UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DE SUSTITUCIÓN DEL CIRCUITO CERRADO DE REFRIGERACIÓN DEL TREN CONTINUO DE LAMINACIÓN

Por: Ernesto Ciamariconi Rodríguez

INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico Sartenejas, Septiembre de 2.012

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DE SUSTITUCIÓN DEL CIRCUITO CERRADO DE REFRIGERACIÓN DEL TREN CONTINUO DE LAMINACIÓN

Por: Ernesto Ciamariconi Rodríguez Realizado con la asesoría de: Tutor Académico: Prof. Carlos Moreno Tutor Industrial: Ing. Pablo García Tutor Industrial Suplente: Ing. Miguel Tomedes

INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico Sartenejas, Septiembre de 2.012

ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DE SUSTITUCIÓN DEL CIRCUITO CERRADO DE REFRIGERACIÓN DEL TREN CONTINUO DE LAMINACIÓN Por: Ernesto Ciamariconi Rodríguez RESUMEN En el presente trabajo se desarrolla y diseña una propuesta que permita solventar el actual inconveniente que presenta el Circuito Cerrado de Refrigeración del Tren Continuo de Laminación de la Planta SIDETUR – Antímano, el cual se puede identificar como el bajo enfriamiento del fluido que provee el Air Cooler. Se generan varias propuestas y se realiza el correspondiente estudio de factibilidad técnica a cada una, para elegir luego la más adecuada para la empresa y las condiciones presentes. Las mismas se indican a continuación: 1. Unificación del Circuito Cerrado de Refrigeración con el Circuito de Refrigeración del Horno. 2. Sustitución del componente de enfriamiento del Circuito Cerrado de Refrigeración, Air Cooler, por la torre de enfriamiento que se encarga de enfriar el agua del Circuito de Refrigeración del Horno, manteniendo ambos circuitos independientes. 3. Remplazar el Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración por una nueva torre de enfriamiento. 4. Remplazo de todos los ventiladores del Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración. La propuesta más adecuada resulta ser la número 2, en la cual se propone eliminar el Air Cooler y unir el sistema de tuberías con la torre de enfriamiento del Horno, pero de manera independiente (una zona de bombeo para cada circuito de refrigeración).

Palabras Clave: Circuito Cerrado de Refrigeración, Air Cooler, Torre de Enfriamiento. IV

DEDICATORIA

En honor a mi tutor industrial, ingeniero Pablo García, quien fue un gran apoyo y me dejó una gran enseñanza. Donde quiera que se encuentre siempre será bien recordado. Que descanse en paz y Dios lo tenga en su gloria.

A mi mamá, María Rodríguez Santos. Porque con tu esfuerzo y amor me impulsas a llegar más lejos cada día.

V

AGRADECIMIENTOS

A Dios Todopoderoso. Por permitirme llegar hasta aquí y vivir mi vida de la mejor manera que alguien hubiese podido desear. Gracias infinitas. A mi mamá, porque gracias a tu apoyo alcanzo nuevamente otra de mis metas en la vida. A mi hermano, Manuel A. Ciamariconi. Porque recordarme que hay muchos caminos por recorrer. Al profesor Carlos Moreno. Por la paciencia, el apoyo y toda la enseñanza. A Alfredo Vasquez y Jhonathan Sulbarán. Por acompañarme durante toda la carrera brindándome en todo momento su amistad incondicional e inolvidables momentos de distracción. A María G. Rubilar, por todo el cariño y los buenos momentos juntos. A David Gómez C. Por el apoyo y confianza durante nuestra época universitaria. A todo el staff y miembros de AVAA, por acompañarme a lo largo de mi carrera dejando al alance de mis manos todas las herramientas para ser un mejor ser humano y profesional. A Valerie Trujillo, Luis Villazana, Arnó Geyer, Rudygar Saez, Jorge Briceño, Javier Alejandro y todos los que me acompañaron en esta etapa de mi vida.

VI

ÍNDICE GENERAL

RESUMEN

IV

DEDICATORIA

V

AGRADECIMIENTOS

VI

ÍNDICE GENERAL

VIII

ÍNDICE DE TABLAS

XII

ÍNDICE DE FIGURAS

XV

LISTA DE SÍMBOLOS

XVII

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1 Planteamiento del problema..................................................................................... 2 Alcance del proyecto ............................................................................................... 3 Objetivo general ....................................................................................................... 3 Objetivos específicos ............................................................................................... 4 Justificación e importancia del trabajo .................................................................... 4 CAPÍTULO 1: ENTORNO EMPRESARIAL ................................................................ 7 1.1

Reseña histórica Planta Antímano ......................................................................... 7

1.2

Productos de Planta Antímano ............................................................................... 7

1.3

Misión y Visión SIDETUR S.A............................................................................. 8

1.4

Estructura Organizativa SIDETUR S.A. ............................................................... 8

CAPÍTULO 2: CIRCUITO CERRADO DE REFRIGERACIÓN ............................. 12 2.1

Situación actual .................................................................................................... 27

2.2

Mantenimiento y fallas comunes ......................................................................... 32 VIII

CAPÍTULO 3: PLANTEAMIENTO DE PROPUESTAS ........................................... 33 3.1

PROPUESTA 1: Unificación del Circuito Cerrado de Refrigeración con el

Circuito de Refrigeración del Horno ......................................................................................... 34 3.2

PROPUESTA 2: Sustitución del Air Cooler por la torre de enfriamiento del

Horno, manteniendo ambos circuitos de refrigeración independientes. ................................... 38 3.3

PROPUESTA 3: Remplazar el Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración

por una nueva Torre de Enfriamiento ........................................................................................ 42 3.4

PROPUESTA 4: Remplazo de todos los ventiladores del Air Cooler del Circuito

Cerrado de Refrigeración........................................................................................................... 43 3.5

Ventajas y Desventajas de cada propuesta........................................................... 45

3.6

Selección de propuesta más adecuada ................................................................. 47

CAPÍTULO 4: EVALUACIÓN TÉCNICA DE PROPUESTA SELECCIONADA . 28 4.1

Resumen ............................................................................................................... 28

4.2

Factibilidad Técnica ............................................................................................. 51

4.2.1

Análisis de Mecánica de Fluidos ...................................................................... 51

4.2.2

Análisis de Transferencia de Calor .................................................................. 53

4.2.3

Condiciones de trabajo de la Torre de Enfriamiento........................................ 62

4.2.3.1 Método de Evaluación 1: Balance energético ................................................. 64 4.2.3.2 Método de Evaluación 2: Expresión provista por el fabricante y estudio previo a la Torre de Enfriamiento. ........................................................................................................ 66 4.3

Cambios físicos al circuito actual ........................................................................ 69

4.4

Costos de Implementación ................................................................................... 73

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES............................................................. 75 Recomendaciones .......................................................................................................... 77 IX

