de torre de enfriamiento Para el cálculo de la torre de enfriamiento, requerimos la potencia a disipar, el salto térmico, la aproximación al bulbo húmedo y el caudal de diseño, de acuerdo al siguiente esquema (Fig. 24);. Figura 24 Esquema del sistema de enfriamiento para molinos de bolas Fuente: Elaboración propia a) Potencia a disipar En el punto 4.2.1, cálculo de cargas térmicas se determinó la potencia a disipar de acuerdo a las condiciones de operación de los molinos de bolas y sus componentes (datos proporcionados por el fabricante del equipo). 𝑄̇. = 5996 𝑘𝑤 42.

(51) b) Salto térmico y Aproximación al bulbo húmedo Este parámetro lo hallaremos en dos escenarios, considerando la temperatura máxima (Febrero, tabla 08) y la mínima (Junio, tabla 09) de acuerdo a los siguientes datos obtenidos de monitoreo meteorológicos: Temperaturas máximas Mes ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV. Temp.. t1 (K) t2 (K) T1 (K) T2 (K). 292 300 303 296. 293 301 304 297. 292 291 289 288 287 287 288 300 299 297 296 295 295 296 302 302 300 298 298 297 298 296 295 293 292 291 291 292 Tabla 08 Temperatura máxima mensual. 288 296 299 292. 289 297 300 293. DIC 290 298 300 294. Fuente: Senahmi Condiciones del sistema de enfriamiento a la máxima temperatura (Febrero): Temperatura de bulbo húmedo. : TBH. =. 289 K. Calor específico promedio del agua. :. Cp. =. 4.186 kJ/kg K. Temperatura de ingreso a circuito de planta. :. T2. =. 297 K. Temperatura de retorno de circuito de planta. :. T1. =. 304 K. Temperatura de agua a la salida de la torre. :. t1. =. 293 K. Temperatura de agua al ingreso de la torre. :. t2. =. 301 K. Rango de refrigeración. :. =. 8 K (t2 – t1). Aproximación. :. =. 4 K (t1 – TBH). Temperatura mínima Mes ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV. DIC. Temp.. t1 (K) t2 (K) T1 K) T2 (K). 290 298 301 294. 291 299 302 295. 290 289 286 286 286 286 286 298 297 294 294 294 294 294 301 300 297 296 296 297 297 294 293 290 290 290 290 290 Tabla 09 Temperatura mínima mensual. 287 295 296 291. 288 296 298 292. 289 297 299 293. Fuente: Senahmi. 43.

(52) Condiciones del sistema de enfriamiento a la mínima temperatura (Junio y Julio): Temperatura de bulbo húmedo. :. TBH. =. 282 K. Calor específico promedio del agua. :. Cp. =. 4.186 kJ/kg K. Temperatura de ingreso de circuito de planta. :. T2. =. 290 K. Temperatura de retorno de circuito de planta. :. T1. =. 296 K. Temperatura de agua a la salida de la torre. :. t1. =. 286 K. Temperatura de agua al ingreso de la torre. :. t2. =. 301 K. Rango de refrigeración. :. =. 15 K (t2 – t1). Aproximación. :. =. 4 K (t1 – TBH). Concluimos que el salto termico minimo a la temperatura maxima es de 8 K. 𝒕𝟐 − 𝒕𝟏 = 𝟖 𝐊 c) Caudal de diseño Para el cálculo del caudal a traves de la torre de enfriamiento debemos considerar que el calor disipado por el intercambiador de calor es igual al calor que gana el agua de las torres de enfriamiento. Entonces, 𝑄̇ 𝑄̇. = 𝑄̇. = 𝑚̇. 𝑐 (𝑡 − 𝑡 ). 𝑚̇ (4.186 𝑘𝐽⁄𝑘𝑔 °𝐶 )(28°𝐶 − 20°𝐶 ) = 5996 𝑘𝑤 𝑚̇. = 179.05 𝑘𝑔⁄𝑠. 𝑄. = 644.58 𝑚 ⁄ℎ. Es necesario determinar también el agua de reposición y de purga para evitar el asentamiento de solidos al interior del equipo, la temperatura máxima de ingreso a los equipos de la planta es 24°C, estos valores han sido seteados en pruebas a esa temperatura al ingreso del flujo a los componentes del molino. La diferencia de temperaturas del agua a enfriar en la torre de enfriamiento se llama Rango de refrigeración, tiene gran importancia en el diseño ya que determina el tamaño y costo de la torre, adicionalmente proporciona un porcentaje promedio del agua de purga que mantiene la concentración de sólidos. 44.