DISEÑO DE CONDENSADOR PARA CENTRTRANSFERENCIA DE C 1 ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL FACULTAD DE INGENIERIA EN MECANICA Y CIENCIAS DE LA PRODUCCION Transferencia de Calor II Proyecto final de curso Diseño de Condensador de Tubo y Coraza para la Central Termo-Eléctrica Trinitaria INTEGRANTES Felipe Condo Colcha Lenin Cerezo PROFESOR Ing. Gonzalo Almeida 2 . .................................................. 11 9...........................................5 General... 12 Anexo....................................... Referencias...... Resultados..........14 3 .... 5 Específicos............................. Objetivos del proyecto...................................................12 Anexo....... 5 4......... 4 2.................13 Anexo................... 8 6..... Conclusiones............................................................. B: Codificación de Programa.... C: Fórmulas y relaciones utilizadas...........................................PARALELO # 2 SEGUNDO TERMINO 2014 Contenido 1..................................................... Metodología utilizada para la solución del problema..................................................................................................................... Resumen Ejecutivo................5 3......................... Descripción del problema....................................................... Análisis de resultados....................................................... 10 8.....................6 5..................................................................................................................................................................................................................... A: Esquema de planta de poder....... 9 7.................................. Anexos......................................................................................................................... el tipo de material. velocidad de fluido frio. espesor. El programa se ha codificada de tal manera que el usuario pueda cambiar parámetros los de la tubería. tipo de fluido. Con los parámetros de establecidos.7m de distancia. Debido al diseño. En el diseño se tomo en cuenta el diámetro de la tubería que se utilizaría. velocidades permitas para el flujo frio.1. donde los parámetros como presión y temperatura. Resumen Ejecutivo El presente proyecto se basa en el diseño de un condensador tipo coraza y tubos de un solo pasa para la Central Termo-Eléctrica Trinitaria. banco de tubos de 6685 dispuesta de manera lineal. Cuenta con 20 bafles los cuales están dispuestos a 1. con un diámetro de coraza de 3. cuya potencia es de 133 MW. parámetros de la planta de poder. con 70 tubos en cada columna.4 m. resistencia debido a incrustaciones. . y de esta manera se ha realizado un programa de determinar el tamaño de un condensador de un paso. Para esto se procedió a codificar un programa por medio del Software Engineering Equation Solver. se procedió al diseño con lo cual se obtuvo un condensador de un paso. se tomaron de la pagina web de la Central. el condensador puede disipar 229 MW.34 m con una longitud de 40. Además el equipo cuenta con tubería de 1’’ de acero inoxidable AISI 302. 4 . Descripción del problema En el presente proyecto de curso se realizó el diseño de un condensador para la Central Termo-Eléctrica Trinitaria de la Ciudad de Guayaquil. y utiliza agua de un rio debidamente tratada como fluido refrigerante. donde el vapor sale de la turbina a 538ºC a una presión de 140 Kgf/cm 2. Caldera y Turbina.2. El presente proyecto consiste en el diseño de un condensador para un ciclo Rankine con una Potencia de 133 00 kW. El problema yace en el hecho de que mucho de estos equipos fueron adquiridos en la década de los noventa. y pudiera servir en una futura para cubrir la demanda. que pudiera aumentar. es importante empezar el diseño de nuevos equipos que cubran no solo las demandas actuales sino equipos que cubran la demanda de energia en un periodo posterior a veinticinco años. La Central fue creada en la década de los noventa para cubrir la demanda de energia eléctrica en la Ciudad de Guayaquil. Objetivos del proyecto General Diseñar un intercambiador de tubo y coraza para una Central TermoEléctrica con una potencia de 133 000 kW. Específicos Diseñar un programa que permitir para el dimensionamiento de un condensador Determinar el área de transferencia de calor Determinar el coeficiente de convección interno del condensador Determinar el coeficiente de convección externo del condensador Determinar la temperatura media logarítmica del sistema Determinar el número de tubos necesarios para el condensador Determinar las dimensiones de la coraza del condensador Determinar el número de Bafles necesarios en el equipo 5 . que pudiera cumplir la demanda actual en las condiciones descritas. 