REFERENCIAS ............................................................................................................... 79 APÉNDICES .................................................................................................................... 81 Apéndice A: Circuito Cerrado de Refrigeración. ........................................................... 861 A.1: Planos del Circuito Cerrado de Refrigeración.............................................................. 861 A.2: Plano de ubicación de equipos del Circuito Cerrado de Refrigeración. ......................... 86 A.3: Cama de Enfriamiento y Viga Refrigerada. ................................................................... 92 Apéndice B: Propuesta 1 – Unificación del Circuito Cerrado de Refrigeración con el Circuito de Refrigeración del Horno. ................................................................................. 95 B.1: Arreglo de tuberías y cambios al sistema actual. ........................................................... 95 B.2: Resultados de Pipe Flow Expert. .................................................................................... 98 B.3: Cálculos y resultados referentes a transferencia de calor. ............................................ 111 B.4: Cálculos y resultados referentes a Torre de Enfriamiento. ........................................... 117 B.5: Cotizaciones. ................................................................................................................ 120 Apéndice C: Propuesta 2 – Sustitución del Air Cooler por la Torre de Enfriamiento del Horno, manteniendo ambos circuitos independientes. ................................................... 125 C.1: Resultados de Pipe Flow Expert. .................................................................................. 125 C.2: Cálculos y resultados referentes a Torre de Enfriamiento. ........................................... 137 C.3: Cotizaciones ................................................................................................................. 139 Apéndice D: Propuesta 3 – Remplazar el Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración por una nueva Torre de Enfriamiento. .................................................... 144 D.1: Arreglo de tuberías y cambios al sistema actual. ......................................................... 144 D.2: Resultados de Pipe Flow Expert................................................................................... 151 D.3: Cálculos y resultados referentes a transferencia de calor. ............................................ 163 D.4: Cotizaciones. ................................................................................................................ 166 Apéndice E: Estudio de factibilidad del remplazo de todos los ventiladores del Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración. ............................................................... 172 E.1: Resultados de Pipe Flow Expert. .................................................................................. 172 E.2: Simulación de Air Cooler en HTRI para condiciones actuales .................................... 184 E.3: Simulación de Air Cooler en HTRI para condiciones propuestas ................................ 188

X

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1: Especificaciones del Air Cooler…….........................................................16 Tabla 2.2: Especificaciones de Bomba de la zona de bombeo……...............................17 Tabla 2.3: Equipos refrigerados por el Circuito Cerrado de Refrigeración……..............17 Tabla 2.4: Intercambiador de Calor A……………………………………………….…...19 Tabla 2.5: Intercambiador de Calor B……………………………………………….…...20 Tabla 2.6: Intercambiador de Calor C……………………………………………….…...20 Tabla 2.7: Calor disipado por intercambiador entre fluidos............……………….…...21 Tabla 2.8: Propiedades del Aceite..............................…………………………….…...21 Tabla 2.9: Caudales y flujos másicos actuales en los componentes del CCR..........…....22 Tabla 2.10: Temperaturas de salida de los fluidos según condiciones de diseño............23 Tabla 2.11: Temperatura mínima de la superficie de la viga refrigerada.......................24 Tabla 2.12: Valores utilizados en los cálculos...........................................................26 Tabla 2.13: Calor a retirar del sistema de canaletas dobles.............................................26 Tabla 2.14: Mediciones de Temperatura…….................................................................27 Tabla 2.15: Temperaturas de fluidos en los intercambiadores……................................31 Tabla 3.1: Calor promedio transferido al agua por cada componente.............................36 Tabla 3.2: Calor a extraer del sistema y capacidad de la torre de enfriamiento..............37 Tabla 3.3: Calor promedio transferido al agua por cada componente.............................40 Tabla 3.4: Calor a extraer del sistema y capacidad de la torre de enfriamiento..............40 Tabla 3.5: Resultados de la simulación del Air Cooler para condiciones dadas.............44 XII

Tabla 3.6: Resultados de los cálculos propios................................................................44 Tabla 3.7: Presentación de costos de las propuestas.......................................................45 Tabla 3.8: Ventajas de las Propuestas…….....................................................................46 Tabla 3.9: Desventajas de las Propuestas……................................................................46 Tabla 4.1: Especificaciones de la bomba de la propuesta 2..........................……..........51 Tabla 4.2: Intercambiador de Calor A…………………………………….....……........53 Tabla 4.3: Intercambiador de Calor B……....……………………………..……….......53 Tabla 4.4: Intercambiador de Calor C……....…………………………..………….......54 Tabla 4.5: Calor disipado por Intercambiador……........................................................55 Tabla 4.6: Propiedades del Aceite……..........................................................................55 Tabla 4.7: Pérdidas de Calor por Intercambiador al ambiente………..…….................56 Tabla 4.8: Temperaturas y Calor de Intercambiadores…………..……………..…........57 Tabla 4.9: Calor en Viga Refrigerada……………………………...………..…….........58 Tabla 4.10: Temperatura de Corrientes en Nodos (lado izquierdo del sistema)….........60 Tabla 4.11: Temperatura de Corrientes en Nodos (lado derecho del sistema)……...….61 Tabla 4.12: Temperatura de Corrientes en Nodos (llegada a Torre de Enfriamiento)….62 Tabla 4.13: Parámetros de Torre de Enfriamiento…………………………….…….......63 Tabla 4.14: Especificaciones de la Torre de Enfriamiento…………………….……......63 Tabla 4.15: Humedad relativa a la entrada y salida de la Torre de Enfriamiento……....65 Tabla 4.16: Flujo másico de aire para condiciones de trabajo especificadas....………....65 Tabla 4.17: Flujo másico de aire para condiciones de trabajo cercanas a la realidad…...66 Tabla 4.18: Calor que puede retirar la Torre de Enfriamiento……………………...…...67 Tabla 4.19: Calor a retirar caso con factor de seguridad elevado.……………………….68 XIII

Tabla 4.20: Calor a retirar caso más cercano a la realidad…………………..……..........68 Tabla 4.21: Costos de la propuesta seleccionada..............…………………..……..........74

XIV

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1: Organigrama de SIDETUR planta Antímano………………………….…9 Figura 2.1: Figura esquemática del proceso………………..…………………………10 Figura 2.2: Conjunto de Palanquillas…………………...…..………………...…....…10 Figura 2.3: Diagrama del Circuito Cerrado de Refrigeración de SIDETUR…………12 Figura 2.4: Distribución de tubos del Air Cooler………..……………………………14 Figura 2.5: Haz de tubos del Air Cooler ……………………………………..….……14 Figura 2.6: Isometría del Air Cooler realizada con AutoCAD®…….………..………15 Figura 2.7: Isometría del Air Cooler realizada con AutoCAD®…….………..………15 Figura 2.8: Sistema de canaletas dobles................................…….………..…...……24 Figura 2.9: Ubicación de ventiladores fuera de uso................…….………..….……28 Figura 2.10: Ventilador fuera de servicio por problemas con aspas......………..……29 Figura 2.11: Elevados niveles de ensuciamiento entre las aletas de los tubos....……29 Figura 2.12: Zona de bombeo y bombas......................................…….………......…30 Figura 3.1: Esquema del Circuito de Refrigeración del Horno.......…….………..….34 Figura 3.2: Esquema de la Propuesta 1.......................................…….………..….....35 Figura 3.3: Esquema de la Propuesta 2.......................................…….………..….....39 Figura 4.1: Montaje de nueva zona de bombeo.......................................…….……...49 Figura 4.2: Zona de bombeo actual.........................................................…….……...49 Figura 4.3: Lateral de la torre donde ubicar la nueva zona de bombeo....…….……...50 XV

Figura 4.4: Isometría de montaje de tuberías...........................................…….……...50 Figura 4.5: Modelo del Sistema de Tuberías en Pipe Flow®.................…….……....52 Figura 4.6: Balance de Energía en Torre de Enfriamiento.....................…….……....64 Figura 4.7: Tuberías a aislar...................................................................…….……....69 Figura 4.8: Montaje de tuberías de nueva zona de bombeo...................…….……....71 Figura 4.9: Dimensiones del segundo montaje de tuberías....................…….……....72 Figura 4.10: Lugar donde debería comenzar el segundo montaje de tuberías.……....72 Figura 4.11: Pared a atravesar por el segundo montaje de tuberías........…….……....73

XVI

LISTA DE SÍMBOLOS

α

Coeficiente de temperatura

[1/K]

A

Área

[m2]

Cp

Calor Específico

[J/kg*K]

Dcab

Diámetro de cabilla

[m]

Dsup

Diámetro de superficie

[m]

є

Emisividad

[-]

g

Aceleración de gravedad

[m/s2]

h

Entalpía

[kJ/kg]

k

Coeficiente de Conductividad Térmica

[W/m*K]

L0

Longitud inicial

[m]

Lf

Longitud final

[m]

̇

Flujo Másico

[kg/s]

σ

Constante de Stefan – Boltzmann

[W/m2*K4]

ρ

Densidad

[kg/m3]

P

Presión

[Pa]

Pr

Número de Prandtl

[-]

Qaceite

Calor referente al aceite

[W]

Qagua

Calor referente al agua

[W]

Qconvección

Calor por convección

[W]

XVII

Qradiación

Calor por radiación

[W]

Qtotal

Calor total

[W]

rcab

Radio de cabilla

[m]

rsup

Radio de superficie

[m]

Ra

Número de Rayleigh

[-]

Tcab

Temperatura de cabilla

[K]

Te

Temperatura de Entrada

[K]

Ts

Temperatura de Salida

[K]

Tsup

Temperatura de la superficie

[K]

ν

Viscosidad Cinemática

[m2/s]

XVIII

INTRODUCCIÓN

Los circuitos de refrigeración son sistemas diseñados para reducir la temperatura de uno o varios sistemas involucrados con el fin de generar mejoras en un proceso. Los más comunes trabajan con agua.

