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ENFRIADORES DE GAS

Diseño y Construcción de Ductos: Un Enfoque Práctico .

INTRODUCCION Los enfriadores de Gas son ampliamente usados en la industria de transporte. Estos pueden ser usados como pre-enfriadores (en la estación de succión de un compresor) o como inter-enfriadores (entre compresores en serie) para proteger el sistema del sobrecalentamiento. También pueden ser usados como post-enfriadores (en la estación de descarga de un compresor) para proteger la capa externa de los ductos del daño a altas temperaturas (que excedan los 65 °C o su equivalente 149 °F). El enfriamiento con gas en la zona de descarga también ayudara a reducir la caída de presión a lo largo del ducto porque el gas estará fluyendo a una temperatura más fría. Postenfriadores también reducen los requerimientos de potencia en la estación aguas abajo del compresor cuanto este reciba gas a una menor temperatura de succión. Existen dos tipos de enfriadores de gas: intercambiadores de calor de aire enfriado e intercambiadores de calor de agua enfriada. Dependiendo del clima y las condiciones geográficas, ambos tipos de intercambiadores (o una combinación de ellos) puede ser usada para proveer los requerimientos de enfriado. No es la intención de este capítulo comparar la economía de ambos. Sin embargo se podría decir como regla lo siguiente, los costos operativos de sistemas de aguaenfriada son mucho más grandes que los intercambiadores de aire-enfriado. Si la temperatura ambiente lo permite, especialmente en áreas remotas, el intercambiador elegido en una transmisión de línea de gas es usualmente intercambiador de calor de aire-enfriado. Las siguientes secciones trataran con mayor detalle los intercambiadores de aire-enfriado (aerial coolers). Para mayor información de los intercambiadores de aire, refiérase a (GPSA -1994); para ambos sistemas refiérase (Kern 1997) o (Muckerjee 1997). INTERCAMBIADORES DE CALOR DE AIRE-ENFRIADO Intercambiadores horizontales son generalmente usados en los ductos de gas para reducir la temperatura de descarga del compresor en las estaciones, estos operan con aire del ambiente. Los componentes básicos de estos intercambiadores son: 

Uno o más ventiladores, los cuales introducen el aire en las aletas de los tubos (operación de flujo cruzado)



Controladores de Ventiladores.



Motores.



Controladores de la velocidad de los ventiladores.



Cabezales.



Soportes.

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Cuando están ensamblados, estos componentes forman el cuerpo del enfriador de gas, el cual es normalmente llamado “bay”. Cuando dos o más bays son juntados estos forman una “unidad”.

Poner dos o más unidades juntas forman un “bank” de enfriadores. Intercambiadores de aireenfriado son categorizados como “de succión forzada” o de “succión inducida”, dependiendo de la ubicación de los ventiladores. En los enfriadores de succión, el haz de tubos está ubicado en el lado de succión de los ventiladores (ver figuras 4-33, 4-34 y 4-35). La norma API-661, “Air-Cooled Heat Exchangers for General Refining Services,” describe los requerimientos mínimos para el diseño y pruebas de los intercambiadores de aire-enfriado. Aunque estos hayan sido fijados para las refinerías, ellos pueden ser generalizados para ambos la Industria Petroquímica y la Industria del Gas. Uno de los componentes más importantes en un enfriador de aire es el arreglo de tubos. Un coeficiente bajo en la transmisión de calor hace que se usen mayor superficie de tubos de acuerdo a necesidad. El tubo por sí mismo está fabricado de carbón o acero inoxidable, y las aletas son normalmente hechas de aluminio, debido a la alta conductividad térmica del aluminio y su menor peso. Es común posicionar entre 10 a 11 aletas por pulgada en enfriadores de aire industriales. Estas aletas introducirán una superficie extendida casi 20 veces más que el área de los tubos. El diámetro de los tubos varían entre 5/8 y 1 ¾ pulgadas de diámetro externo, mientras que las aletas son de ½ pulgada a 1 pulgada como rango más alto. Debido a bajo coeficiente de transferencia de calor y la capacidad especifica de calor del aire, grandes cantidades de aire deben ser forzados a atravesar el arreglo de tubos para lograr el objetivo. Esto es logrado usando un diámetro mayor de las cuchillas del ventilador (3 pies a 28 pies de diámetro), rotando a alta velocidad, lo cual produce niveles altos de ruido. Por el problema del ruido, es común en la práctica es común utilizar como máximo diámetro de cuchilla entre 14 y 16 pies, para tener un ruido aceptable y niveles de vibración adecuados (GPSA 1994; Mukherjee 1997). ECUACIONES DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE UN ENFRIADOR El procedimiento general para derivar el diseño de un enfriador implica el desempeño del calor y balances de materia para el gas y el aire en ambos lados del intercambiador. Como parte de este cálculo de balances el cálculo del coeficiente de transferencia de calor (U) y el registro de la diferencia de temperatura (LMTD) factores de corrección son requeridos. El Calor disipado por el gas caliente es representado como sigue:

qg  m  C pg  (T1  T2 )

(4 – 71)

Dónde:

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qg = Calor disipada por el gas, BTU/hr. mg = Flujo de másico de gas, lb/hr.

