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Diseño de un sistema de recuperación de agua evaporada procedente de un atomizador

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Academic year: 2022

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UNIVERSITAT JAUME I

ESCUELA SUPERIOR DE TECNOLOGÍA Y CIENCIAS EXPERIMENTALES

Grado en Ingeniería Química

‘Diseño de un sistema de

recuperación de agua evaporada procedente de un atomizador’

Autora:

Georgiana Paula Horhoi Horhoi Tutor:

Arnaldo Vicente Moreno Berto

Castellón, octubre de 2022

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AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, me gustaría agradecer a mis padres y a mi hermana por el gran apoyo y motivación que han sido siempre, por la paciencia, consejos, abrazos cuando más lo necesitaba y cuidados que tienen conmigo, les agradezco todo eso y mucho más.

Durante mi estancia en la universidad, me gustaría agradecer a todos los profesores por enseñarme a adquirir los conocimientos que he aprendido, sobretodo a mi tutor Arnaldo Vicente Moreno por darme la oportunidad de poder llevar a cabo este proyecto con él, por su tiempo, su paciencia y por la ayuda brindada durante mi año del programa Erasmus.

También agradecer enormemente a María José Orts por su gran ayuda recibida durante la realización del presente proyecto.

Por último, me gustaría expresar mi más sincero agradecimiento, tanto a la empresa

“Grespania S.A.” como a la Fundació Universitat Jaume I-Empresa de la Comunitat Valenciana M.P (FUE-UJI) por la oportunidad que me han brindado al realizar prácticas, cuyo desarrollo ha sido altamente satisfactorio.

También me gustaría agradecer a mi tutor en la empresa, Lázaro Vicente Bermúdez, por su colaboración, así como por su tiempo dedicado durante mi estancia en la empresa en explicarme todas y cada una de las actividades y brindarme la oportunidad de desarrollar mi trabajo final de grado con la ayuda de sus instalaciones.

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0. RESUMEN

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Resumen 1 En el presente proyecto se lleva a cabo el diseño un sistema de recuperación del agua evaporada procedente de un atomizador.

El procedimiento para llevar a cabo este diseño consta de lo siguiente: dotar al atomizador de un sistema de recuperación del agua evaporada instalando un condensador, condensar una parte del vapor que sale del atomizador y posteriormente instalar un recuperador para disminuir la temperatura del líquido condensado.

La recuperación del agua evaporada se complementa con su reutilización y aprovechamiento en el proceso productivo de baldosas cerámicas, así como en labores de limpieza, agua sanitaria, etc. El condensador y el recuperador utilizan agua de red como fluido refrigerante.

El agua de refrigeración procedente tanto del condensador como del recuperador, así como el líquido condensado, se almacenarán en un depósito para su posterior aprovechamiento.

En primero lugar se estudió la posibilidad de condensar todo el vapor que sale del atomizador. Sin embargo, se obtenían tamaños muy grandes de intercambiadores y se utilizaban unas cantidades de agua de refrigeración muy elevadas que excedían las cantidades necesarias para su posterior aprovechamiento. Por ello, surgió la idea de optimizar el sistema condensando la cantidad necesaria, es decir, un tercio del vapor que sale del atomizador. De esta forma, se reducen los tamaños de los intercambiadores y, por lo tanto, son más económicos.

Para finalizar, se han realizado los estudios necesarios para determinar la viabilidad económica del proyecto. Actualmente, este sistema no se aplica en la industria cerámica. Por ello, Grespania S.A. dirige todos los esfuerzos posibles para desarrollar el sistema más eficaz y así conseguir ser pioneros en aplicarlo en su propia producción.

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1. ÍNDICE GENERAL

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Índice general 1 Documentos básicos del proyecto:

0. Resumen 1. Índice general 2. Memoria 3. Anexos 4. Planos

5. Pliego de condiciones 6. Estado de mediciones 7. Presupuesto

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2. MEMORIA

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Memoria 1 ÍNDICE

1. OBJETO ... 4

2. JUSTIFICACIÓN ... 5

3. ALCANCE ... 6

4. ANTECEDENTES ... 7

4.1 GRESPANIA, S.A. ... 7

4.2 SITUACIÓN ECONÓMICA ACTUAL EN EL MERCADO ESPAÑOL DEL SECTOR CERÁMICO ... 8

4.3 ECONOMÍA CIRCULAR EN EL SECTOR CERÁMICO ... 9

4.4 PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL POLVO ATOMIZADO ... 11

4.4.1 ALIMENTACIÓN DE LAS ARCILLAS ... 12

4.4.2 TRITURACIÓN ... 12

4.4.3 ALMACENAMIENTO EN LOS GRANEROS ... 12

4.4.4 ALMACENAMIENTO EN TOLVAS ... 13

4.4.5 DOSIFICACIÓN POR PESADA ... 13

4.4.6 MOLIENDA VÍA HÚMEDA ... 13

4.4.7 TAMIZADO Y BALSAS ... 14

4.4.8 SECADO POR ATOMIZACIÓN ... 14

4.4.9 ENSILADO Y REPOSO ... 15

4.5 MECANSIMOS DE TRANSFERNECIA DE CALOR ... 15

4.5.1 MARCO TEÓRICO ... 15

4.5.2 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN ... 17

4.5.3 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN ... 18

4.5.4 TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN ... 21

4.6 EQUIPOS DE INTERCAMBIO DE CALOR ... 22

4.7 CONDENSADORES ... 23

4.7.1 CONDENSADORES DE CONTACTO DIRECTO ... 24

4.7.2 CONDENSADORES DE SUPERFICIE ... 25

4.8 RECUPERADORES ... 26

4.9 RECUPERADOR DE CALOR DE CORAZA Y HAZ DE TUBOS ... 28

4.9.1 PARTES DE UN RECUPERADOR DE CORAZA Y HAZ DE TUBOS ... 29

(17)

