Aplicaciones

APLICACION # 1: ENFRIAMIENTO DE ACEITE PRENSA CERAMICA

El sistema de aceite de una prensa de cerámica requiere enfriar aproximadamente 2201 /h de aceite desde 55°C (131°F) a 35°C (95°F).  Se desea dimensionar el intercambiador y determinar especificaciones para el agua de enfriamiento.

Será conveniente hacer algunos cambios de unidades de manera de facilitar la estimación del calor a disipar, a saber:

caudal de aceite = 2201 l/h = 2.201 m3/h = 2.215 * 35.3145 cu.ft./h =  77.728 cu.ft./h

Si las densidades respectivas del aceite a 55°C (131°F) y 35°C (95°F) son 57.277 lb/cu.ft y 57.997, tomando un valor de densidad media de 57.637 lb/cu.ft. podemos estimar la masa de aceite a enfriar será:

masa de aceite a enfriar = 77.728 * 57.637 = 4480 lb/hr

Al igual que la densidad, el calor específico variará con la temperatura.  Si los calores específicos del aceite a 55°C (131°F) y 35°C (95°F) son respectivamente 0.4577 btu/lb°F y 0.4370 btu/lb°F, tomando un valor medio de calor específico de 0.4474 btu/lb°F podemos estimar el calor a disipar como sigue:

Q = calor a disipar = 4480 lb/h * 0.4474 * (131-95°F) = 72156 btu/h = 18184 kcal/h

Sin que necesariamente configure una única alternativa se indica que se dispone de agua de enfriamento a 28°C y se admite, también si se quiere en cierta manera arbitrario, un salto de temperatura de 5°C a través del intercambiador.  Podemos entonces inmediatamente despejar el caudal de agua necesario para el enfriamiento.  Volviendo a las unidades inglesas, el agua de enfriamiento ingresará a 28°C (82.4°F) y saldrá a 33°C (91.4°F), luego

caudal de agua = Q / salto térmico = 72156 btu/hr / ( 500 * (91.4-82.4)°F) = 16 US GPM = 3641 l/h

El área/superficie de intercambio requerida A (sq.ft.) sale directamente de la ecuación de Netwon:

Q (btu/h) = A (sq.ft.) * U (btu / hr * sq.ft. * °F) * LMTD 

A (sq.ft.) = Q (btu/h) / ( U (btu / hr * sq.ft. * °F) * LMTD )

En nuestro caso la temperatura media logarítmica es 23.6°F = LMTD (131,95,91.4,82.4).  Seleccionando un valor conservador para el U, eg. 37-40 btu/ hr * sq.ft. * °F, la superficie de intercambio requerida resulta:

superficie de intercambio requerida A = 72156 btu/h / ( 37 * 23.6) = ca 83 sq.ft. = 7.7 m2

APLICACION # 2: INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL - ENFRIAMIENTO AGUA-AGUA

Una industria de celulosa y papel requiere enfriar 300 m3/h (1322 US GPM) desde 71°C (159.8°F) hasta 65°C (149°F)  mediante un circuito de enfriamiento cerrado.  Se desea dimensionar el intercambiador agua-agua a partir de la disponibilidad de agua de enfriamiento a 36.2°C (97.2°F).

Al igual que en el caso anterior habrá variaciones de densidad y calor específico con la temperatura.  De todas maneras podemos estimar rápidamente el calor a disipar Q

Q = 1322 USGPM * 500 * (159.8°F - 149°F) = 7138800 btu/h = 1799093 kcal/h

o sea 1800000 kcal/h = 300 m3/h * 10^3 * (71°C - 65°C)

Suponiendo un salto térmico de 46.4°F ( 25.78°C)  a través del intercambiador, el caudal de agua de enfriamiento para disipar esa carga térmica sale directamente de la fórmula

GPMs de enfriamiento = 7138800 btu/h / ( 500 * 46.4°F) = 307.7 US GPM = 69880 l/h

     nota: siendo temperatura de salida = 36.2° + 25.78° = 62°C

             Q (verificación) = 69880 l/h * (62 - 36.2) = 1802904 kcal/h

En este caso la temperatura media logarítmica es 27.43°F = LMTD (159.8, 149, 97.2, 143.6).  Seleccionando un valor conservador para el U, eg. 197-200 btu/ hr * sq.ft. * °F, la superficie de intercambio requerida resulta:

superficie de intercambio requerida A =  7138800 btu/h / ( 197.32 * 27.43) = ca 1319 sq.ft. = ca. 123 m2

APLICACION # 3: ENFRIAMIENTO PROCESO LEVADURA

Una fábrica de levadura desea estimar el calor a disipar en un proceso de elaboración de levadura mediante fermentación aeróbica.  El calor generado en el proceso de fermentación es del orden de 3.5 kcal por g de sólidos de levadura.  Se desea el estimativo para un proceso de aproximadamente 5 toneladas de melaza.