Cpg = Calor especifico del gas a condiciones de flujo, BTU/lb*°F T1 = Temperatura del Gas de entrada, °F T2 = Temperatura del Gas de salida, °F

La temperatura de salida del gas T2 es la temperatura combinada del gas en la salida del enfriador. Para enfriadores equipados con controladores de velocidad variable de ventiladores, la temperatura de la corriente de todos los bay será la misma como de cada bay. Para enfriadores equipados con controladores de una sola velocidad, como puede ser el caso solo cuando todos los ventiladores en todos los bays de compresión de los enfriadores son operacionales. Si alguna de los ventiladores no está operando, la temperatura del gas de cada bay puede ser diferente. El calor absorbido por el aire ambiente puede ser expresado como:

qa  m a  C pa  N Fan (t2  t1 ) Dónde:

(4 – 72)

qa = Calor absorbido por el aire, BTU/hr ma = Flujo másico de aire por ventilador, lb/hr Cpa = Calor especifico del aire a presión y temperatura ambiente, BTU/lb*°F Nfan = Numero de ventiladores, adimensional. t1 = temperatura de entrada del aire ambiente, °F t2 = temperatura de salida del aire, °F.

Figura 4-33 Elevación típica de enfriadores de aire (cortesía de GPSA)

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Figura 4-34. Plano típico vista de enfriadores de aire (cortesía de GPSA)

Figura 4-35. Un enfriador de aire con ventiladores y haz de tubos (Mukherjee, R, 1987, Chemical Engineering Progress)

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En adición a las ecuaciones (4-71) y (4-72), la ecuación básica para calcular la energía transferida por todos los intercambiadores de calor se escribe como sigue:

q  U  A  F  LMTD Dónde:

(4 – 73)

q = flujo calórico, BTU/hr U = Coeficiente total de transferencia de calor, (BTU/hr*ft2*°F) A = Área de transferencia de calor, ft2 F = factor de corrección de temperatura, adimensional LMTD = diferencia de temperatura registrada, °F.

La ecuación (4-73) puede también ser escrita como:

q  U b  Ab  N Bays  F  LMTD Dónde:

(4 – 74)

Ub = Coeficiente total bare de transferencia de calor, (BTU/hr*ft2*°F) Ab = Área externa bare de transferencia de calor por bay, ft2 NBays = Numero de bays en servicio, adimensional.

La energía disipada por el gas, el calor absorbido por el aire, y el calor transferido del gas al aire

q  qg  qa

son equivalentes entonces:

(4 – 75)

O

m  C pg  (T1  T2 )  m a  C pa  N Fan (t2  t1 )  U b  Ab  N Bays  F  LMTD

(4 – 76)

En la ecuación (4-74) los valores de LMTD (ATm), F, y U son calculados como sigue la diferencia de la temperatura registrada es:

LMTD 

(T1  t2 )  (T2  t1 ) T t ln 1 2 T2  t1

(4 – 77)

El factor de corrección de temperatura F puede ser obtenido de la Figura 4-36 para un enfriador de paso simple y flujo cruzado, o de la figura 4-37 para un enfriador de paso doble de flujo cruzado (GPSA 1994). Para usar estas figuras, la temperatura dependiente de las funciones P y R necesitan ser calculadas como:

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P

t2  t1 T1  t1

(4 – 78)

R

T1  T2 t2  t1

(4 – 79)

Para obtener el valor del coeficiente total de transferencia de calor U, se puede usar la siguiente ecuación (Holman 1997):

U

Dónde:

1 1 1  rf  rm  hio ho

(4 – 80)

U = Coeficiente total de transferencia de calor basado en la superficie externa, (BTU/hr*ft2*°F) hio = coeficiente de transferencia de calor interno (lado del gas) basado en la superficie área (BTU/hr*ft2*°F) rf = resistencia fouling combinada (hr*ft2*°F/BTU) rm = resistencia del metal (hr*ft2*°F/BTU) ho = coeficiente de transferencia de calor externo (lado del aire), (BTU/hr*ft2*°F)