Memoria 2

4.9.2 TIPO DE RECUPERADORES DE CORAZA Y HAZ DE TUBOS ... 32

5. NORMAS Y REFERENCIAS ... 35

5.1 DISPOSICIONES LEGALES Y NORMAS APLICADAS ... 35

5.2 PROGRAMAS INFORMÁTICOS ... 36

5.3 BIBLIOGRAFÍA ... 36

6. DEFINICIONES Y ABREVIATURAS ... 39

7. REQUISITOS DE DISEÑO ... 42

7.1 VARIABLES DE DISEÑO ... 42

7.2 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL ATOMIZADOR ... 44

7.3 ESPECIFICACIONES DE LAS CORRIENTES DEL CONDENSADOR ... 44

7.4 ESPECIFICACIONESE DE LAS CORRIENTES DEL RECUPERADOR ... 46

8. ANÁLISIS DE SOLUCIONES ... 47

8.1 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL ATOMIZADOR ... 47

8.2 CONDENSACIÓN DEL VAPOR ... 48

8.3 CONDENSADOR ... 49

8.3.1 DISPOSICIÓN DE LOS TUBOS ... 50

8.3.2 ASIGNACIÓN DE LOS FLUIDOS ... 50

8.4 RECUPERADOR ... 51

8.4.1 TIPO DE RECUPERADORES ... 52

8.4.2 ASIGNACIÓN DE LOS FLUIDOS ... 52

9. RESULTADOS FINALES ... 53

9.1 ATOMIZADOR ... 53

9.2 CONDENSACIÓN DEL VAPOR ... 54

9.3 DISEÑO DEL CONDENSADOR ... 54

9.4 DISEÑO DEL RECUPERADOR ... 56

10. PLANIFICACIÓN ... 58

10.1 DIAGRAMA DE GANT ... 58

10.2 ORGANIGRAMA ... 60

11. ORDEN DE PRIORIDAD DE LOS DOCUMENTOS BÁSICOS ... 62

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Memoria 3

12. ESTUDIO DE VIABILIDAD ECONÓMICA ... 63

12.1 RESUMEN DEL PRESUPUESTO ... 63

12.2 PRESUPUESTO DE EXPLOTACIÓN ... 65

12.2.1 GASTOS DIRECTOS ... 65

12.2.2 GASTOS INDIRECTOS ... 66

12.2.3 GASTOS TOTALES ... 67

12.2.4 AMORTIZACIÓN ... 67

12.2.5 INGRESOS ... 68

12.3 BENEFICIO ... 68

12.2.4 BENEFICIO BURTO ... 69

12.2.5 BENEFICIO NETO ... 69

12.3 FLUJO DE CAJA ... 69

12.4 VALOR ACTUAL NETO ... 70

12.5 TASA INTERNA DE RENTABILIDAD ... 70

12.6 PERIODO DE RETORNO ... 71

12.7 RESUMEN ... 72

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Memoria 4 1. OBJETO

El objeto del proyecto es diseñar un sistema de recuperación del agua evaporada procedente de un atomizador, que se encarga de la fabricación de polvo cerámico atomizado de alta calidad, para el posterior aprovechamiento del agua para el desarrollo de otras actividades.

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Memoria 5 2. JUSTIFICACIÓN

El presente trabajo se enfocará en el estudio del diseño de un sistema de recuperación del agua evaporada de una planta de producción de baldosas cerámicas. Esta idea se generó durante las prácticas realizadas con el fin de evaluar la asignatura EQ1044 (Trabajo de Final de Grado) de carácter profesional.

El proyecto se lleva a cabo en la empresa Grespania,S.A. ubicada en el término municipal de Nules (Castellón). La población de Nules está situada en la Península Ibérica, en la comarca de la Plana Baja a escasos 30 km de la capital y de las zonas de gran afluencia turística del Mediterráneo, tanto de Castellón como del área metropolitana de Valencia, de la que dista tan solo de 65 kilómetros.

En la provincia de Castellón está situada una de las industrias ceramistas más importantes de España. En esta población se fabrican azulejos y pavimentos exportados a todo el mundo, siendo este el motor de su economía.

Por último, en cuanto a la elección de la ubicación de Grespania,S.A. en el municipio de Nules se debe por una parte a la proximidad de las empresas clientes ya que en esta zona se encuentran la mayoría de empresas ceramistas. Junto a la fabrica de Grespania,S.A en Nules, se sitúa una planta de producción de baldosas cerámicas tipo Coverlam.

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Memoria 6 3. ALCANCE

Con el objetivo de diseñar un sistema de recuperación del agua evaporada procedente de un atomizador, mediante la instalación de un condensador y un recuperador, se va a condensar un tercio del vapor que sale del atomizador para así optimizar el sistema. A continuación, el agua de refrigeración procedente del condensador y el recuperador, así como el vapor de agua condensado, se almacena en un depósito.

Para llevar a cabo el diseño, ha sido necesario seleccionar previamente las variables de operación apropiadas, tales como:

- El atomizador produce 445.748 toneladas anuales de polvo atomizado.

- De la cámara de secado salen 5,927 kg/s de vapor de agua.

- De esta cantidad se condensa 1,976 kg/s del vapor que sale del atomizador.

Además, será necesario:

- Describir los tipos básicos de intercambiadores de calor.

- Exponer el método de cálculo de un intercambiador de calor, identificando la superficie de intercambio, dimensiones y configuraciones de tubos y carcasas, y pérdidas de carga.

- Análisis de la viabilidad económica de la instalación y su funcionamiento.

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Memoria 7 4. ANTECEDENTES

4.1 GRESPANIA, S.A.

En la Figura M.4.1. se muestra una imagen de la fábrica de Grespania, S.A., la cual produce y comercializa con productos cerámicos innovadores, tanto en las propiedades como en el diseño de los mismos.

Grespania, S.A nace en 1976 fundada por Luis Hernández Sanchis, con su sede en Alcora (Castellón) compuesta por un total de 432 empleados en la plantilla, con más de 70% de sus ventas generadas en mercados de exportación.

El objetivo principal de Grespania es ofrecer a sus clientes productos de la mejor calidad a nivel mundial, basando su desarrollo en los principios de calidad, diseño y productividad para convertirse en una de las empresas líderes en este campo. Con el fin de lograr este objetivo, la empresa realiza estrictos controles de calidad en las distintas etapas del proceso.

Cabe destacar el Plan de Gestión de Medio Ambiente implantado por ellos con el fin de proponer las soluciones adecuadas para la gestión de los residuos generados en la planta.

Asimismo, la empresa pone gran énfasis en la mejora de su programa para garantizar la responsabilidad social corporativa tanto con sus empleados como con el medio ambiente.

Para ello la directiva de la empresa se compromete a formar a sus empleados en materia de

Figura M.4.1. Fotografía exterior factoría Grespania, S.A. (Nules) Fuente: Web Grespania

(23)

Memoria 8 seguridad e higiene, con el fin de reducir al máximo los a accidentes y enfermedades laborales, así como mejorar sus condiciones de trabajo.

Por todo ello, en Grespania se dirigen los esfuerzos en conseguir la plena satisfacción de sus clientes, así como lograr un buen ambiente de trabajo entre los empleados. [21]

4.2 SITUACIÓN ECONÓMICA ACTUAL EN EL MERCADO ESPAÑOL DEL SECTOR CERÁMICO

A pesar de las situaciones actuales (principalmente la crisis sanitaria COVID-19 y la guerra de Ucrania) la fabricación de productos cerámicos en España se caracteriza por tener una sólida base y un gran futuro debido a ser uno de los grandes líderes internacionales en términos de desarrollo tecnológico y diseño y calidad de materiales provocando así un gran aumento del consumo mundial de cerámica, llevando así a España a ser el primero productor europeo y el segundo exportador mundial en volumen, después de Italia.

A continuación, a partir de la siguiente Tabla M.4.1. se puede corroborar este crecimiento que esta teniendo este sector dedicado a las ventas dedicadas a las exportaciones y a las ventas nacionales en el sector cerámico desde el 2017 al 2021.[16]

Tabla M.4.1. Evolución de la producción y ventas del sector

Las ventas están en millones de euros y producción en millones de metros cuadrados.

Fuente: Web ASCER

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Memoria 9 La industria de fabricación de azulejos y pavimentos cerámicos es claramente un sector de exportación de productos de alto valor añadido. En concreto, la industria exportó productos cerámicos por valor de 3.665 millones de euros en 2021.

Tal como se puede observar, en 2021 hubo un gran crecimiento significativo en la producción y ventas del sector hasta alcanzar 4.855 millones de euros en ventas totales. En cuanto al mercado nacional, el crecimiento es elevado situándose sobre los 1.198 millones de euros. [16]

En la siguiente Figura M.4.2. se observa claramente un gran incremento durante el último año situándose de nuevo a las exportaciones en máximos históricos.

Figura M.4.2. Representación gráfica de la evolución del mercado español

4.3 ECONOMÍA CIRCULAR EN EL SECTOR CERÁMICO

La economía circular es un modelo productivo que promueve la reutilización, renovación y reciclaje de materiales. El agua, como recurso escaso y fuente de vida, debe ser parte de esta ecuación. El tratamiento y reutilización de aguas regeneradas implica eliminar los riesgos para la salud humana y el medio ambiente que su uso pueda suponer. Gracias al I+D+i al desarrollo de nuevas tecnologías, este objetivo está más cerca.