A los efectos de poder lograr un estimativo orden de magnitud dentro del alcance de este material, delinearemos un razonamiento con un número pequeño de suposiciones, aplicables o no a cada caso específico.

A grosso modo el calor total generado durante la fermentación se compone de tres fuentes:

1. Q1 = el calor generado por el proceso mismo de fermentación
2. Q2 = el calor sensible
3. Q3 = el calor sensible del aire utilizado (2500 CFM)

Q1 Calor de proceso de fermentación

A partir de las 5 toneladas de melaza y suponiendo un rendimiento de 80% de levadura fresca y un respectivo tenor de 30% de levadura seca-seca sobre levadura comprimida obtenemos los kg de levadura seca-seca (sólidos) directamente:

5000 kg melaza * 0.8 levadura fresca/melaza * 0.3 levadura seca-seca/levadura fresca = 1200 kg de levadura seca-seca o sólidos.

Siendo el calor generado en el proceso de fermentación del orden de 3.5 kcal por g de sólidos, resulta para ese turno

1200 kg * 10^3 * 3.5 kcal = 4,200,000 kcal

ocurriendo la carga máxima (10% en una hora) =

Q1Max = 4200000 * .1 = 420,000 kcal/h

Q2 Calor sensible

A partir de la mezcla de 5000 kg de melaza con agua obtendremos aproximadamente 5500 litros de densidad específica 1.23 kg/l y calor específico 1 Kcal/g °C, que llevaremos de 80°C a 30°C, luego el Q2 sale directamente

Q2 = 5500 L * 1.23 kg/L * 1 * (80 - 30°C) = 338250 kcal/h

ocurriendo la carga máxima (10% en una hora) =

Q2Max = 338250 * .1 = 33,825 kcal/h

Q3 Calor sensible del aire

Básicamente consiste en seguir la evolución de la masa de aire desde 80°C a 30°C y por dferenncia de entalpías estimar la contribución de calor.

La alimentación se realiza con aire a 80°C y 34.5°C temperatura de bulbo húmedo a lo que corresponde una entalpía de 61.77 btu/lb.  La entalpía de salida correspondiente a aire saturado a 30°C, es 50.67 btu/lb, luego la diferencia sale directamente:

diferencia de entalpías = 61.77 - 50.67 = 11.1 btu/lb

La masa de aire 2500 CFM * 0.071 llb/cu.ft * 60 = 10638 lb/h

Q3 = 10638 lb/h * 11.1 btu/lb = 118085 lb/h = 29760 kcal/h

Finalmente la carga horaria máxima Qmax

Qmax = Q1max + Q2max + Q3max =  420,000 kcal/h +33,825 kcal/h + 29,760 kcal/h = ca. 483600 kcal/h

APLICACION # 4: ENFRIAMIENTO COMPRESORES DE AIRE

Una industria debe dimensionar el circuito de enfriamiento para atender cuatro (4) compresores de aire, 150 HP 565 CFM cada uno. Se desea tener una cota superior del calor a disipar y una idea del caudal de agua a circular. No se disponen de mayores datos de los compresores.

En el enfriamiento de numerosas máquinas, como ser compresores, bombas de vacío, es muy común estimar el calor a disipar suponiendo que trasladar la totalidad del caballaje como carga térmica. En nuestro caso, al tratarse de cuatro (4) unidades de 150 HP c/u y empleando un factor de conversión de 2545 btu/hr HP resulta la siguente carga térmica, a saber:

Q = 4 * 150 HP * 2545 btu/hr HP = 1:527,000 btu/hr = 384829 kcal/h

Nótese que típicamente no se dispone de especificaciones o tipo de compresores por lo que tan típicamente se suele dimensionar la carga para el peor caso. A modo de ejemplo si se tratase de compresores reciprocantes de una etapa alrededor de un 10% se disiparía directamente a la atmósfera, un tanto menos, 5%, si se tratase de un sistema de dos etapas o compresor tornillo. No es recomendable contabilizar a favor estos pocos puntos.

Por otro lado según sea el tipo de compresor involucrado la temperatura de agua fría objetivo podría variar, si bien levemente entre 90°F y 95°F, o eventualmente menos. Típicamente inter-coolers y after-coolers demandarían las temperaturas más bajas, usualmente asociadas a tareas de secado de aire. Por otro lado, en una instancia de compresores tornillo podría primar (80% de la carga térmica) enfriamiento del aceite que típicamente demandaría temperaturas mayores para mantener las propiedades del mismo. En otra instancia, podría primar según información de fábrica/casa matriz la prestación de agua fría para secado de aire que podría especificar digamos 78°F (25.5°C)

En ausencia de especificaciones o tipo de compresor podría pensarse en una temperatura de agua fría objetivo de 90°F (32.2°C) y rango 10°F por lo que la temperatura de ingreso a torre rondaría 100°F (37.7°C) estando asociado el siguiente caudal, a saber:

caudal US GPM = Q / ( 500 * rango) = 1:527,000 btu/hr / ( 500 * 10) = c. 306 US GPM = 69360 l/h

APLICACION # 5: ENFRIAMIENTO TAMIZ MOLECULAR

En un proceso de generación de oxígeno, un intercambiador aire/agua debe enfriar 10594 CFMs de aire desde cerca de 167°F a 95°F previo al ingreso a un banco de tamices moleculares.