En la ecuación (4-80) el valor de (1/hio) es:

1 A r d  o  o  o hio Ai hi rh d i hi i i

(4 – 81)

En la ecuación (4-81), el valor de hi o el coeficiente de transferencia de calor interno puede ser fácilmente computado usando una de las correlaciones (Dittus and Boelter or Seider and Tate), para flujo tubular con transferencia de calor, consultar (Holman 1997). El valor de h0 (coeficiente de transferencia de calor del lado de aire) puede ser calculado una ecuación apropiada ecuación para flujo cruzado (Holman 1997). La resistencia del metal rm es:

rm 

Ao ln ro / ri ro ro  ln 2 KL K ri

(4 – 82)

Dónde: k= conductividad termal del tubo, (BTU/hr*ft2*°F) El valor de rf o resistencia fouling, es normalmente un valor constante y puede ser obtenido por tablas computadas para operaciones de enfriamiento de gas. Al reemplazar de todos los

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parámetros en la ecuación (4-80), el valor del coeficiente total de la transferencia de calor (U) puede ser calculada.

Figura 4-36. MTD Factores de corrección (1 paso –flujo cruzado, ambos fluidos no mezclados) (cortesía de GPSA 1994) Generalmente todos los parámetros requeridos para las condiciones operativas del enfriador de gas pueden ser calculados con los parámetros provistos por el fabricante como sigue:

N m  hio  hiod  Baysd  g   N   Bay m gd  Dónde:

hio

0.8

(4 – 83)

= coeficiente de transferencia de calor interno bajo condiciones de simulación (BTU/hr*ft2*°F)

hiod

= coeficiente de transferencia de calor interno bajo condiciones de de diseño del enfriador (BTU/hr*ft2*°F)

NBayd = número de bays bajo condiciones de diseño del enfriador, adimensional NBay = número de bays bajo condiciones de simulación, adimensional mg

= flujo másico bajo condiciones de simulación, lb/hr

mgd = flujo másico bajo condiciones de diseño, lb/hr

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Figura 4-37. MTD factores de corrección (2 pasos – flujo cruzado, ambos fluidos no mezclados) (cortesía de GPSA 1994) El coeficiente de transferencia de calor de lado del aire es sensible a ambos flujos de aire a través de los tubos y el aire a temperatura ambiente, como se muestra en la ecuación (4-84).

 m  ho   hod 10  Ft (t1  t10 )  a   m a10  Dónde:

ho

0.6

(4 – 84)

= coeficiente de transferencia de calor externo bajo condiciones de simulación (BTU/hr*ft2*°F)

hod 10 = coeficiente de transferencia de calor a 10°C (50°F) (BTU/hr*ft2*°F) Ft

= factor de corrección de temperatura, adimensional

t1

= temperatura ambiente bajo condiciones de simulación, °F

t10

= temperatura ambiente a 10°C (50°F), °F

ma

= flujo másico de aire bajo condiciones de diseño, lb/hr

ma10 = flujo másico de aire a 10°C (50°F), lb/hr Está claro que la temperatura que la temperatura bajo condiciones de diseño del enfriador es 10°C (50°F). Dónde:

ma

= flujo másico bajo condiciones de simulación, lb/hr

mad

= flujo másico bajo condiciones de diseño del enfriador, lb/hr

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N

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= velocidad del ventilador bajo condiciones de simulación, RPM

Nd

= velocidad del ventilador bajo condiciones de diseño, RPM

t1d

= temperatura ambiente bajo condiciones de diseño, °R

t1 = temperatura ambiente bajo condiciones de simulación, °R

FLUJO DE MASICO DE AIRE A TRAVES DEL VENTILADOR La cuchilla del ventilador posee un paso para flujo de aire, ese es el caso de la mayoría de los enfriadores de gas, el flujo másico por ventilador

m a  m ad

puede ser calculado como sigue:

N t1d  N d t1

(4 – 85)

POTENCIA REQUERIDA POR EL VENTILADOR La potencia requerida por el motor del ventilador en un sistema de enfriamiento por gas puede ser logrado especificando el grado de enfriamiento, y es calculado como sigue:

 N HP  HPd   Nd Dónde:

 t1d   t1

(4 – 86)