Actualmente, la Comisión Europea está impulsando un plan de acción con objetivos vinculantes y una serie de medidas para acelerar la transición hacia una economía más

2017 2018 2019 2020 2021

Ventas mercado nacional 824 870 939 901 1198

Exportación 2686 2727 2818 2941 3665

Ventas totales 3510 3597 3757 3842 4855

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Millones de euros

Fuente: Fuente propia

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Memoria 10 sostenible y ecológica con el objeto de transmitir, sobretodo, al sector cerámico la gran magnitud de esta transición y descubrir la riqueza de oportunidades que tiene.

A continuación, se muestran las ideas basadas en la economía circular.

- Reducir las cantidades de recursos naturales necesarios, en especial el agua y la energía.

- Seleccionar de forma eficiente las materias primas, priorizando siempre el empleo de materiales reciclados.

- Recircular recursos en el sistema económico, manteniéndolos el mayor tiempo posible, reduciendo la generación de residuos.

- Minimizar el impacto ambiental.

Otro aspecto importante a tener en cuenta es la capacidad del sector de reutilizar agua empleada en procesos como la molienda de materias primas, el esmaltado de piezas o las diferentes tecnologías de acabado. La recirculación de aguas residuales supone un gran ahorro en el consumo de agua y un menor volumen de vertidos a eliminar, así como unos costes de tratamiento también menores y costes de consumo menores.

Comparando la economía lineal y la economía circular, tal y como se observa en la Figura M.4.3. la economía lineal se basa en comprar, usar y desechar. Este sistema es especialmente perjudicial para el planeta, pues estos contaminantes desechos se acumulan hasta alcanzar unas dimensiones muy grandes.

Sin embargo, economía circular ofrece una gran solución a la dependencia que existe actualmente de los recursos primarios y, en consecuencia, a los precios de los mismos. La Unión Europea calcula que el ahorro podría llegar a representar seis cientos mil millones de euros. La economía circular, además de aumentar la eficiencia de todas las etapas y departamentos que actúan en la producción, también reduce tiempos, economiza procesos y, consecuentemente, aumenta la productividad y los ingresos.

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Memoria 11

Figura M.4.3. Representación gráfica de la economía lineal y circular

En definitiva, economía circular se basa en mejorar la eficiencia de la producción. Es así como surgen nuevas soluciones creativas y sostenibles que impulsan la innovación. A toda esto se le añade la creación de valor ante la ejecución de nuevas tecnologías y la adopción de nuevos modelos de negocio. [28]

4.4 PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL POLVO ATOMIZADO

El proceso de producción del polvo atomizado consta de las siguientes fases:

- Alimentación de las arcillas.

- Trituración.

- Almacenamiento en los graneros.

- Dosificación por pesada.

- Molienda vía húmeda.

- Tamizado y balsas.

- Secado por atomización.

- Ensilado y reposo.

A continuación, se explicará con mayor profundidad cada fase del proceso. [4]

Fuente: The power business school

(27)

Memoria 12 4.4.1 ALIMENTACIÓN DE LAS ARCILLAS

En la fase de alimentación de las arcillas, se descarga el camión de las arcillas en una zona techada o al aire libre, en la caja de alimentación para las arcillas.

4.4.2 TRITURACIÓN

De la caja de alimentación la arcilla, las materias primas pasan al desmenuzador para reducir el tamaño de las partículas de las arcillas, sobre todo aquellas de gran tamaño. Seguidamente, un sistema de cintas se encarga de alimentar la arcilla a un tamiz vibratorio (o criba), con el objeto de separar aquellas materias primas que presentan después del desmenuzador un tamaño adecuado de partícula para ser procesadas. El resto de arcilla, con tamaño de partícula mayor, se introduce en un molino de martillos que consigue reducir el tamaño de partícula de las materias primas más duras.

4.4.3 ALMACENAMIENTO EN LOS GRANEROS

Las materias primas necesarias que se almacenan en los graneros para el proceso de fabricación proceden de las canteras de varios proveedores.

El sistema de almacenamiento implica un estricto control de las características de las arcillas en la mina. Este tipo de almacenamiento en los graneros asegura una constancia en las características de las diferentes materias primas, la cantidad necesaria para un periodo de tiempo previsto y también una cierta calidad, así como la reducción de las emisiones a la atmósfera.

Sin embargo, el almacenamiento durante un largo periodo de tiempo de las arcillas puede provocar alteraciones en sus propiedades, como puede ser la oxidación debida a la presencia de materia orgánica y humedad. Dicha oxidación puede alterar a la plasticidad de la arcilla.

El sistema de homogenización que se utiliza es el denominado apilamiento transversal, mediante el método de Chevron. Este método, sin duda, es simple de aplicar y consiste en la descarga continua de una cinta que desplaza por capas las arcillas a lo largo de los boxes, formando un almacenamiento por ‘’cabrios’’ de volumen constante y de espesor variable.

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Memoria 13 La descarga de los boxes se lleva a cabo mediante un mecanismo extractor lateral, con lo que se conseguirá una mayor homogenización de las arcillas.

Grespania posee varios graneros situados tanto al aire libre, como bajo techo, repartidos en función del consumo de cada tipo de arcilla.

4.4.4 ALMACENAMIENTO EN TOLVAS

En esta fase, cada tipo de arcilla del almacenamiento en graneros es descargada mediante la utilización de una draga a cintas transportadoras y llevada a las tolvas. Cada tolva dispone de una reserva de arcilla seca, de forma que se utilizarían varias tolvas repartidas en función del consumo de cada tipo de arcilla.

4.4.5 DOSIFICACIÓN POR PESADA

En este punto, se realiza un proceso de dosificación y pesaje controlado que asegure la continuidad de sus características. Las arcillas almacenadas, se dosifican de acuerdo con la fórmula de carga de los molinos de forma automática por medio de un sistema de cintas pesadoras que comunican con una cinta colectora común.

4.4.6 MOLIENDA VÍA HÚMEDA

El proceso de molienda vía húmeda en continuo comprende las siguientes fases:

1) Alimentación de los cuerpos molederos al molino.

2) Alimentación de la arcilla, el agua y el defloculante.

3) Proceso de molturación.

4) Descarga de la barbotina.

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Memoria 14 4.4.7 TAMIZADO Y BALSAS

Tras cada molienda, y una vez descargado el molino, la barbotina pasa a través de un vibrotamiz donde se produce el primer tamizado de la barbotina. En este primer tamizado, se elimina el tamaño más grueso de partículas que se encuentran en la suspensión, debido al desgaste del material molturante y del material de alta dureza que es difícil de molturar.

Por tanto, el objetivo de este primer tamizado es realizar una limpieza de la barbotina.

Una vez sometida la barbotina al primer tamizado se realiza un segundo tamizado. En este segundo tamizado el objetivo es conseguir un refinado separando las partículas mas gruesas que, por su tamaño y gran número, pueden obturar las boquillas del atomizador y asimismo originar gránulos de textura no deseable.

Posteriormente, la barbotina se almacena en balsas nodrizas con sistema de agitación, donde permanece en espera de ser alimentada en los atomizadores. Estas balsas tienen como objeto garantizar la homogeneidad y cantidad necesaria de barbotina para asegurar un flujo constante a los atomizadores.

4.4.8 SECADO POR ATOMIZACIÓN

El secado por atomización es un ciclo abierto y continuo que comienza con la aspiración de la barbotina que se encuentra almacenada y adecuadamente agitada en las correspondientes baldas nodrizas. Mediante un conjunto de bombas se aspira e impulsa la barbotina con presión constante a través de los filtros con el fin de separar alguna impureza eventual, para allí, ser conducida hacia la cámara de secado donde se produce su pulverización.