Siderúrgica del Turbio S.A. (SIDETUR), filial de Siderúrgica Venezolana S.A. (SIVENSA), es una empresa siderúrgica de amplia trayectoria y aceptación a nivel nacional e internacional, que tiene más de 60 años de experiencia en la manufactura y comercialización de productos de acero (1).

SIDETUR Planta Antímano, es la instalación más antigua del grupo empresarial SIVENSA, ubicada en la zona industrial de la Yaguara, Avenida Intercomunal de Antímano, Dtto. Capital. Es en ésta Planta donde se realizaría la primera colada de acero venezolano el 4 de noviembre de 1950 (1). Actualmente se encarga de la producción de cabillas y barras.

El tren continuo de laminación está relacionado con tres circuitos de refrigeración. Un circuito que se encarga de refrigerar los rodillos de laminación a medida que el material caliente pasa por ellos, un circuito para la refrigeración del horno y el Circuito Cerrado de Refrigeración que se encarga de Centrales de Lubricación, tijeras y la cama de enfriamiento. Este último será el caso de estudio ya que presenta una eficiencia por debajo de lo esperado, lo cual genera problemas en los componentes a refrigerar y podría afectar la producción.

El Circuito Cerrado de Refrigeración está conformado por un Air Cooler, una zona de bombeo y los equipos a ser refrigerados. Actualmente la temperatura a la que sale el agua del Air Cooler no es la indicada para el proceso productivo ya que está por encima de lo esperado. El

2

rango de enfriamiento provisto por el Air Cooler es de 2°C aproximadamente, muy por debajo de los 10°C necesarios. Es decir, el agua ingresa a 43°C y sale del equipo a 41°C. Lo esperado es una diferencia de 10°C como mínimo.

El Air Cooler está conformado por dos bahías de 119 tubos cada una y cuatro ventiladores. Se encarga de bajar la temperatura del agua que sirve como refrigerante para varios intercambiadores de calor que enfrían el aceite de las tijeras y de las centrales de lubricación a lo largo del tren continuo de laminación. A su vez esa agua sirve para refrigerar la cama de enfriamiento, ubicada al final del tren continuo de laminación y donde descansan las cabillas antes de ser cortadas por última vez. Las mismas llegan a una temperatura cercana a los 1000°C.

Al entrar el agua a esa temperatura a los equipos no se está logrando el intercambio de calor deseado, lo cual genera elevadas temperaturas en las Centrales de Lubricación, en las tijeras y en la cama de enfriamiento. Entre las consecuencias de esta situación se puede llegar incluso a una paralización de la producción en el tren continuo de laminación.



Planteamiento del problema

Se presenta un enfriamiento insuficiente por parte del Air Cooler, lo cual afecta la eficiencia en el Circuito Cerrado de Refrigeración y no se alcanzan las temperaturas óptimas en los equipos a enfriar.

Al tenerse una baja eficiencia en el Circuito Cerrado de Refrigeración, los equipos refrigerados por el mismo se encuentran operando en condiciones no adecuadas, es decir, a temperaturas por encima de las admitidas en su punto de operación. Lo cual podría acarrear problemas en la producción tanto a corto como a largo plazo.

3

El sistema de canaletas dobles es uno de los componentes refrigerados por este circuito. El mismo se encuentra ubicado en la cama de enfriamiento y es el encargado de depositar las cabillas en dicha zona. Es refrigerado por una viga de sección rectangular a través de la cual pasa el agua proveniente del Circuito Cerrado de Refrigeración. Esta viga refrigerada está compuesta por 7 secciones de 6 metros cada una. Un aumento considerable en la temperatura del sistema de canaletas dobles causaría una deformación en el mismo, lo que implicaría la inmediata paralización del tren continuo de laminación.



Alcance del proyecto

El presente proyecto tendrá como alcance la evaluación y diseño de una propuesta que permita optimizar el sistema de refrigeración de las canaletas dobles y demás equipos que son refrigerados actualmente por el Circuito Cerrado de Refrigeración.



Objetivo general

Generar y diseñar una propuesta que permita optimizar el circuito de refrigeración del sistema de canaletas dobles, tijeras Star Stop y demás componentes actualmente enfriados por el Circuito Cerrado de Refrigeración con el fin de aumentar su capacidad de enfriamiento actual.

4



Objetivos específicos

1. Conocer el funcionamiento, mantenimiento y fallas comunes de los componentes relacionados con el Circuito Cerrado de Refrigeración (Air Cooler, Bombas, Intercambiadores de Calor, Viga Refrigerada). 2. Planteamiento de propuestas para el mejoramiento del Circuito Cerrado de Refrigeración.

3. Estudio de factibilidad técnica de propuestas.

4. Elección de propuesta más adecuada.

5. Estudios de costos y diseño de propuesta preliminar seleccionada.



Justificación e importancia del trabajo

Si no se propone e implementa la mejora del circuito de refrigeración se tendrán muchas paradas del tren continuo de laminación, lo cual afectará directamente la producción.

-

Es de vital importancia contar con un sistema de enfriamiento funcional y

con la capacidad de manejar cambios en la producción, de lo contrario debería limitarse la misma a la capacidad de refrigeración actual. -

Es necesario evitar que exista una elongación mayor a los 10mm lineales

en cualquier sección de las canaletas dobles ya que esto implicaría una deformación al pasar la cabilla y un posterior choque o colapso entre ellas cuando

5

pase la siguiente. Ello implicaría la completa paralización del tren continuo de laminación. -

La recirculación de agua más caliente de lo esperado en el Circuito Cerrado

de Refrigeración disminuye la eficiencia de transferencia de calor en los intercambiadores de las Centrales de Lubricación. Esto a su vez afecta negativamente la temperatura de salida del aceite de dichos equipos. El aceite al tener una temperatura elevada varía las propiedades de viscosidad y lubricación, lo cual afectará a largo plazo las cajas reductoras en las cuales es empleado. -

Las altas temperaturas del ambiente alrededor de los equipos representan

condiciones inseguras de trabajo para los operadores, y por ello deben regularse con apoyo del sistema de enfriamiento. -

Al no retirar eficientemente el calor de la viga refrigerada, existe un

incremento en la temperatura de la zona adyacente, es decir, en la cama de enfriamiento, lo cual puede afectar equipos a largo plazo y perturbar el ambiente de trabajo del personal que se encuentre cerca.

CAPÍTULO 1 ENTORNO EMPRESARIAL

Siderúrgica del Turbio, S.A.; SIDETUR, es filial de Siderúrgica Venezolana S.A.; SIVENSA, la empresa pionera del sector siderúrgico nacional que desde su fundación en 1948, ha estado ligada al desarrollo de la actividad industrial nacional. SIDETUR representa la experiencia de más de 60 años en la manufactura y comercialización de productos de acero destinados a los mercados nacional e internacional

(1)

.