HP

= potencia requerida bajo condiciones de simulación, HP

HPd

= potencia requerida bajo condiciones de diseño, HP

N

= velocidad del ventilador bajo condiciones de simulación, RPM

Nd

= velocidad del ventilador bajo condiciones de diseño, RPM

t1d

= temperatura ambiente bajo condiciones de diseño, °R

t1 = temperatura ambiente bajo condiciones de simulación, °R

CAIDA DE PRESION DEL GAS EN LOS ENFRIADORES

N P  Pd  Bayd  N  Bay Dónde:

  

2

 m g   m gd

2

  P1d   T1  T2        P1   T1d  T2 d 

(4 – 87)

P = caída de presión a condiciones de simulación, psia Pd = caída de presión bajo condiciones de diseño, psia NBayd = número de bays bajo condiciones de diseño, adimensional NBay

= número de bays bajo condiciones de simulación, adimensional

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mg

= flujo másico de gas bajo condiciones de simulación, lb/hr

mgd

= flujo másico de gas bajo condiciones de diseño, lb/hr

P1d

= presión del gas de entrada al enfriador bajo condiciones de diseño, psia

P1

= presión del gas de entrada al enfriador bajo condiciones de simulación, psia

T1

= temperatura de gas de entrada al enfriador bajo condiciones de simulación, °R

T2

= temperatura de gas de salida del enfriador bajo condiciones de simulación, °R

T1d

= temperatura de gas de entrada al enfriador bajo condiciones de diseño, °R

T2d

= temperatura de gas de salida del enfriador bajo condiciones de diseño, °R

Algunos arreglos de enfriadores en la parte de desvió del gas mantiene las pérdidas de presión y velocidades del gas a través de los enfriador caigan a un nivel aceptable. El flujo másico a través de los tubos

puede ser encontrado como sigue:

m gcooler  m gtotal  (1  Kbypass ) Dónde:

(4 – 88)

mg cooler = flujo másico de gas a través del enfriador bajo condiciones de simulación, lb/hr mg total = flujo másico total de gas bajo condiciones de simulación, lb/hr Kbypass

= fracción de flujo que pasa el enfriador, adimensional

Cuando los enfriadores de gas están operando, es generalmente necesario establecer la temperatura de descarga del gas. En los Sistemas TransCanada, este valor es 3°C encima de la temperatura ambiente. Un mínimo permisible punto es usualmente impuesto por la temperatura del gas de descarga. El Sistema TransCanada es 10°C. El enfriamiento puede ser interrumpido para prevenir que el valor de la temperatura caiga por debajo del valor permitido (Yoshikai 1994). Tablas de diseño son normalmente suministradas por los fabricantes y nos brindan una lista completa de parámetros de enfriadores y gas a condiciones de diseño. Esta lista usualmente incluye: 

ID del enfriador



Bypass del enfriador



Numero de fases

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

Numero de Bays



Área superficial por Bay



Numero de ventiladores por bay



Tipo de ventilador (controlador simple, doble, variable)



Máxima potencia por ventilador



Velocidad del ventilador RPM



Hiod



mad



ho10°C



t1 (temperatura ambiente)



HPd



HP motor



Caída de presión



Flujo estándar



Flujo másico



Peso molecular del gas



Presión de entrada del gas



T1d



T2d



Cp



Resistencia del metal



Factor Fouling



Bypass %, verano



Bypass %, invierno



Altitud

TABLA 4-5 Datos de Fintube para una pulgada de OD de los tubos (cortesía de GPSA, 1994)

Altura Fin por Fin/pulgada

1/2 pulgada por 9

5/8 pulgada por 10

3.80 APF, sq ft/ft 5.58 AR, sq ft/ft 14.5 21.4 Tube Pitch 2 in.  2 1/4 in.  2 1/4 in.  2 3/8 in.  2 1/2 in.  APSF (3 filas) 68.4 60.6 89.1 84.8 80.4 APSF (4 filas) 91.2 80.8 118.8 113.0 107.2 APSF (5 filas) ,114.0 101.0 148.5 141.3 134.0 APSF (6 filas) 136.8 121.2 178.2 169.6 160.8 Nota: APF es el área total externa/ft de fin tube en ft/ft. AR es el área radio de un tubo fin comparado con el área exterior de 1 in. OD tubo bare, el cual tiene 0.262 sq ft/ft. APFS es el área externa en sq ft/sq ft de la cara bundle.