El producto atomizado se precipita al fondo de la torre de secado donde es recogido y llevado hacia la válvula de descarga del polvo sobre una cinta transportadora.

El aire que se extrae de la cámara de secado se encuentra saturado en humedad y viene impulsado hacia los filtros de mangas que efectúa la descarga de gran parte de los finos en suspensión.

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Memoria 15 4.4.9 ENSILADO Y REPOSO

El sólido atomizado que se obtiene como producto de la etapa de atomización se recoge mediante una cinta transportadora. La temperatura de salida del polvo atomizado de la cámara de secado es de entre 30-50ºC y el contenido en humedad del 6% en peso.

A ambos lados de la cinta transportadora, se enganchan cadenas de eslabones metálicos para enfriar el atomizado, ya que, si no se enfría, al llegar el atomizado a los silos podrían producirse condensaciones locales de vapor de agua. Esto provocaría la aparición de aglomeraciones de gránulos de material, heterogeneidad del polvo almacenado en cuanto a granulometría y en cuanto a humedad. Además, también se instalan unas rejillas metálicas imantadas para eliminar impurezas metálicas que pudieran formar parte del atomizado, bien porque estuvieran inicialmente presentes en las arcillas o bien porque hayan sido añadidas al producto como consecuencia del desgaste por abrasión a que se ve sometida la cámara de secado. [1]

4.5 MECANSIMOS DE TRANSFERNECIA DE CALOR

4.5.1 MARCO TEÓRICO

Actualmente, las nuevas tecnologías nos han llevado a una dependencia del sector energético. Una de las mejores opciones para hacer frente a estas demandas son los llamados ciclos combinados mediante la utilización de equipos de transferencia de calor.

La evolución ingenieril de la transferencia de calor esta directamente relacionado con la razón de intercambio de calor entre cuerpos fríos y calientes.

Existen tres mecanismos de transferencia de calor: convención, radiación y conducción. Para estos métodos existen equipos como intercambiadores de calor, calderas, condensadores, calentadores, refrigeradores, recuperadores, entre otros.

Normalmente, el flujo de calor se produce cuando dos objetos, que se encuentran a diferentes temperaturas, se ponen en contacto. El calor fluye desde aquel que se encuentra a mayor temperatura a aquel que se encuentra a menor temperatura. Por lo tanto, la transferencia de calor es la transmisión de energía de una región del espacio a otra debido a una diferencia

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Memoria 16 de temperatura entre ellas. Entre todos los mecanismos de transferencia de calor, la convección con cambio de fase, en especial la condensación, es muy habitual en la industria química.

La energía total de un sistema termodinámico se define como la suma de todos los tipos de energías que actúan en el sistema entre las cuales: la energía interna (la suma de la energía térmica, energía química y energía nuclear), y la energía térmica (la suma de la energía necesaria para variar la temperatura y la energía para cambiar de fase, es decir, el calor latente).[2]

Por lo que, la energía total del sistema se puede definir a partir de la siguiente ecuación M.4.1.

𝐸 = 𝐸!+ 𝐸"+ $%𝑚 × 𝐶!+ ∆𝑇 + 𝑚 × 𝐿, + 𝐸#$+ 𝐸%-

donde:

E: Energía total 𝐸!: Energía potencial 𝐸": Energía cinética 𝐸#$: Energía química 𝐸%: Energía nuclear

𝑚 : masa del sistema (kg/s) 𝐶! : Calor especifico ."'×)& /

∆𝑇: Diferencia de temperatura (K) L: Calor latente (J/kg)

La transferencia de calor se produce cuando la energía se transfiere en forma de calor, es decir, cuando dos sistemas que inicialmente están a distinta temperatura se ponen en contacto y se produce un flujo de energía térmica desde aquel que se encuentra a una mayor temperatura a aquel que se encuentra a menor temperatura. Llegará un momento en el que las temperaturas se igualen y se llegue a un equilibrio térmico.

(M.4.1)

(32)

Memoria 17 4.5.2 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN

La transmisión de calor por conducción ocurre a través de un contacto directo entre dos cuerpos y sin intercambio de materia, donde el calor fluye desde el cuerpo que esta a una mayor temperatura a un cuerpo que esta a menor temperatura

Este fenómeno de conducción se determina por la ley de Fourier. Esta ley fija la relación entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura, es decir, el calor que se transfiere por unidad de área es proporcional al gradiente de temperatura siendo la conductividad térmica, la constante de proporcionalidad. La ley de Fourier es una expresión que define la conductividad térmica, como se muestra en la ecuación M.4.2.

𝑞

𝐴 = −𝑘 ×𝑑𝑇 𝑑𝑥

donde:

*

+ ∶ densidad de flujo de calor (W/m2) 𝑘 : conductividad térmica .-×), /

./

.0 : gradiente de temperatura, gradiente en dirección ‘’x’’

El signo de la conductividad térmica es negativo ya que el calor se transfiere en la dirección del descenso de la temperatura.

En la figura M.4.4 se representa la transferencia de calor por conducción a través de un material con una conductividad contante. [2]

(M.4.2)

(33)

Memoria 18

Figura M.4.4. Transferencia de calor por conducción

4.5.3 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN

La transferencia de calor por convección es un mecanismo de transferencia de calor mediante el movimiento de un fluido. Puede existir cambio de fase, por ejemplo, si se trata de un vapor simple como fluido y este entra en contacto con una superficie de temperatura inferior al punto de saturación, se condensa pasando a fase líquida.

A menudo se discute como un método distinto de transferencia de calor ya que también interviene la transferencia de materia, es decir, la transferencia de calor depende del transporte de materia, pero como en la convección también interviene la transmisión de energía desde las regiones de mayor temperatura a las de menos temperatura, se considera un mecanismo de transmisión de calor.

Se pueden distinguir dos tipos de convección:

- Convección natural: en este caso el movimiento del fluido se debe a la diferencia de densidades.

Tal y como se observa en la Figura M.4.5. la convección natural tiene lugar debido a distintas densidades del aire caliente y frío. El aire frío, que es más denso, desplaza al aire caliente cuando éste último está en las capas más bajas.

(34)

Memoria 19

Figura M.4.5. Transferencia de calor por convección natural

- Convección forzada: en este caso el movimiento del fluido es por las fuerzas externas (bombas, ventilador o vientos atmosféricos). Normalmente se utiliza para incrementar la tasa de intercambio de calor.

El fenómeno de convección se determina por la ley de enfriamiento de Newton como se muestra en la ecuación M.4.3 en el que el flujo de calor se determina por varios factores:

- Producto del coeficiente individual de transmisión de calor por convección.

- Área de intercambio.

- Diferencia de temperatura entre el foco caliente y el fluido libre.

𝑞 = ℎ × 𝐴 × (𝑇1− 𝑇2) = ℎ × 𝐴 × ∆𝑇 ≈ ℎ × 𝐴 × (𝑇1 − 𝑇3)

donde:

𝑞 : flujo de calor (W). Su valor es un número adimensional ℎ : coeficiente individual de transmisión de calor . ,

-!×)/ 𝐴 : área de intercambio (m2)

∆𝑇: diferencia de temperatura (K) 𝑇1: temperatura del foco caliente (K) 𝑇2: temperatura del fluido libre (K)

𝑇3: temperatura del fluido en un punto alejado del foco caliente (K)

(M.4.3)

(35)

Memoria 20 Según la ley de Newton, la tasa de pérdida de calor de un objeto es proporcional a la diferencia de temperaturas entre el medio y el cuerpo. La constante de proporcionalidad es el coeficiente de transferencia de calor. La ley de Newton se lleva a cabo cuando el coeficiente de transferencia de calor es independiente de la diferencia de temperatura entre el sólido y el entorno. [2]

Hay que tener en cuenta las características del fluido para calcular el valor del coeficiente individual de transmisión de calor que se obtienen a través variables: (1) número de Nusselt, (2) número de Prandtl y (3) número de Reynolds, detalladas a continuación.