Los fundadores y primeros accionistas fueron los señores Carlos Morales y Oscar Augusto Machado, venezolanos, y los señores Miles Sherover, Robert Brinsmade y Warren Smith, extranjeros, provenientes de Europa. Con una gran visión, sintieron interés por la industria del acero como posible área de inversión, debido al hallazgo de importantes yacimientos de mineral de hierro en la región de Guayana y también por la cantidad de chatarra generada por las empresas petroleras. Calcularon las importantes ganancias que podrían lograrse con la fabricación de cabillas de acero obtenidas de esta chatarra. Una pequeña planta Siderúrgica alimentada por electricidad, sería la solución

(1)

.

1.1 Reseña histórica Planta Antímano

SIDETUR Planta Antímano, es la instalación más antigua del grupo empresarial SIVENSA, ubicada en la zona industrial de la Yaguara, avenida intercomunal de Antímano, Dtto. Capital, dedicada a superar con su excelencia siderúrgica las expectativas de sus clientes a

7

través del mejoramiento continuo de sus procesos y productos (1).

SIDETUR ha desarrollado su actividad exportadora en más de 25 países, cumpliendo con normas: ASTM, JIS, DIN, BSI, CSA, JS, INEM y NBR, las cuales respaldan la calidad y confiabilidad de sus productos (1).

En un principio SIDETUR Planta Antímano contaba con dos áreas: el área de la acería, donde se fundía la chatarra ferrosa y briquetas destinadas a la producción de lingotes de acero, y el área de laminación, en donde mediante un proceso de transformación plástica del acero, se elaboran los productos finales de la empresa para lograr satisfacer los mercados. Sin embargo, en 1998 debido a la inversión en la repotenciación y actualización del tren continuo de laminación y a la ampliación de la capacidad en la acería de Planta Barquisimeto, se produjo el cierre en las labores de Acería Planta Antímano, por lo que la misma queda dedicada exclusivamente al laminado de productos largos, esto con el fin de mejorar significativamente la competitividad de la empresa (1).

1.2 Productos de Planta Antímano

Cabillas: Barras de acero rectas de sección circular, con resaltes en su superficie regularmente espaciados con el fin de incrementar la adherencia con el concreto. Son utilizadas como acero de refuerzo en aplicaciones tales como concreto reforzado y mampostería estructural

(1)

. Las cabillas son fabricadas por laminación en caliente a partir de palanquillas y

tienen impreso sobre relieve una leyenda donde se muestra el símbolo del fabricante, el diámetro de la barra y la clasificación o grado del acero. Las cabillas de SIDETUR han sido probadas bajo las normas y condiciones más estrictas de uso como es la construcción de los túneles y estaciones del Metro de Caracas y Valencia, y las obras civiles del Ferrocarril de los Valles del Tuy (1).

8

Barras: Producto de acero laminado en caliente de sección cuadrada o circular, de acabado liso y uniforme, por lo cual no requiere mecanizado para mejorar su apariencia

(1)

.

Adicionalmente ofrece mayor soldabilidad y mejor resistencia al óxido. Son ampliamente utilizadas en la carpintería metálica y en la industria metalmecánica, en los cerramientos por seguridad, tales como rejas para puertas y ventanas, portones, en vigas de celosía y vigas de alma abierta (1).

1.3 Misión y Visión SIDETUR S.A.

Misión: SIDETUR es una empresa siderúrgica que persigue activamente la satisfacción de sus clientes mediante la manufactura, desarrollo y comercialización de sus productos, sustentada en la calidad de su recurso humano, la competitividad en costos, la innovación y el mejoramiento continuo de sus productos y procesos, con el fin de aumentar el valor de la empresa (1).

Visión: Ser líderes en nuestra área de influencia (1).

1.4 Estructura Organizativa SIDETUR S.A.

La organización mantiene una estructura piramidal descendente, funcional por unidades departamentales, donde define claramente la jerarquía y la autoridad (1).

A continuación se muestra el organigrama:

9

Figura 1.1: Organigrama de SIDETUR planta Antímano

CAPÍTULO 2 CIRCUITO CERRADO DE REFRIGERACIÓN

El Tren Continuo de Laminación de la Planta SIDETUR – Antímano se encarga de la fabricación de cabillas bajo altos estándares de calidad y el proceso de producción de manera resumida se desarrolla a continuación.

Ingresa al

Palanquilla

Horno de Recalentamiento

Pasa a

Corte a medida de despacho

Bastidores

Almacenamiento de producto

Figura 2.1: Figura esquemática del proceso

Las palanquillas son el material a deformar para la obtención de las cabillas. Son barras de sección cuadrada, de 6m metros de largo y 600kg de peso aproximadamente. Son traídas del interior del país (Barquisimeto, Edo. Lara) y están conformadas en un 75% por briquetas de hierro y un 25% por chatarra. En la figura 2.2 se puede observar una foto de un conjunto de palanquillas.

Figura 2.2: Conjunto de Palanquillas

11

La palanquilla entra al horno, de recalentamiento el cual se encuentra a 1300°C aproximadamente y sale a una temperatura cercana a los 1200°C. Apenas sale empieza el proceso de deformación, que la transformará en cabillas a la medida deseada.

A su paso por los castillos (bastidores) la palanquilla se va deformando plásticamente y disminuyendo su área transversal; lo que aumenta la velocidad de la línea. Todos los castillos impares tienen una caja de torsión que se encarga de rotar 90° el material sobre su eje, para lograr de esta manera una deformación más uniforme, evitar pérdidas de propiedades y puntos de fractura.

A partir del tipo de cabilla que se desea producir se designa un área de paso por los rodillos y la forma de la misma. Los primeros castillos van en pares compartiendo la misma caja reductora, pero no las mismas relaciones de transmisión. Éstos giran a una velocidad mucho más baja que los siguientes debido a que tienen que hacer un esfuerzo mayor por empezar a deformar el material.

Es de vital importancia la refrigeración de los rodillos deformadores, ya que se pueden producir graves daños en los mismos de no hacerlo (desgaste no uniforme, resquebrajamiento y agrietamiento del material). Estos rodillos son importados como cilindros lisos y en la empresa son torneados a la medida requerida. Tienen una vida útil de aproximadamente 100mm radiales.

Los últimos castillos son los encargados de darle las marcas de estrías y de identificación a las cabillas. Para las milimétricas se acostumbra la forma espina de pescado, mientras que para las medidas en pulgadas se estila la forma en cruz.

12

Todas las cabillas son cortadas a 36m y depositadas en la cama de enfriamiento. Luego serán cortadas a 6m para pasar al área de almacén y despacho. En la última parte del tren de laminación se encuentran dos sistemas recibidores de las cabillas, el sistema de canaletas dobles y los deslizadores, los cuales son los encargados de sacar el material de la línea de producción y colocarlos en la cama de enfriamiento. El uso de uno u otro dependerá de la medida de la cabilla que se esté produciendo en el momento; para medidas pequeñas se emplea el sistema de canaletas dobles (de importancia en el estudio ya que es refrigerado por el Circuito Cerrado de Refrigeración) y para medidas grandes se emplean los deslizadores.

El Circuito Cerrado de Refrigeración se encarga de enfriar varios componentes a lo largo de la línea de producción del tren continuo de laminación. El hecho de que sea cerrado implica que teóricamente no requiere de reposición de agua; en la realidad esto no es así, ya que existen pérdidas por diversos motivos (pequeñas fugas, evaporación, entre otras). Un diagrama del Circuito Cerrado de Refrigeración se puede observar en la figura 2.3.