3. con Condensador. La central se base en un sistema Regenerativo Rankine. Por este motivo. Donde las condiciones del condensador indican que el vapor debe ser condenado a una presión de 0. En la actualidad la Planta produce 133 000 kW.077 bar. y aunque se les de mantenimiento. este proyecto se enfoca en el diseño de un condensador de TUBO Y CORAZA. Bombas. 6 . estos parámetros incluyen el diámetro exterior como interior junto con la conductividad térmica del material respectivamente. agua. Las propiedades del fluido frio se obtuvieron por medio de la temperatura media fílmica. tanto para el lado externo e interno de los tubos. se asumió también que la temperatura del agua seria la temperatura ambiente. donde se determino la cantidad de calor por medio del flujo de vapor y el producto de la diferencia de las entalpias a la entrada y salida del condensador. Además indica cual es el rango de velocidad que impide el aumento de incrustaciones en la tubería. Para el diseño del condensador se utilizo las normas de “Tubular Exchanger Manufacturers Association.4. Metodología utilizada para la solución del problema Para la solución del presente problema se asumieron algunos parámetros. A continuación se procedió a calcular la cantidad de calor disipada en el condensado. De igual manera se obtuvieron las propiedades del fluido saturado cuando en su estado liquido. los cuales se describen a continuación: La expansión en la turbina es isentroópica La condensación en el condensador no genera liquido sub-enfriado Los procesos de transferencia de calor son estacionarios Con estos parámetros debidamente asumidos se procedió con la resolución del problema de diseño. para lo cual se utilizo la turbina como un volumen de control. Para esto se procedió a formar un volumen de control alrededor del condensador. la temperatura de salida del fluido frio no debe ser mayor a 30ºC. alrededor de 20ºC. Debido a que la temperatura de un fluido en un cambio de fase es constante. Una vez encontrada las propiedades se determino el flujo másico de vapor. 7 . presentaba un incremento de temperatura después del proceso. Posteriormente se procedió a ingresar los datos correspondientes al tipo de tubos que se desea utilizar en el intercambiador. sin embargo el fluido frio. En primer lugar por medio del Software Engineering Equation Solver (EES) se determinaron los estados y las propiedades termo físicas del fluido caliente a la entrada y salida de la turbina y el condensador respectivamente.” (TEMA) Las normas indicadas por TEMA indican los coeficientes de resistencia debido a incrustaciones. la temperatura del fluido caliente permanece constante en el proceso de transferencia de calor. Tomando en cuenta parámetros de protección ambiental. Además el calor en un punto dado es igual al coeficiente de convección global por la diferencia de temperatura en dicho punto. De esa manera se obtiene un juego de ecuaciones. Al final se obtuvo el número de esta manera se obtuvo el Numero de Nusselt. utilizando la definición de flujo másico como función de su densidad. Cuando el valor del coeficiente global converja se describe al calor por medio de su temperatura media logarítmica para poder de esa manera determinar el área. Entendiendo que el flujo másico del fluido frio se distribuye equitativamente entre el número total de tubos del condensador. utilizando el área lateral de un tubo para determinar su longitud. este parámetro permitirá después determinar el coeficiente de convección externa y por lo tanto. 