(1) Número de Nusselt (Nu): mide el aumento de la transmisión de calor desde la superficie por la que el fluido fluye comparada con la transmisión de calor que se tendría en el caso de que se transmitiera el calor por conducción. Se calcula a partir de la ecuación M.4.4.

𝑁𝑢 =ℎ × 𝐿4 𝑘

donde:

𝑁𝑢 : número de Nusselt. Su valor es adimensional.

ℎ : coeficiente individual de transmisión de calor .-!,×)/ 𝐿4 : longitud característica (m)

𝑘 : conductividad térmica .-×), /

(2) Número de Prandtl (Pr): es la relación que hay entre la viscosidad cinemática y la difusividad térmica. Se calcula a partir de la ecuación M.4.5.

𝑃𝑟 = 𝜈 𝛼=

𝜈𝜌

𝜌 ∙ 𝐶𝑘 ! =𝐶!× 𝜇 𝑘

(M.4.4)

(M.4.5)

(36)

Memoria 21 donde:

𝑃𝑟 : número de Prandt

𝜈 : viscosidad cinemática (m2/s) 𝛼 : difusividad térmica (m2/s) 𝜌 : densidad del fluido (kg/m3)

𝐶! : calor especifico del fluido ."'×)& / 𝜇 : viscosidad dinámica del fluido (Pa × s) 𝑘 : conductividad térmica del fluido .-×), /

(3) Número de Reynolds (Re): Permite caracterizar el movimiento del fluido, es decir, identificar el tipo de circulación del fluido cuando hay convección forzada. Se calcula a partir de la ecuación M.4.6.

Re =ρ × ν × D

µ = 4 × m

π × µ × D

donde:

Re : número de Reynolds. Su valor es un número adimensional 𝜌 : densidad del fluido (kg/m3)

𝜈 : velocidad de circulación (m/s) D : diámetro equivalente (m)

𝜇 : viscosidad dinámica del fluido (Pa × s) m : caudal másico (kg/s)

4.5.4 TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN

La radiación térmica, también llamada radiación calorífica, es la radiación emitida por un sólido debido a su temperatura. Además, no requiere la intervención de un medio y el calor puede ser transmitido por radiación a través del vacío absoluto. [2]

(M.4.6)

(37)

Memoria 22 4.6 EQUIPOS DE INTERCAMBIO DE CALOR

Existen dos tipos de intercambio de calor:

- Intercambiador de calor sin cambio de fase. En este caso el material entra y sale del equipo sin cambio de fase, es decir, sale en la misma fase en la que ha entrado al equipo.

- Intercambio de calor con cambio de fase. En este caso el material entra y sale del equipo con cambio de fase, es decir, alguno de los fluidos experimenta cambio de fase. [2]

En la Tabla M.4.2. se muestra la clasificación de los dos tipos de intercambio de calor.

Tabla M.4.2. Clasificación de los equipos de intercambio de calor

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Intercambio de calor sin cambio de fase

Recuperadores

Doble tubo flujo paralelo o en contracorriente Tubular flujo cruzado Coraza y haz de tubos

De contacto directo

Gas-sólido Fluidos inmiscibles

Fluidos miscibles

Regeneradores Discontinuos

Continuos

Hornos -

Intercambio de calor con cambio de fase

Evaporadores -

Condensadores De contacto directo De superficie Vaporadores-recalentadores

(Reboilers)

Termosifón Convección forzada

Caldera

(38)

Memoria 23 Se estudiará con profundidad los recuperadores de coraza y haz de tubos, y los condensadores de superficie, ya que el proyecto se basa en el diseño de estos tipos intercambiadores de calor.

4.7 CONDENSADORES

El condensador es un equipo de transferencia de calor en el que el vapor en fase gaseosa se convierte total o parcialmente en un líquido.

Un condensador, recibe el vapor que es generado de la turbina y este es condensado extrayendo el calor latente siendo así reutilizado. El vapor entra en contacto con un material frío y se produce la condensación de dicho gas por la transmisión de calor del material frío al vapor que provoca que cambie de fase. El condensador transforma el vapor usado, en agua para reutilizarla como agua de alimentación. [2]

Los condensadores se pueden configurar de cuatro formas como se detalla en la Tabla M.4.3.

Tabla M.4.3. Configuraciones de distribuciones de los tubos de los condensadores

DISTRIBUCIÓN DE

LOS TUBOS CONDENSACIÓN FLUIDO QUE SE CALIENTA

Horizontal Coraza Tubos

Horizontal Tubos Coraza

Vertical Coraza Tubos

Vertical Tubos Coraza

Los más habituales son los condensadores de distribución horizontal con condensación en la coraza y los condensadores verticales con condensación en los tubos.

Dependiendo del tipo de contacto que haya entre los fluidos, se distinguen dos tipos de condensadores: condensadores de contacto directo y condensadores de superficie.

(39)

Memoria 24 4.7.1 CONDENSADORES DE CONTACTO DIRECTO

En los condensadores de contacto directo el vapor se pone en contacto con el fluido frío para producirse la condensación del vapor. Para que esto sea posible, es necesario que se puedan mezclar los fluidos que intervienen en el proceso. Los condensadores de este tipo se construyen para tamaños capaces de condensar entre 5.153,0 a 11.350,0 kg de vapor por hora. La desventaja que supone utilizar este tipo de condensador recae principalmente en la falta de conocimiento y la insuficiente inversión para su investigación y desarrollo. Este es el motivo por el que hoy en día su uso en la industria es escaso. [23]

En la Figura M.4.6. se muestra une esquema de un condensador de contacto directo.

Figura M.4.6. Condensador de contacto directo

(40)

Memoria 25 4.7.2 CONDENSADORES DE SUPERFICIE

En los condensadores de superficie, también llamado condensador de tipo no mezclador, no hay contacto directo entre el vapor y el agua de refrigeración, es decir, en este tipo de condensadores, los fluidos ni se mezclan ni se ponen en contacto directo. Estos se encuentran separados por una pared. En este caso, cuando el vapor a elevadas temperaturas se pone en contacto con el material frío (superficie fría de los tubos), el vapor cede calor y cambia de fase produciéndose la condensación. [24]

Los tubos normalmente están hechos de acero inoxidable, aleaciones de cobre o titanio según varios criterios de selección como la conductividad térmica o resistencia a la corrosión. La mejor opción son los tubos de titanio, aunque es un material muy costoso, por lo que se suele usar acero inoxidable.

En la Figura M.4.7. se muestra un esquema de un condensador de superficie.

Figura M.4.7. Condensador de superficie

En comparación con los condensadores de contacto directo, en los condensadores de superficie su eficiencia térmica es mayor.

(41)

Memoria 26 4.8 RECUPERADORES

Los recuperadores son equipos de intercambio de calor que tiene una gran importancia por su uso industrialmente. Su función es calentar y enfriar fluidos que circulan en su interior.

En este caso, los fluidos que se encuentran en su interior no se mezclan, se encuentran separados por una pared. Este tipo de equipo, suponen un gran ahorro económico y su coste es bajo pudiendo así acelerar su amortización. [2]

En función del contacto entre fluidos y la dirección del flujo pueden clasificarse en:

- Recuperador de flujo paralelo y en contracorriente.

- Recuperador de flujo cruzado.

- Recuperador de flujo mixto.

A continuación, se van a explicar brevemente cada uno de ellos.