Air Cooler

Circuito Cerrado de

Agua de Reposición

Refrigeración Zona de Bombeo

SIDETUR – Antímano

Equipos a ser Refrigerados (Intercambiadores de Calor de Centrales de Lubricación, tijeras y viga refrigerada)

Figura 2.3: Diagrama del Circuito Cerrado de Refrigeración de SIDETUR - Antímano

14

El Air Cooler es un equipo cuyas especificaciones se pueden apreciar en la tabla 2.1. Es el encargado de disminuir la temperatura del agua del circuito por medio de transferencia de calor con el aire

(2)

. Su funcionamiento es muy parecido al de un

radiador. Está compuesto por dos bahías idénticas de 119 tubos y 2 ventiladores cada una. En las figuras 2.4 y 2.5 se pueden apreciar fotografías del mismo, así como una isometría en las figuras 2.6 y 2.7. Para más figuras y detalles ver el apéndice A.1.

Figura 2.4: Distribución de tubos del Air Cooler

Figura 2.5: Haz de tubos del Air Cooler

15

Figura 2.6: Isometría del Air Cooler realizada con AutoCAD®

Figura 2.7: Isometría del Air Cooler realizada con AutoCAD®

16

Tabla 2.1: Especificaciones del Air Cooler Tipo Fabricante Modelo Año Número de Tubos

Air Cooler

Primera Hilera Segunda Hilera Número de pasos por hilera Diámetro de tubo (Pulgadas) Tipo de Aleta Diámetro de Aleta (Pulgadas) Espacio entre Aletas (Milímetros) Longitud de tubos (Metros) Arreglo de tubos Pitch (Pulgadas) Número de Ventiladores Potencia de Ventiladores (Hp) Tipo de Ventilación Diámetro punta a punta de Aspa (Pulgadas) Velocidad de Giro del Motor (rpm) Relación de Caja Reductora Número de Aspas Longitud de Aspa (cm) Área Total de Transf. De Calor por Bahía (m2)

Air Cooler The Marley Company 1973 59 60 2 1 (2,54cm) Circular Sencilla 2 (5,08cm) 3 11,8 Triangular 2,5 (6,35cm) 4 40 (29,83kW) Tiro Forzado 142 (3,61m) 1770 (185,4rad/s) 4,10/1 9 135 25010,0

La zona de bombeo se compone de tres bombas iguales, cuyas especificaciones se pueden observar en la tabla 2.2. Una de las bombas se encuentra siempre operativa, mientras que las otras dos son para caso de emergencia.

17

Tabla 2.2: Especificaciones de Bomba de la zona de bombeo Bomba

Tipo Marca Modelo Tamaño Caudal (GPM) Diámetro del Impulsor (Pulgadas) Potencia (Hp) Velocidad de giro (rpm) Presión de Descarga (bar) Altura (pies)

Simple etapa, doble succión Goulds 3410 4x6 - 15 1500 (0,0946 m3/s) 15,25 (38,74cm) 100 (74,6kW) 1780 (186,4rad/s) 6 (600kPa) 205 (62,48m)

Los equipos a refrigerar en el circuito se pueden apreciar en la tabla 2.3, donde también se comentan algunas de sus funciones.

Tabla 2.3: Equipos refrigerados por el Circuito Cerrado de Refrigeración UBICACIÓN Entre C-28 y C-29**

EQUIPO Central de Lubricación

Entre C-27 y C-26

Central de Lubricación

Entre C-25 y C-24

Tijera

Entre C-22 y C-21

Central de Lubricación

Entre C-20 y C-19

Central de Lubricación

Entre C-18 y C-17

Tijeras 27-1 y 27-2

FUNCIÓN Lubricar con aceite las cajas reductoras de los castillos 1 y 2 Lubricar con aceite las cajas reductoras de los castillos 3 y 4 Corta la punta inicial de la palanquilla al salir del castillo 4 Lubricar con aceite las cajas reductoras de los castillos 5, 6, 7 y 8 Lubricar con aceite las cajas reductoras de los castillos 9 y 10 Corta la punta inicial y final de las barras

OBSERVACIONES La refrigeración provista por el CCR* es por medio de un intercambiador de calor del tipo tubo y coraza La refrigeración provista por el CCR es por medio de un intercambiador de calor del tipo tubo y coraza

El CCR se encarga de refrigerar el freno y el aceite

18

UBICACIÓN Frente a C- 15

EQUIPO Central de Lubricación Doble

Entre C-14 y C-13

Tijeras 33-1 y 33-2

Entre C-13 y C-12

Central de Lubricación

Entre C-8 y C-9

Central de Lubricación Doble Central de Lubricación Viga Refrigerada

Entre C-5 y C-4 Entre C-4 y más allá de C-1 Frente a C-1 Al final del tren de laminación

Motores de la cama de enfriamiento Deslizadores

FUNCIÓN OBSERVACIONES Lubricar con aceite las La refrigeración provista cajas reductoras de los por el CCR es por medio castillos 11, 12, 13 y 14 de un intercambiador de calor del tipo tubo y coraza para cada central Trocear las barras que El CCR se encarga de vengan defectuosas entre refrigerar el freno y el otras funciones aceite Lubricación para las cajas La refrigeración provista reductoras de los motores por el CCR es por medio de la zona de alta de un intercambiador de velocidad calor del tipo tubo y DL-260 coraza Lubricar las tijeras 55-1, 55-2 y los CVIR-1 y CVIR-2 Lubricación Enfriar el sistema de Zona que mayor canaletas dobles transferencia de calor genera en el CCR Dar el movimiento a la Refrigeración de frenos cama y embragues por parte del CCR Encargados de mover las La refrigeración provista cabillas a la zona donde por el CCR es por medio serán flejadas de un intercambiador de calor del tipo tubo y coraza

*CCR: Circuito Cerrado de Refrigeración **En el Apéndice A.2 se puede apreciar un plano de la ubicación de los equipos comentados anteriormente. La notación “C” es referida a Columna.

19

Se tienen tres tipos de intercambiadores de calor en el Circuito Cerrado de Refrigeración, asociados cada uno con su respectiva bomba. Las especificaciones de los mismos se pueden observar en las tablas 2.4, 2.5 y 2.6. Además se les asigna una nomenclatura por letras para diferenciarlos más adelante.

Tabla 2.4: Intercambiador de Calor A Intercambiador de Calor A

Tipo de Intercambiador Marca Modelo Fluido que pasa por los tubos Fluido que pasa por la coraza Caudal de Aceite (m3/hr) Diámetro de entrada de Agua (pulgadas) Diámetro de entrada de Aceite (pulgadas) Energía disipada (kW) para Aceite a 50°C y Agua a 15°C Longitud de carcaza (mm) Número de pasos de los tubos Bomba para el Aceite Tipo de Bomba Diámetro de tubería de descarga (pulgadas) Potencia (Hp) Velocidad de Giro (rpm)

Tubo y Coraza Sesino MS 134 P1 Agua Aceite 1,8 – 6 1,5 (3,81cm) 1,5 (3,81cm) 19 – 23 480 2 Axial 2 (5,08) 5 (3,73kW) 1145 (119,9rad/s)

20

Tabla 2.5: Intercambiador de Calor B Intercambiador de Calor B

Tipo de Intercambiador Marca Modelo Fluido que pasa por los tubos Fluido que pasa por la coraza Caudal de Aceite (l/min) Diámetro de entrada de Agua (pulgadas) Diámetro de entrada de Aceite (pulgadas) Energía disipada (kW) para Aceite a 50°C y Agua a 15°C Longitud de carcaza (mm) Diámetro de carcaza (mm) Número de pasos de los tubos Bomba para el Aceite Tipo de Bomba Diámetro de tubería de descarga (pulgadas) Potencia (Hp) Velocidad de Giro (rpm)

Tubo y Coraza Sesino Agua Aceite 2 (5,08cm) 2 (5,08cm) 1000 228 2 Axial 3 (7,62cm) 10 (7,45kW) 880 (92,2rad/s)

Tabla 2.6: Intercambiador de Calor C Intercambiador de Calor C Tipo de Intercambiador Marca Modelo Fluido que pasa por los tubos Fluido que pasa por la coraza Caudal de Aceite (l/min) Diámetro de entrada de Agua (pulgadas) Diámetro de entrada de Aceite (pulgadas) Energía disipada (kW) para Aceite a 50°C y Agua a 15°C Longitud de carcaza (mm) Diámetro de carcaza (mm) Número de pasos de los tubos Bomba para el Aceite Tipo de Bomba Diámetro de tubería de descarga (pulgadas) Potencia (Hp) Velocidad de Giro (rpm)

Tubo y Coraza Sesino Agua Aceite 1 (2,54cm) 1.5 (3,81cm) 950 170 2 Axial 2 (5,08cm) 3 (3,73kW) 1710 (179,1rad/s)

21

En la tabla 2.7 se presenta el calor disipado por intercambiador de calor acorde a valores provistos por el fabricante para niveles medios de ensuciamiento. Los intercambiadores de calor son tubo y coraza con un pase por la coraza y dos por los tubos, donde el aceite pasa por la coraza y el agua pasa por los tubos.