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TABLA 4-4 Coeficiente de transferencia de calor total para enfriadores de aire (cortesía de GPSA,1995) 1 Fintube 1/2 in. by 9 Servicio 1. Soluciones de Agua & Agua Camisa del motor agua (= 0.001) Agua de Proceso (= 0.002) 50-50 etileno glicol-agua (= 0.001) 50-50 etileno glicol-agua (= 0.002) 2. Enfriadores de Hidrocarburo liquido Viscosidad, cp, a temperatura promedio 0.2 0.5 1.0 2.5 4.0 6.0 10.0 3. Enfriadores de Hidrocarburo gaseoso Presión, psig 50 100 300 500 750 1.000 4. Enfriadores de aire y flue-gas Usar la mitad de los valores dados en enfriadores de Hidrocarburo gaseoso 5. Condensadores de vapor (Presión atmosférica y superior) Vapor Puro ( = 0.005) Vapor con no-condensables 6. Condensadores de HC Rango de condensación, °F Rango de 0° Rango de 10° Rango de 25° Rango de 60° Rango de 100° y superiores 7. Otros condensadores Amonio Freon 12

Ub

5/8 in. by 10

Ux

Ub

Ux

110 95 90 80

7.5 6.5 6.2 5.5

130 110 105 95

6.1 5.2 4.9 4.4

85 75 65 45 30 20 10

5.9 5.2 4.5 3.1 2.1 1.4 0.7

100 90 75 55 35 25 13

4.7 4.2 3.5 2.6 1.6 1.2 0.6

30 35 45 55 65 75

2.1 2.4 3.1 3.8 4.5 5.2

35 40 55 65 75 90

1.6 1.9 2.6 3.0 3.5 4.2

125 60

8.6 4.1

145 70

6.8 3.3

85 80 75 65 60

5.9 5.5 5.2 4.5 4.1

100 95 90 75 70

4.7 4.4 4.2 3.5 3.3

110 65

7.6 4.5

130 75

6.1 3.5

Notas: Ub basada en el área del tubo, Ux basada en la área superficial extendida. (basada en aproximaciones de velocidades de masa de la cara del aire a velocidades entre 2.800 y 2.600 lb/hr*ft2 en el área de la cara). *Rango de condensación = temperatura de entrada a la zona de condensación menos la temperatura de salida del hidrocarburo de la zona de condensación.

PROCEDIMIENTO ITERATIVO DE CALCULO CON T2 DESCONOCIDA Existen diferentes aproximaciones para resolver problemas de enfriadores de gas usando soluciones iterativas. Una de estas aproximaciones es determinar la temperatura de gas en la salida del enfriador cuando el usuario ha especificada esta temperatura como desconocida. La solución depende del número de bays del enfriador que están equipadas con ventiladores simples o de velocidad variable. Los pasos de compresión para cada uno de estos casos son levemente diferentes, pero la técnica de solución y ecuaciones usadas son casi idénticas para diferentes velocidades de ventiladores. El procedimiento para resolver un problema de enfriador con velocidad variable de ventiladores cuando la temperatura de salida del gas es especificada abajo. Para mayor detalle ver (GPSA 1994) y (Yoshikai 1994).

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Solución iterativa para enfriadores de gas con velocidad variable con temperatura de salida Especificada 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Asuma la temperatura del gas de salida del enfriador (T2) Calcule el calor requerido qg (lado del gas) usando la ecuación (4-71) Calcular el flujo másico de aire ma ecuación (4-85 Calcular t2 usando la ecuación (4-72) (qa=qg) Calcular LMTD usando la ecuación (4-77). Calcular los factores P y R usando ecuaciones (4-78) y (4-79). Usar figuras 4-36 o 4-37 para encontrar el factor de corrección de temperatura (F). Calcular LMTD corregido Calcular ambos coeficientes de calor del lado del gas y aire con las ecuaciones (4-83) y (4-84), y el coeficiente total de transferencia de calor usando la ecuación (4-80). 10. Calcular la transferencia de calor q usando la ecuación (4-74). 11. Si q no concuerda con qg en el paso 2, cambiar la temperatura de salida del gas T2, hasta que q y qg sean iguales (con una tolerancia limite permitida) 12. Calcular la caída de presión con la ecuación (4-87). T2 debe no exceder la temperatura máxima permitida de descarga. Este máximo valor depende de diferentes factores, particularmente en el revestimiento del ducto, el cual podría estar dañado por temperaturas que excedan los 65°C. La máxima temperatura de descarga del enfriado de gas en el Sistema TransCanada se establece en 45°C, entonces todos los enfriadores están diseñados con este valor. En áreas con clima extremadamente frio, un valor mínimo permisible puede ser especificado. La definición de este valor es importante porque las contracciones en los ductos y su revestimiento a muy bajas temperaturas pueden causar problemas de problemas de deterioro y punto de roció. REFERENCIAS

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