Recuperador de flujo paralelo y en contracorriente

En caso del flujo paralelo, los dos fluidos entran por el mismo extremo del intercambiador y circulan en la misma dirección y sentido intercambiando calor.

En la Figura M.4.8. se muestra la configuración de un recuperador de flujo paralelo.[7]

Figura M.4.8. Recuperador de flujo paralelo

(42)

Memoria 27 En caso del flujo en contracorriente los dos fluidos, entran por extremos opuestos del intercambiador y circulan en sentido contrario intercambiando calor.

En la Figura M.4.9. se muestra la configuración de un recuperador de flujo en contracorriente.

Figura M.4.9. Recuperador de flujo en contracorriente

Recuperador de flujo cruzado

Uno de los fluidos fluye perpendicularmente al otro fluido. Uno de los fluidos pasa a través de los tubos y el otro pasa alrededor de dichos tubos perpendicularmente.

En la Figura M.4.10. se muestra la configuración de un recuperador de flujo cruzado.[7]

Figura M.4.10. Recuperador de flujo cruzado

(43)

Memoria 28 Recuperador de flujo mixto

El recuperador de flujo mixto mas común es el de coraza y haz de tubos. Este tipo de recuperador es el más eficaz debido a su gran superficie de intercambio de calor. [7]

4.9 RECUPERADOR DE CALOR DE CORAZA Y HAZ DE TUBOS

Actualmente, el intercambiador más común utilizado en industria es el de coraza y haz de tubos. Estos son utilizados en procesos que se requiera un enfriamiento, calentamiento o cambio de estado entre líquidos y gases, estando estos equipos preparados, para condiciones exigentes de trabajo y operación. En este tipo de intercambiador ocurre transferencia de calor entre dos corrientes que no se mezclan, es decir, no tienen contacto directo entre si. Las corrientes de los fluidos están separadas entre si por una pared de tubo o por otra superficie.

La intención de dicho recuperador es enfriar el fluido usando agua de red como fluido refrigerante.

El recuperador de coraza y haz de tubos tiene las siguientes ventajas [2]:

- Proporciona una elevada área de intercambio de calor en un volumen pequeño.

- Presenta una geometría adecuada que permite operar a altas presiones.

- Diseño muy bien definido.

- Técnicas de fabricación bien establecidas.

- Fácil limpieza y reparación.

- Se pueden emplear una gran variedad de materiales para su construcción.

En sistemas donde los fluidos tienen diferencias de presiones muy grandes, el fluido de mayor presión circula a través de los tubos y el de menor presión por el exterior, es decir por la carcasa. Esto se debe por los costes de materiales, los tubos pueden fabricarse para soportar mayores presiones que la carcasa ya que si fuese a la inversa, el costo sería mucho mayor.

(44)

Memoria 29 Este tipo de recuperador se muestra en la figura M.4.11.

Figura M.4.11. Recuperador de coraza y haz de tubos

4.9.1 PARTES DE UN RECUPERADOR DE CORAZA Y HAZ DE TUBOS

El intercambiador de calor de coraza y haz de tubos esta formado por un haz de tubos que se encuentra cubierto en un recipiente en forma de cilindro llamado coraza donde se instalan los deflectores separados a una distancia. La trasferencia de calor se da cuando uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, y el otro por fuera de los tubos pasando por la coraza.

A continuación, se muestra las partes de un recuperador de coraza y haz de tubos en la Figura M.4.12. [12]

Figura M.4.12. Partes de un recuperador de coraza y haz de tubos

(45)

Memoria 30 A continuación, se van a explicar las partes del recuperador de coraza y haz de tubos:

Þ Haz de tubos

El haz de tubos esta formado por una serie de tubos unidos a dos placas perpendiculares a ellos situado en el interior de la carcasa. Esta parte normalmente es la más costosa ya que es la más importante y la que más fácilmente se corroe.

Los diseños estándares tienen uno, dos o cuatro pasos por tubos. Generalmente, el número de tubos depende de la caída de presión disponible. A mayor velocidad, aumentan los coeficientes de transferencia de calor, por lo que, si la perdida de presión es aceptable, se recomienda usar menos tubos, pero una mayor longitud en un área reducida.

En cuanto al material, los tubos pueden fabricarse de materiales como: cobre, acero, cobre- níquel, latón, aluminio, acero inoxidable, entre otros.

Los diámetros tienen que estar dentro de las toleraciones dimensionales que existen comercialmente debido a que tienen espesores de pared ya predeterminados por la industria.

En relación con el espaciado de los tubos, los tubos no pueden situarse muy cerca entre si ya que podría debilitar la estructura de la coraza de tubos.

Þ Coraza

La coraza es la parte que contiene el haz de tubos. Es de sección circular y esta formada por una placa de acero conformado de forma cilíndrica y soldado longitudinalmente. El diámetro interno tiene que seleccionarse de tal manera que se ajuste al diámetro de haz de tubos lo máximo posible. Suelen ser de acero con un espesor normalizado comercialmente determinado según el diámetro de la coraza y la presión de trabajo. Tiene un espesor normalizado comercialmente según la presión de trabajo. Desde el punto de vista estructural, es uno de los elementos más importantes del intercambiador.

(46)

Memoria 31 Las normas TEMA (Tubular Exchange Manufacturers Association) establece unas consideraciones para el diseño y la fabricación del intercambiador, así como tolerancias de mecanizado y montaje.

A continuación, se muestra la clasificación de los intercambiadores carcasa y tubo según TEMA en la Figura M.4.13.

Figura M.4.13. Clasificación de los intercambiadores carcasa y tubo según TEMA.

La coraza tipo E es el más utilizado y representa una coraza de un paso. Las toberas de entrada y salida del fluido que circula por la coraza pueden estar colocados en el mismo extremo o en extremos opuestos dependiendo del número de deflectores. Es el más económico y el más eficiente térmicamente.

(47)

Memoria 32 Þ Deflectores

Los deflectores se utilizan para dirigir el fluido perpendicularmente a los tubos. Para ello se instalan en el interior de la coraza para aumentar la velocidad del flujo y mejorar la velocidad de transmisión de calor. Normalmente se emplean deflectores para obtener turbulencias fuera del espacio de los tubos. Cuando el fluido se encuentra en estado de turbulencia se logran coeficientes de transmisión de calor más elevados.

Þ Placas de tubos

La placa de tubos sirve de soporte a los tubos. Es la barrera física que separa el fluido que circula por los tubos y el fluido que circula por la coraza. Normalmente esta placa esta sometida a dos presiones durante el funcionamiento del intercambiador, la del fluido de los tubos y la del fluido de la coraza.

4.9.2 TIPO DE RECUPERADORES DE CORAZA Y HAZ DE TUBOS

Existen varias configuraciones de intercambiadores de coraza y haz de tubos que se van a describir a continuación:

- Intercambiador de calor tipo placas tubulares fijas

El intercambiador de calor tipo placas tubulares fijas es el más sencillo y económico. Se caracteriza principalmente por tener dos placas tubulares fijas en los extremos del haz tubular. En cada extremo se encuentran las dos placas de tubos que están fijas y unidas a la coraza, como se muestra en la Figura M.4.14. [2]

Figura M.4.14. Intercambiador de calor tipo placas tubulares fijas

(48)

Memoria 33 Este tipo de intercambiador presenta varias desventajas: la carcasa y el exterior de los tubos del haz, no pueden limpiarse ni ser inspeccionados, presenta problemas estructurales por la expansión diferencial entre la carcasa y el haz de tubos para considerables gradientes de temperatura.