Tabla 2.7: Calor disipado por intercambiador entre fluidos Calor disipado por los intercambiadores para Tac=50°C, Tag=30°C, Caudal Agua>100lt/min Calor (kW) Tipo de Intercambiador A 10 B 25 C 20

Se toman las propiedades de un aceite común mostradas en la tabla 2.8.

Tabla 2.8: Propiedades del Aceite (2) T (K) 310 320 330

Propiedades de Aceite común (Flujo másico 1.2kg/s) ρ (kg/m3) Cp (J/kg*K) k (W/m*K) ν *10-6 2 (m /s) 877,9 1951 288 0,145 871,8 1993 161 0,143 865,8 2035 96,6 0,141

Pr 3400 1965 1205

Con el uso de PipeFlow® Expert se determinaron los caudales actuales del sistema en cada punto. Los mismos se presentan en la tabla 2.9 junto con el respectivo.

flujo másico

22

Tabla 2.9: Caudales y flujos másicos actuales en los componentes del CCR. Ubicación CDL 1 CDL 2 Tijera 16 CDL 3 CDL 4-1 CDL 4-2 Tijera 27 CDL 5-1 CDL 5-2 Tijera 33 CDL 6 CDL 7-1 CDL 7-2 Deslizador 1 Deslizador 2

Intercambiador de Calor B B A B B A A A A A B C C A A

Caudal (lt/min) 198 (0,0033m3/s) 222 (0,0037m3/s) 216 (0,0036m3/s) 324 (0,0054m3/s) 168 (0,0028m3/s) 247 (0,0041m3/s) 235 (0,0039m3/s) 186 (0,0031m3/s) 156 (0,0026m3/s) 258 (0,0043m3/s) 126 (0,0021m3/s) 246 (0,0041m3/s) 66 (0,0011m3/s) 217 (0,0036m3/s) 217 (0,0036m3/s)

Flujo másico (kg/s) 3,3 3,7 3,6 5,4 2,8 4,1 3,9 3,1 2,6 4,3 2,1 4,1 1,1 3,6 3,6

Con el flujo másico y los valores de calor disipado por los intercambiadores es posible determinar la temperatura de salida del agua y del aceite para las siguientes condiciones: -

Temperatura del agua de entrada 303.15K.

-

Pérdidas de calor con los alrededores despreciables.

Por medio de las ecuaciones 2.1 y 2.2 se despeja la temperatura de salida del aceite y la temperatura de salida del agua respectivamente. Los resultados se muestran en la tabla 2.10.

̇

̇

(2.1)

(2.2)

23

Tabla 2.10: Temperaturas de salida de los fluidos según condiciones de diseño Intercambiadores de Calor de las Centrales de Lubricación, Tijeras y Deslizadores Ubicación Agua Aceite Flujo Ganancia Tipo de másico Térmica Te Ts Te Ts Intercambiador del en el (°C) (°C) (°C) (°C) agua agua (kg/s) (W) 30 32 46 36 3,3 25,000 CDL 1 – B (303,15K) (305,15K) (319.15K) (309,15K) 30 32 43 33 3,7 25,000 CDL 2 – B (303,15K) (305,15K) (316,15K) (306,15K) 30 31 63 59 3,6 10,000 Tijera 16 – A (303,15K) (304,15K) (336,15K) (332,15K) 30 31 50 40 5,4 25,000 CDL 3 – B (303,15K) (304,15K) (323,15K) (313,15K) 30 32 52 42 2,8 25,000 CDL 4-1 – B (303,15K) (305,15K) (325,15K) (315,15K) 30 32 52 48 4,1 10,000 CDL 4-2 – A (303,15K) (305,15K) (325,15K) (321,15K) 30 31 63 59 3,9 10,000 Tijera 27 – A (303,15K) (304,15K) (336,15K) (332,15K) 30 31 49 45 3,1 10,000 CDL 5-1 – A (303,15K) (304,15K) (320,15K) (318,15K) 30 31 52 48 2,6 10,000 CDL 5-2 – A (303,15K) (304,15K) (325,15K) (321,15K) 30 31 63 57 4,3 10,000 Tijera 33 – A (303,15K) (304,15K) (336,15K) (330,15K) 30 33 53 43 2,1 25,000 CDL 6 – B (303,15K) (306,15K) (326,15K) (316,15K) 30 32 41 33 4,1 20,000 CDL 7-1 – C (303,15K) (305,15K) (314,15K) (306,15K) 30 35 43 35 1,1 20,000 CDL 7-2 – C (303,15K) (308,15K) (316,15K) (308,15K) 30 31 41 37 3,6 10,000 Deslizador 1 – (303,15K) (304,15K) (314,15K) (310,15K) A 30 31 41 37 3,6 10,000 Deslizador 2 – (303,15K) (304,15K) (314,15K) (310,15K) A 244,063 Total Ganancia Térmica (kW)

24

Se puede notar que la temperatura de salida del agua promedio sería de 305,15K para estos equipos. En cuanto a la viga refrigerada, que es el componente que más calor retira, es necesario determinar la temperatura máxima de superficie antes de obtener una elongación de 10mm. La misma se obtiene de la ecuación 2.3. El resultado es mostrado en la tabla 2.11.









Lf L0Tf T0  L01   Tf  T0   

(2.3)

Tabla 2.11: Temperatura máxima de la superficie de la viga refrigerada (Tf) Lf (m) L0 (m) α (1/K) T0 (K) Tf (K)

A partir de ésta temperatura

6,01 6,00 8,31*10-6 300 500

máxima admisible en la viga refrigerada se

determina el calor necesario a retirar de la misma. En la figura 2.8 se muestra una isometría del sistema de canaletas dobles.

Agua de salida

Viga Refrigerada

Agua de entrada Canaletas dobles

Figura 2.8: Sistema de canaletas dobles

25

Las canaletas reciben las cabillas a una temperatura de 1000°C (1273,15K), por lo que el calor transferido a la viga refrigerada (a través de la cual fluye el agua para enfriar), está conformado por radiación y convección libre. Por medio de las ecuaciones 2.4 a la 2.9 se obtiene el valor del calor necesario a retirar.

Qtotal  Qrad  Qconv

(2.4)

 A   Tcab  Tsup  4

Qrad 

1  cab

Qconv 



4



1   sup  rcab

    sup  rsup 

2 3.14 6m keff

 Dsup  ln   Dcab 



 Tcab  Tsup

(2.5)

 (2.6)

1 4

Pr

1

  F  Ra keff  0.386k     cyl L 0.861  Pr  

RaL 





g   Tcab  Tsup  Lc 2





4

(2.7)

3

 Pr

(2.8)

26

Fcyl 

  rsup    ln    rcab  

4

3  3   3 5 5  Lc   Dcab  Dsup  

5

(2.9)

En la tabla 2.12 se muestran los valores de las variables utilizadas en los cálculos. Finalmente, el calor a retirar del sistema de canaletas dobles se presenta en la tabla 2.13.