8 . como también en función del coeficiente de convección externa. Éste resulto ser turbulento. velocidad área. Esta diferencia de temperatura entre las capas de incrustación se pude expresar como función de la diferencia de temperaturas a través de los fluidos menos el producto del calor transmito por la resistencia en dicho punto. mediante el numero de Reynolds. para lo cual se utilizo el principio de conservación de energía. y por medio de su definición se obtuvo el coeficiente de convección interno. Para determinar el coeficiente de convección externa se procede a utilizar por la correlación de Nusselt y el factor de corrección de Kern para condensación. donde se expresa el coeficiente global de transferencia de calor respecto a al superficie externa como función de la resistencia debido al fluido frio. se obtuvo el número de tubos requeridos para el intercambiador. pared de tubo y resistencia debido a incrustaciones. Para utilizar esta correlación se calculo el factor de fricción. tomando en cuenta que el calor cedido por el vapor es el mismo calor absorbido por el fluido frio. La diferencia de temperatura logarítmica se determina tanto a la entrada como a la salida del intercambiador. Se expresa de esta manera debido a que la resistencia hasta el punto de incrustación presenta valores conocidos. Realizado esto. Se debe asumir un valor para la diferencia de temperatura y por medio del sistema de ecuaciones realizar iteraciones hasta que el valor del coeficiente global converja. Primero se determinara el coeficiente de convección dentro de la tubería. el coeficiente global de transferencia de calor. El siguiente paso es determinar el coeficiente de convección en el lado de los tubos con en el lado de la coraza. por lo cual para determinar el Número de Nusselt se utilizo la correlación de Petukhov-Kirilov. Para esto se procede a calcular en que régimen se encuentra el fluido dentro de los tubos. Donde el coeficiente queda en función de la diferencia de temperatura a entre las dos superficies de las incrustaciones.Se determino el flujo másico del fluido frio. El coeficiente de calor externo se determina por medio de un proceso iterativo. Incrustación Coraza Steam 95.71 [m] Tubería water 4271 [kg/s] Tci=20 [C] CORAZA Coeficiente de convección externo 1020 [W/m2-K] CL 1 [-] CPT 0. Almeida F. los cuales se pueden visualizar en los anexos. Hontang L. la longitud el numero de pasos. densidad y velocidad del fluido.. L.Se proceden a calcular el diámetro de la coraza del intercambiador. para la cual se utiliza la relación indicada por Sadik K.0254 [m] Carbon_steel_AISI1010 25651 [-] 178. el paso entre los tubos y el radio de paso. G.02291 [m] 0. (2002) (1980). Condo. para las condiciones expuestas anteriormente.93 [-] 9 .9 [-] 4644 [W/m2-K] 10391 [-] 21. diámetro interno..62 [kg/s] 40. se determino el diámetro de la coraza. Cerezo Fecha: Febrero. Hontang L. en la cual la caída de presión es función del factor de fricción. ESPECIFICACIONES DE INTERCAMBIADOR DE CALOR Compañía: Materia: Profesor: Estudiantes: ESPOL Transferencia de Calor II Ing. Tomando os valores Establecidos por TEMA. 5. (2002) (1980) la cal expresa el diámetro de la coraza como función del tipo de arreglo de los tubos. Resultados A continuación se muestran las especificaciones para un intercambiador de un paso. un valor a dimensional que toman en cuenta el espacio entre el bando de tubos y la coraza.25 [C] 95. Se requiera además saber la caída de presión a lo largo de la tubería para utilizar una bomba adecuada.8 [C] Característica del Condensador Calor transferido Diferencia Media Logarítmica Flujo de Condensado 178662 [kW] 15. 27 de 2015 DESEMEPEÑO DE LA UNIDAD Fluido Flujo Másico Temperatura (In/Out) Tco=30 [C] Rest. para lo cual se utilizo la correlación dada por Sadik K.62 [Kg/s] BANCO DE TUBOS Velocidad Diámetro Interno Diámetro Externo Material Numero de Reynolds Numero De Nusselt Coeficiente de Convección int Numero de tubos Longitud 1 [m/s] 0. pero de igual manera el coeficiente de convección interno.168 [m] 2. debido a que el coeficiente interno de convección aumenta. debido a que la correlación presentada no relaciona la velocidad del fluido frio. La velocidad del fluido. Análisis de Resultados Se puede evidenciar de los datos mostrados en T. debido a que una característica de los metales es su alta conducción térmica Al disminuir la temperatura de entrada del fluido frio se disminuyo la cantidad de tubos como el diámetro de la coraza. debido a que a que el calor no debe transferirse a través de estas incrustaciones EL coeficiente de convección en la parte de la coraza siempre es menor al coeficiente de convección en el lado interno de la tubería.1 [m] 8 [-] 6. en especial en la parte interna de la tubería. La longitud de la tubería aumenta debido a que el área de transferencia de calor disminuye al incrementar la velocidad.375 [-] 4. Además. sin importar que parámetro varié. sino con la temperatura de la superficie de la tubería. Cuando no existe resistencia debido a incrustaciones el tamaño del condensador disminuye. influye de manera directa en la cantidad de tubos del arreglo cómo y por lo tanto en su tamaño. 