- Intercambiador de calor de tubos en ‘’U ‘’

El intercambiador de calor de tubos en ‘’U ‘’ solo necesita una placa de tubos con forma en

‘’U‘’, por la cual retorna el fluido al cabezal de distribución. Normalmente es más caro que el intercambiador de calor tipo placas tubulares fijas, aunque su coste no es muy elevado. Se suele emplear cuando se usan fluidos limpios ya que resulta complicado limpiarlo.

Presenta varias ventajas: se pueden utilizar fluidos de alta presión y temperatura en el lado tubos. Además, absorbe las expansiones térmicas libremente.

También presenta varios inconvenientes: resulta complicado limpiar el intercambiador en el interior de los tubos y tiene limitación en el número de pasos en el lado tubos.

En la Figura M.4.15 se muestra un intercambiador de calor de tubos en ‘’U’’. [2]

Figura M.4.15. Intercambiador de calor de tubos en ‘’U’’

- Intercambiador con cabezal flotante interno

El intercambiador con cabezal flotante interno es el modelo más común y utilizado en industria. Está formado por un cabezal flotante en el cual retorna el fluido al cabezal de distribución. Se utilizan cuando la diferencia de temperatura entre los fluidos es muy alta.

(49)

Memoria 34 Una de las ventajas que tiene este intercambiador es la facilidad que presenta ante cualquier inspección debido a su configuración, así como para su limpieza, por lo que se puede utilizar con fluidos que ensucian.

En la Figura M.4.16 se muestra un intercambiador con cabezal flotante interno. [2]

Figura M.4.16. Intercambiador con cabezal flotante interno

Existen dos tipos de diseño de intercambiadores de cabezal flotante interno:

- Recuperador con cabezal flotante interno sin dispositivo para encajar el cabezal. No se aconseja este tipo de recuperador ya que el espacio existente entre los tubos más externos del haz de tubos y la superficie interna de la coraza es más grande que el recuperador de tubos en ‘’U’’. Esto provoca que en el fluido de la coraza se forme una corriente paralela a los tubos que escape del recorrido de la corriente principal.

- Recuperador con cabezal flotante interno con dispositivo para encajar el cabezal. Es el más recomendado ya que permite disminuir el espacio que hay entre los tubos más extremos del haz de tubos y la superficie interior de la coraza.

(50)

Memoria 35 5. NORMAS Y REFERENCIAS

5.1 DISPOSICIONES LEGALES Y NORMAS APLICADAS

Para seleccionar un tipo determinado de intercambiador, es necesario conocer claramente los requerimientos que se necesitan para afrontar el diseño. El diseño de intercambiadores esta muy bien estipulada de acuerdo con procedimientos y recomendaciones estándares de instituciones especializadas.

Para llevar a cabo este proyecto se han tenido presente las siguientes normas estipuladas:

-Real Decreto 1627/1997, de 14 de abril, por lo que se establecen las disposiciones mínimas de seguridad y salud laboral en los lugares de trabajo.

-Real Decreto 1627/1997, de 24 de octubre, por el que se establecen disposiciones mínimas de seguridad e higiene laboral en los lugares de trabajo.

-Real Decreto 1627/1997, de 24 de octubre, por el que se establecen disposiciones mínimas de seguridad y de salud en las obras de construcción.

-Real Decreto 1644/2008, de 10 de octubre, por el que se establecen las normas para la comercialización y puesta en servicio de las máquinas.

-Ley 31/1995, de 8 de noviembre de Prevención de Riesgos Laborales.

-UNE-EN ISO 5455- Dibujos técnicos. Escalas. (ISO 5455:979).

-UNE 157001-2014- “Criterios generales para la elaboración de los documentos que constituyen un proyecto técnico”.

-UNE 1032:1982, Dibujos técnicos. Principios generales de representación.

-UNE-EN ISO 9000:2000. Sistemas de gestión de la calidad. Fundamentos y vocabulario.

(51)

Memoria 36 -UNE-EN ISO 9001:2015. Requisito del sistema de gestión de calidad para el instrumento de medida de la temperatura ambiente y humedad.

-Normas TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association), para el diseño de intercambiadores de calor.

-Normas Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) para el diseño mecánico.

5.2 PROGRAMAS INFORMÁTICOS

Durante la realización del proyecto se han empleado los siguientes programas informáticos:

- Microsoft Excel (Versión 16.54).

- Microsoft Word document para Mac.

- Keynote (versión. 11.2).

- SOLIDWORKS 2020.

- Canva design.

5.3 BIBLIOGRAFÍA

Durante la realización del presente proyecto se han consultado las siguientes fuentes bibliográficas:

[1] K Masters (1972). Spray Drying. Leonard-Hill Publishing Co.

[2] Barba Juan, A. (2003). Operaciones básicas de transmisión de calor. Publicaciones de la UJI. Castellón de la Plana.

[3] Holman, J. P. (1995). Transferencia de Calor, México, Editorial Continental.

[4] Feliu, C. (2020). Materias primas para la fabricación de soportes de baldosas cerámicas. 2ª edición/ - Instituto de Tecnología Cerámica, Castellón de la Plana.

(52)

Memoria 37 [5] Johansen Crosby, E. (1989). Spray Drying Handbook, England.

[6] SACMI; Asociación Española de Técnicos Cerámicos, (2006). Tecnología cerámica aplicada. Castellón de la Plana.

[7] Kuppan, T. (2006). Heat exchanger design handbook. Taylor and Francis Group.

(England)

[8] INE,www.epdata.es (2002). Evolución del índice de precios al consumo (IPC).

[9] Romero Mendez, R. (2001) Estudio de los parámetros que afectan la transferencia de calor conjugada en intercambiador de calor de tubos y placas-aleta, Caracas.

[10] Yunus, A. (2004). Transferencia de calor, segunda edición, México.

[11] Donald Q, Kern. (995). Procesos de Transferencia de Calor, Vigésima séptima reimpresión, México.

[12] Cuadrado, K. (2019). Diseño, construcción y pruebas de un Intercambiador de calor de carcasa y tubos para laboratorio de térmicas de la facultad de mecánica. Escuela superior politécnica de Chimborazo, Ecuador.

[13] Cengel, Y y Ghajar, A. (2011). Transferencia de Calor y Masa. Cuarta Edición. México.

[14] Pettigrew, M. J. (1991). Fluidelastic instability of heat exchanger tube bundles: review and design recommendations, Ontario, Canada.

[15] ASME (American Society of Mechanical Engineers) (1998): Test Uncertainty 19.1, Global Engineering documents, U.S.A

[16] ASME (American Society of Mechanical Engineers) (1998): Performance test code on steam surface condensers, Global Engineering documents, U.S.A.

(53)

Memoria 38 [17] Heat Exchange Institute (2007). Standards for steam surface condensers. 10th ed. HEI, Cleveland.

[18] Richard, C. (1999). Standards of the tubular exchanger manufacturers association New York.

[19] Palomino Masco, J. (2010). Modelamiento experimental del intercambiador de calor de Tubos y Carcasa de Längerer, Tesis, Pontificia Universidad Católica del Perú, Facultad de Ciencias e Ingeniería, Lima.

[20] Romero Mendez, R. (2001). Estudio de los parámetros que afectan la transferencia de calor conjugada en intercambiador de calor de tubos y placas-aleta, en SCielo, Interciencia.

Caracas.

[21] Grespania, S.A. (1976). Historia de la empresa de Grespania. Castellón de la Plana.

[22] Asociación Española de Fabricantes de Azulejos y Pavimentos Cerámicos, (1997). Un sector competitivo. Castellón de la Plana.

[23] Equirepsa, S. A. (2009). Condensadores de mezcla. Madrid.

[24] Towler,G. (2022). Chemical Engineering Design. United Kindom.