Tabla 2.12: Valores utilizados en los cálculos εcab εsup rcab (pulgadas) rsup (pulgadas) Tcab (°C) Tsup (°C)

0,61 0,65 0,50 (0,0127m) 1,00 (0,0254m) 1000 (1273,15K) 70 (343,15K)

Tabla 2.13: Calor a retirar del sistema de canaletas dobles Calor por sección (kW) Calor Total (kW)

41,064 574,896

Para esta carga calórica y el flujo másico actual del sistema (0,0946m3/s), se obtiene una temperatura de salida del agua de la viga refrigerada de 41°C (314,15K). Acorde a esto, y los resultados de la temperatura de salida del agua de la tabla 2.10, se tomará como caso desfavorable que el agua debería llegar al Air Cooler a una temperatura de 40°C (314,15K). Por lo que mediante la ecuación 2.2 es posible

27

determinar la cantidad de calor que debe retirar el Air Cooler para que la corriente de agua disminuya a 30°C (303,15K), la cual es la temperatura a la cual ingresa a los equipos. El calor que debe ser retirado del agua por el Air Cooler para un buen enfriamiento e intercambio de calor en los componentes del Circuito Cerrado de Refrigeración es 3.935,36kW.

2.1 Situación actual

Se tomaron tres mediciones de temperatura en diversos puntos para determinar el funcionamiento actual del Air Cooler. Las mismas se muestran en la tabla 2.14.

Tabla 2.14: Mediciones de Temperatura Fecha - Hora TBS (°C) TBH (°C) Puntos de Medición Bomba del Circuito Cerrado de Refrigeración Air Cooler Tuberías de refrigeración de las canaletas dobles

8/3/2012 – 9:40am 26 (299,15K) 21 (294,15K) Temp. de Temp. de Entrada Salida (°C) (°C) 41 41 (314,15K) (314,15K) 43 41 (316,15K) (314,15K) 41 43 (314,15K) (316,15K)

15/3/2012 – 9:30am 25 (298,15K) 21 (294,15K) Temp. de Temp. de Entrada Salida (°C) (°C) 41 41 (314,15K) (314,15K) 42 41 (315,15K) (314,15K) 40 42 (313,15K) (315,15K)

5/4/2012 – 10:00am 25 (298,15K) 21 (294,15K) Temp. de Temp. de Entrada Salida (°C) (°C) 41 41 (314,15K) (314,15K) 43 41 (316,15K) (314,15K) 41 43 (314,15K) (316,15K)

Es de notar que el Air Cooler no disminuye la temperatura como debería esperarse, es decir, a los 30°C (301,15K) que se comentaron en la sección anterior.

28

Se tomó la temperatura a la entrada y salida de las tuberías de refrigeración de las canaletas dobles dado que éstas conforman el componente que más calor generan en el Circuito Cerrado de Refrigeración.

Uno de los motivos por el cual existe poca eficiencia en la disminución de la temperatura se debe a que por el momento sólo se encuentran operativos dos de los cuatro ventiladores del enfriador de agua, ya que los otros dos presentan fallas mecánicas y están inutilizables. Esto implica que el equipo está funcionando a la mitad de su capacidad. En la figura 2.9 se muestra la ubicación de los ventiladores que se encuentran fuera de uso.

Figura 2.9: Ubicación de ventiladores fuera de uso

Lamentablemente no se puede verificar el estado interno de los tubos que conforman los haces. Probablemente se encuentren obstrucciones e incrustaciones internas dado que no han recibido limpieza o remplazo. En las figuras 2.10, 2.11 y 2.12 se pueden apreciar algunas fotografías del estado actual.

29

Figura 2.10: Ventilador fuera de servicio por problemas con aspas

Figura 2.11: Elevados niveles de ensuciamiento entre las aletas de los tubos

30

Figura 2.12: Zona de bombeo y bombas

La bomba se encuentra operativa pero fuera de su punto de operación. Está diseñada para trabajar hasta los 1400GPM (0,0883m3/s), según su curva de funcionamiento; y se encuentra operando a los 1500GPM (0,0946m3/s). Esto fue verificado con la ayuda Pipe Flow® Expert. Esta situación se presenta debido a que se han realizado cambios en el sistema de tuberías del Circuito Cerrado de Refrigeración con el pasar de los años pero se ha mantenido la misma bomba. Los cambios realizados más importantes han sido:

-

Supresión de la zona de compresores, lo que implico el cierre de las tuberías que se dirigían a refrigerar esa zona.

-

Supresión de una parte de la línea de rodillos que también era refrigerada.

-

Supresión de la refrigeración de un lateral del Horno.

-

Ampliación en un tercio de la longitud de la cama de enfriamiento (actualmente de 36 metros).

31

A su vez, se tomaron las temperaturas de entrada y salida, del agua y del aceite, de cada uno de los intercambiadores de calor de las centrales de lubricación y de los deslizadores. Las mismas pueden observarse en la tabla 2.15.

Tabla 2.15: Temperaturas de fluidos en los intercambiadores Ubicación

CDL 1 CDL 2 Tijera 16 CDL 3 CDL 4-1 CDL 4-2 Tijera 27 CDL 5-1 CDL 5-2 Tijera 33 CDL 6 CDL 7-1 CDL 7-2 Deslizador 1 Deslizador 2

Flujo Másico (kg/s) 4,99 5,14 2,68 6,07 2,13 5,35 2,58 2,33 2,14 1,61 5,09 2,50 3,66 3,82 4,14

Te (°C)

Agua

Ts (°C)

Te (°C)

39 (312,15K) 43 (316,15K) 41 (314,15K) 40 (313,15K) 47 (320,15K) 46 (319,15K) 41 (314,15K) 41 (314,15K) 41 (314,15K) 41 (314,15K) -

41 (314,15K) 43 (316,15K) 42 (315,15K) 41 (314,15K) 47 (320,15K) 48 (321,15K) 42 (315,15K) 41 (314,15K) 42 (315,15K) 42 (315,15K) -

37 (310,15K) 37 (310,15K) 37 (310,15K) 37 (310,15K)

38 (311,15K) 38 (311,15K) 38 (311,15K) 38 (311,15K)

46 (319,15K) 43 (316,15K) 63 (336,15K) 50 (323,15K) 52 (325,15K) 52 (325,15K) 63 (336,15K) 49 (322,15K) 52 (325,15K) 63 (336,15K) 53 (326,15K) 41 (314,15K) 43 (316,15K) 41 (314,15K) 41 (314,15K)

Aceite Ts (°C) 44 (317,15K) 43 (316,15K) 59 (332,15K) 49 (322,15K) 52 (325,15K) 51 (324,15K) 59 (332,15K) 49 (322,15K) 51 (324,15K) 59 (332,15K) 53 (326,15K) 40 (313,15K) 42 (315,15K) 40 (313,15K) 40 (313,15K)

P (kPa)

Observaciones

290 310

Q=0

400 140 150 150

Q=0 (CDL Doble)

400 140 100

Q=0 (CDL Doble)

400 340 350 350 200 180

Sin Intercambiador (CDL Doble)

32

2.2 Mantenimiento y fallas comunes

El plan de mantenimiento es más correctivo que preventivo. Existe un monitoreo constante de las temperaturas del sistema de canaletas dobles, así como un monitoreo semanal de las temperaturas y presiones de las centrales de lubricación.

El mantenimiento que se le da al Air Cooler es una limpieza externa a la estructura y a los haces de tubos con hidrojet, previniendo de esta manera acumulación de residuos y polvo que puedan interferir con la transferencia de calor del equipo. Este mantenimiento se realiza de manera semanal durante el fin de semana.

También se engrasan los acoples y las partes mecánicas rotativas que así lo requieran de los ventiladores y de la bomba. A las cajas reductoras se les cambia el aceite cuando corresponda y verifica el estado de los engranajes.