Si bien estrictamente debería hacerse el cálculo mediante diferencia de entalpías en las condiciones de cada extremo del proceso, puede hacerse una estimación preliminar/orden de magnitud del calor a disipar, a saber:

Q = 10594 CFM * 60 * .0715 lb/cu.ft. * Cp = 10594 CFM * 60 * .0715 lb/cu.ft. * 0.24 = 785,372 btu/hr = 197926 kcal/hr

Si el agua de enfriamiento llega a 86°F (30°C) y retorna a 104°F (40°C) correspondería un LMTD del orden de 27.75 unidades IP o 15.42 unidades SI. Fácilmente se deriva el caudal a circular/orden de magnitud, a saber:

caudal = Q / ( 500 * rango) = 785,372 btu/hr / ( 500 * (104-86) = 87.3 US GPM = c. 19800 l/h

Sin contar con información de la casa matriz fabricante del intercambiador se anticiparía la necesidad de considerable área de intercambio. Tomando como base un coeficiente global de transmisión del orden de 15 unidades IP podría derivarse de que orden debería ser en ocasión de un capacity planning/troubleshooting de performance. Probablemente se detecte insuficiencia en la superficie de intercambio del equipo original. 

APLICACION # 6: RECUPERACION/CONVERSION DE CONDENSADORES EVAPORATIVOS Y TORRES DE FLUJO CRUZADO

Hace casi veinte años atrás tratamos en publicaciones técnicas la restauración de torres de enfriamiento de flujo cruzado, demostrando numéricamente/step-by-step lo que ya los usuarios habían experimentado en carne propia, id est déficits térmicos superiores a 30% de los valores de capacidad publicados en catálogo. Algo similar puede verse en las tecnologías de todos los tipos de condensadores evaporativos y en la casi totalidad, reciente censo, de torres de enfriamiento de flujo contracorriente sea cual sea la procedencia.  Típicamente una torre de enfriamiento de calidad industrial está fabricada para operar non-stop 366/7/24 o sea del orden de 8784 horas/año.  Lamentablemente en la puja por la competitividad muchísimos fabricantes de unidades están promocionando/suministrando unidades pseudo industriales pero con claro sesgo (para el especialista!) circuito aire acondicionado, con prestaciones objetivo que pueden no llegar a 1600 horas/año.  La primera y fatal distinción es el subrendimiento mencionado, 30%, rellenos que no llegan a un año, materiales de fabricación cuestionables, ventiladores impropios para servicio industrial, entre otros puntos.  Como administrador industrial procuraría en cada adjudicación de servicio crítico/producción tener presente el cociente resultante, i.e. 5.49x (8784 / 1600) en todo comparativo de propuestas.  El suministro industrial es capacidad de enfriamiento y foja de servicios no menor a veinte (20) años con costos operativos, consumos/sostenibilidad/otros, perfectamente documentados en base a pautas mundiales en cierta manera, afortunadamente, dentro de dominio público.  Básicamente el que hoy no sabe es porque no quiere saber!

  

Gradualmente hemos podido ir resolviendo estos "contratiempos" en un gran número de industrias y llevar las capacidades de las unidades a las que los usuarios pidieron originalmente. En el caso de flujo contracorriente empleando rellenos de nuestra fabricación de considerable mayor capacidad de enfriamiento y revisión de sección aire e incluyendo aumentar dimensiones de las ventanas de ingreso, algo que parece paradójico inicialmente; para que funcione mejor básicamente "hacer agujeros" algo que no está dentro de lo que uno llamaría "suministro". Tal es la importancia que de no practicar las aperturas, tanto en contracorriente como flujo cruzado, la pérdida de carga puede ser mayor que la experimentada a través de los rellenos (se van HPs de motor en pérdidas de carga parásitas)! 

En el caso de condensadores evaporativos es bien posible la eliminación de los haces de tubos, empacando con rellenos estructurados de plástico, recuperando totalmente el resto de la unidad, id est carcaza, distribución de líquido, sección aire, conexionado sin prácticamente modificación de importancia/adosado de condensador casco y tubo o de placas.

En el caso de torres de flujo cruzado hemos practicado conversiones similares, e.g. 700 m3/h, exitosas, eliminando el sistema de alimentación por gravedad (clásicos desbalances y desbordes de las bateas sin ingreso a la torre!) instalando sistemas de distribución de líquido levemente presurizados y empacando rellenos estructurados y módulos de eliminadores de gotas en contracorriente recuperando así TOTALMENTE carcaza o cerramiento, sección aire intacta, conexionado sin prácticamente modificación de importancia más allá de calibración hidráulica por terceros.

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