[25] Carbone Stainless Steel (2022). Ficha Técnica del Acero Inoxidable - Empresas Carbone. https://www.empresascarbone.com/pdf/ficha-tecnica-del-acero-inoxidable.pdf.

[26] Generador de precios (2022). CYPE Ingenieros.

[27] Carlos J Renedo (Sin fecha). Propiedades del agua saturada (líquido-vapor).

[28] Claudia Roca (2022). Economía circular para empresas: cómo aplicarla con éxito a tu negocio. España.

(54)

Memoria 39 6. DEFINICIONES Y ABREVIATURAS

Con el propósito de ayudar la lectura del presento proyecto, se procede a detallar las abreviaturas y unidades en cada magnitud que se han utilizado en la Tabla M.6.1.

Tabla. M.6.1. Simbología

ABREVIATURA DEFINICIÓN UNIDADES

m Caudal másico kg/h

ma Caudal másico de agua kg agua/h

ms Caudal másico seco Kg sólido seco/h

mh Caudal másico húmedo (kg sólido seco + kg agua)/h

Qv Caudal volumétrico m3/h

t Tiempo horas

t/tn Toneladas -

V Volumen m3

Cs Contenido en sólidos %

X Humedad %

P Potencia W

D Diámetro m

A Área m2

Lt Longitud de los tubos m

Lv Calor latente de vaporización J/kg

k Conductividad térmica W/(m·K)

P Precio euros

q Flujo de calor W

T Temperatura K

TIR Tasa Interna de Rentabilidad %

𝛒 Densidad kg/ m3

𝛍 Viscosidad dinámica Pa·s

X Parámetro adimensional para calcular Y

-

Z Parámetro adimensional para calcular Y

-

(55)

Memoria 40

Tabla. M.6.1. Simbología (continuación 1)

ABREVIATURA DEFINICIÓN UNIDADES

h Altura m

Y Factor de corrección -

VAN Valor actual neto euros

v Velocidad m/s

PR Periodo de Retorno años

U Coeficiente global de

transmisión de calor

W/(m2·K)

P Presión Pa

p Distancia entre los centros de los tubos adyacentes

m

Nt Numero de tubos Tubos

Nu Número de Nusselt -

Ir Interés real %

In Interés nominal %

I Ingresos euros

g Constante de gravedad m/s2

G Gastos euros

FC Flujo de caja euros/año

A Amortización euros/año

B Beneficio euros/año

e Espesor m

Deq Diámetro equivalente m

Di Diámetro interno m

Do Diámetro externo m

h Coeficiente individual de transmisión de calor

W/(m2·K)

Cp Calor específico J/(kg·K)

f Factor de fricción -

Pr Número de Prandtl -

ReD Número de Reynolds -

(56)

Memoria 41

Tabla. M.6.1. Simbología (continuación 2)

ABREVIATURA DEFINICIÓN UNIDADES

ASME Amercian Socierty of

Mechanical Engineers

-

TEMA Tubular Exchanger

Manufacturers Association

-

(57)

Memoria 42 7. REQUISITOS DE DISEÑO

Para llevar a cabo el siguiente proyecto, se precisa conocer ciertas características previas.

La producción de polvo atomizado es de 445.748 toneladas anuales con un caudal de vapor de agua de 5,927 kg/s.

A continuación, se describirá el suministro requerido en la planta.

7.1 VARIABLES DE DISEÑO

Existen diferentes normas que indican como se debe diseñar los intercambiadores siendo las de uso más universal las llamadas normas TEMA elaboradas por la Tubular Exchanger Manufacturesrs Assciation. [5]

Para poder llevar a cabo el siguiente proyecto, es necesario saber las características de todas las corrientes de los equipos de intercambio de calor que se van a diseñar.

Para el diseño del condensador e intercambiador de calor, hay que tener en cuenta el diseño térmico. Va a ser necesario conocer las temperaturas de entrada y de salida, el flujo másico de los fluidos para poder determinar el área de transferencia de calor y luego proseguir a determinar el coeficiente global de transferencia de calor.

Para el correcto funcionamiento del equipo, estos deben de estar dentro de los rangos permisibles. Además, para cada componente (coraza, placas, tubos…) hay que analizarse por separado.

En la siguiente Figura M.7.1. se detalla el diagrama de flujo del sistema seleccionado, con la implantación de ambos intercambiadores de calor que se van a diseñar: recuperador y condensador. Asimismo, en la Tabla M.7.1 se detallan los equipos del sistema.

(58)

Memoria 43

Figura M.7.1. Diagrama de flujo del sistema

Tabla M.7. 1. Equipos del sistema

NÚMERO SIGNIFICADO

1 Cámara de secado

2 Válvula de control

3 Condensador

4 Recuperador

5 Depósito de agua

6 Válvula de control

7 Molino

8 Bomba de impulsión

9 Cinta transportadora

Agua sanitaria Agua de emergencia Limpieza

Producción Otra planta

(59)

Memoria 44 7.2 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL ATOMIZADOR

La diferencia existente entre la temperatura de entrada y la temperatura de salida es uno de los aspectos más importantes a tener en cuenta en el secado por atomización, así como la cantidad de agua evaporada para proseguir con el diseño del condensador.

El atomizador cumple con las siguientes características para su correcto funcionamiento:

-Sistema de regulación de temperatura de entrada y salida y caudal de aire para mantener constante la humedad y granulometría del producto.

-Lanzas independientes de rociadura que posibilitan el mantenimiento de cada una de las boquillas sin necesidad de detener el atomizador.

-Sacudida automática de las lanzas para evitar depósitos de polvo.

-Posibilidad de arranque automático con inicio de atomización del producto a partir de bajas temperaturas y con introducción gradual de barbotina por las lanzas de rociadura en función de la temperatura del aire.

-Regulación de inclinación independiente de las boquillas para evitar aprovechar al máximo todo el volumen del atomizador.

7.3 ESPECIFICACIONES DE LAS CORRIENTES DEL CONDENSADOR

El vapor de agua abandona la cámara se atomización en fase vapor a una temperatura aproximadamente de 115ºC y con un caudal de 5,927 kg/s. El vapor de agua se quiere condensar utilizando agua de red como fluido refrigerante.

A continuación, en la Tabla M.7.2. se muestran los datos de las especificaciones y características de la corriente del condensador.

(60)

Memoria 45

Tabla M.7.2. Especificaciones de la corriente del condensador

CARACTERÍSTICAS FASE LÍQUIDA FASE VAPOR Caudal másico de vapor del atomizador (kg/s) 5,972

Temperatura de entrada (ºC) 115

Temperatura de salida (ºC) 100

Densidad (kg/m3) 958,4 0,598

Viscosidad dinámica (Pa× 𝒔) 2,818x10-4 1,2784x10-5

Calor específico (J/ (kg× 𝐾) 4.216,0 2.080,0

Calor latente de vaporización (J/kg) 2.256.400,0

Conductividad térmica (W/ (m× 𝐾)) 0,679 0,0251

La corriente de agua de refrigeración entra al condensador a temperatura ambiente de 25 ºC y abandona el condensador a 45ºC.

A continuación, en la Tabla M.7.3. se muestran los datos de las especificaciones y características del agua de refrigeración. [27]

Tabla M.7.3. Especificaciones de la corriente de agua de refrigeración

CARACTERÍSTICAS FASE LÍQUIDA Temperatura a la entrada (ºC) 25

Temperatura de salida (ºC) 45

Densidad(kg/m3) 997,1

Viscosidad dinámica (Pa× 𝑠) 8,86 x10-4 Calor específico (J/ (kg× 𝐾) 4.180,8 Calor latente de vaporización (J/kg) 2.260.000,0 Conductividad térmica (W/ (m× 𝐾)) 0,608

1

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