10 . Los materiales para la tubería no influyeron en el tamaño del condensador.1 que las pérdidas debido a las incrustaciones es bastante aloto. El coeficiente de convección externo. no se ve afectado en gran medida por el cambio de velocidad del fluido frio.PR Diámetro de coraza Distancia entre bafles Numero de Bafles 1. porque aunque se puede transferir más calor. para hacer esta transferencia se necesita un área mínima. al aumentar la velocidad se incrementa el número de Reynolds. pero su longitud aumento. Al aumentar el diámetro de la tubería se disminuye el número de tubos pero su longitud aumento. solo que uno de los factores del área de transferencia de calor aumenta en cierto porcentaje Las condiciones del ciclo de poder también limitan el funcionamiento del condensador. Para aumentar la eficiencia del condensador. tomando en cuanto los aspectos de la planta. 11 . sin embargo esto implica que la turbina trabaje en zonas de alta humead lo cual es contraproducente para el equipos. se puede reducir la temperatura de entrada del fluido frio. debido a que debe transferir la misma cantidad de vapor. para que este pueda absorber mayor cantidad de calor. También se puede generar menor presión para que el fluido se expanda a presiones mas bajas obteniendo mayor trabajo. Esto es para brindar estabilidad al banco de tubos. como para obtener un contraflujo dentro de la coraza. la correlación no depende de dicho valor Se debe mantener un rango de velocidad entre 1.7. debido a que los metales presentan una alta conductividad térmica. pero esto resultaría en un costo excesivo tanto de mantenimiento.6 veces el tamaño del diámetro y presentan un corte de 25% y están dispuesto de manera opuesta uno del otro. tipo de fluido que se use como refrigerante. lo cual mejora la transferencia de calor El material de la tubería se selecciona no por su conductividad térmica. en la parte interna presenta un mayor valor. Se podría también. por lo que las incrustaciones al aumentar el valor de factor de fricción disminuyen el coeficiente de convección El tamaño del condensador está en función de parámetros como la velocidad del fluido frio. Conclusiones Las incrustaciones. pero es función del factor de fricción.5 m/s para evitar incrustaciones ya que estas aumentan con la velocidad El coeficiente de convección es la tubería es mayor.5 m/s a 2. El diámetro de la coraza es función de la disposición del banco de tubos. Para aumentar el coeficiente de convección en el lado de la coraza se podría utilizar aletas pero esto dificultaría la limpieza. y busca dar mayor estabilidad al equipo Los bafles están dispuesto a un 0. no influye de manera directa con el coeficiente de convección externa debido a que. sino por su efectividad para trabajar en medios corrosivos u oxidantes. tamaño de tubería. Se debe analizar cómo afecta la variación de cada un de ellos para optimizar el tamaño del condensador de acuerdo a las especificaciones. por dicho motivo se debe tener un programa de limpiezas para el condensador 12 . Al aumentar tamaño de banco de tubos e incrementar las incrustaciones. lo cual aumenta la potencia de la bomba a utilizar El arreglo de tubos. presenta una disminución de calor transferido. el tamaño de la bomba requerido para sustentar el fluido del refrigerante aumentará. resistencia por incrustaciones. trabajar con condensación de gota. 2009. 8º Ed. 2002. Bergman.2012. Mecánica de Fluidos. Referencias [1] HEAT EXCHANGERS: SELECTION. CRC PressLLC [2] FUNDAMENTALS OF HEAT AND MASS TRANSFER..8. Hontang L. Quinta edición [4] MASTERING EES. Klein S. Sadik K.. Nellis G. 2º Ed. McGraw Hill. F-Chart 13 . RATING AND THERMAL DESIGN.. Incropera. Lavine. McGraw Hill [3] White Frank M. DeWitt. A: Esquema de planta de poder 14 .9. Anexos Anexo. B: Codificación de Programa 15 .Anexo. Anexo. C: Fórmulas y relaciones utilizadas 16 .