Entre las fallas comunes que presenta el Circuito Cerrado de Refrigeración se encuentran las referentes a la bomba y los ventiladores que conforman el Air Cooler. En cuanto a las bombas las fallas que más se presentas son desgastes de sellos y piezas rotativas que llegan al final de su vida útil, posibles fallas eléctricas en los motores. Entre las fallas comunes en los ventiladores se pueden comentar desbalances en el eje, los cuales llevan a roces de las aspas con las corazas protectoras. Problemas con los motores eléctricos.

CAPÍTULO 3 PLANTEAMIENTO DE PROPUESTAS

Luego de la generación de ideas se decidió estudiar la factibilidad de las siguientes propuestas:

1. Unificación del Circuito Cerrado de Refrigeración con el Circuito de Refrigeración del Horno.

2. Sustitución del componente de enfriamiento del Circuito Cerrado de Refrigeración, Air Cooler, por la torre de enfriamiento que se encarga de enfriar el agua del Circuito de Refrigeración del Horno, manteniendo ambos circuitos independientes. Es decir, la torre actual del circuito del horno para ambos.

3. Remplazar el Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración por una nueva torre de enfriamiento.

4. Remplazo de todos los ventiladores del Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración.

34

3.1 PROPUESTA 1: Unificación del Circuito Cerrado de Refrigeración con el Circuito de Refrigeración del Horno

La propuesta consiste en unir ambos sistemas de refrigeración, el Circuito Cerrado de Refrigeración y el Circuito de Refrigeración del Horno, eliminando el Air Cooler y enfriando el agua por medio de la torre de enfriamiento del horno. Aprovechando dicha torre de una mejor manera. Se espera que con ésta modificación se logre la óptima refrigeración de los equipos que conforman el Circuito Cerrado de Refrigeración. En la figura 3.1 se muestra un esquema del Circuito de Refrigeración del Horno, luego en la figura 3.2 se muestra un esquema de la propuesta.

Circuito 1 Circuito 2

Horno de Recalentamiento

Torre de Enfriamiento

Zona de Bombeo

Figura 3.1: Esquema del Circuito de Refrigeración del Horno

En el esquema de la propuesta que se muestra a continuación, la línea punteada indica que ese sistema de tuberías debe ser cerrado.

35

Circuito 1 Circuito 2

T=309,15K

Torre de Enfriamiento

T=303,15K

Horno de Recalentamiento

Zona de Bombeo

Equipos a ser Refrigerados (Intercambiadores de Calor de Centrales de Lubricación, tijeras y viga refrigerada)

Air Cooler

T=303,15K

Zona de Bombeo

Figura 3.2: Esquema de la Propuesta 1

Para esto se plantea remplazar la actual tubería de suministro del Circuito de Refrigeración del Horno Número 2 por una tubería de 8 pulgadas (la tubería anterior a ésta, proveniente del Circuito de Refrigeración del Horno Número 1 es de dicho diámetro); y, remplazar un tramo de tubería del actual Circuito Cerrado de Refrigeración de 6 pulgadas por una de 8 pulgadas (desde donde se encuentra la Central de Lubricación de la caja reductora del primer castillo hasta donde se consigue un cambio de sección en la tubería a 8 pulgadas, cerca de la tijera 16). En el Apéndice B.1 se pueden apreciar las isometrías respectivas a estos cambios.

36

Además es necesario retirar o cerrar las tuberías de entrada a la zona de laminación del Circuito Cerrado de Refrigeración, las cuales se encuentran entre las columnas 23 y 24. Estas tuberías son las que comunican el Air Cooler con el sistema de tuberías de los equipos a enfriar.

Una vez propuesto este sistema de tuberías se realizó el análisis de fluidos utilizando como herramienta el programa PipeFlow® Expert, con la finalidad de obtener un caudal estimado para todos los puntos del sistema. Con estos datos se puede conocer la altura y caudal que debe manejar la nueva bomba del sistema. En el Apéndice B.2 se pueden apreciar los resultados de la simulación.

Luego se calculó el calor promedio que genera cada componente y junto con el calor que se retira actualmente del Circuito de Refrigeración del Horno se obtuvo el calor total necesario a extraer del sistema propuesto. En la tabla 3.1 se muestran los resultados.

Tabla 3.1: Calor promedio transferido al agua por cada componente Componente CDL 1 – B CDL 2 – B Tijera 16 – A CDL 3 – B CDL 4-1 – B CDL 4-2 – A Tijera 27 – A CDL 5-1 – A CDL 5-2 – A Tijera 33 – A CDL 6 – B CDL 7-1 – C CDL 7-2 – C

Flujo másico (kg/s) 3,28 3,30 1,63 3,64 3,30 1,12 1,54 1,28 1,39 0,96 3,04 1,46 1,99

Calor transferido al agua (kW) 24,914 24,961 9,906 24,906 24,890 9,955 9,910 9,962 9,952 9,910 24,882 19,977 19,968

Porcentaje respecto a Calor Total (%) 1,6 1,6 0,6 1,6 1,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 1,6 1,3 1,3

37

Componente

Flujo másico (kg/s) Deslizadores 4,28 Viga Refrigerada 16,69 Horno 55,6 Calor Total (kW)

Calor transferido al agua (kW) 19,970 574,896 738,160 1.557,119

Porcentaje respecto a Calor Total (%) 1,3 36,9 47,4 100

El calor necesario a extraer del sistema fue comparado con el calor que puede extraer la torre de enfriamiento del Circuito de Refrigeración del Horno, demostrando que la misma se encuentra en capacidad de retirarlo. Es de notar que el calor a extraer del sistema se determinó para una temperatura de llegada a la torre de enfriamiento de 36°C (309,15K), la cual fue determinada mediante balances de energía que pueden apreciarse en el capítulo siguiente. En la tabla 3.2 se pueden observar los resultados resumidos.

Tabla 3.2: Calor a extraer del sistema y capacidad de la torre de enfriamiento Flujo másico (kg/s) Temperatura de entrada a la torre (K) Temperatura de salida de la torre (K) Calor a extraer del sistema (MW) Capacidad calórica máxima de la torre (MW)

107,1 309,15 303,15 2,686 5,000

Se llega a la conclusión de que de llevar a cabo la unificación de los circuitos de refrigeración y realizar los cambios propuestos, la torre de enfriamiento estaría en capacidad de retirar la carga calorífica siempre y cuando el ventilador se encuentre generando el flujo de aire solicitado. Esto implica una velocidad de salida del aire de como mínimo 5m/s y como máximo 8m/s. En el Apéndice B.4 se pueden observar los resultados y cálculos realizados en cuanto a la torre de enfriamiento y el flujo de aire.

38

Esta propuesta de unificación de los circuitos de refrigeración presenta la gran desventaja de tener que realizar cambios al sistema de tuberías del Horno. Este es uno de los componentes más importantes, por no decir el más importante, de la Planta de Laminación, por tanto mientras menores sean los cambios que se realicen a los sistemas que lo componen se reducen los costos, tiempo de parada y posibles daños colaterales.

Al realizar el estudio económico, se determinó que el costo de esta propuesta es BsF.: 1.686.845,00 y se desconoce el tiempo de implementación dado que no fue informado por la contratista. En el Apéndice B.5 se presentan los detalles.

3.2

PROPUESTA 2: Sustitución del Air Cooler por la torre de enfriamiento del

Horno, manteniendo ambos circuitos de refrigeración independientes.

Consiste en la supresión de la zona de bombeo y enfriamiento del Circuito Cerrado de Refrigeración y la consecuente unión del sistema de tuberías con la torre de enfriamiento del Horno.

Para esta propuesta se plantea la unión de ambos sistemas por medio de una tubería de 8 pulgadas y el diseño de una zona de bombeo en un lateral de la torre de enfriamiento del Horno. En la figura 3.3 se muestra una figura esquemática de la modificación, donde las líneas punteadas indican las tuberías que han de cerrarse.

Se realizó en un primer momento el análisis de fluidos del sistema propuesto nuevamente con la herramienta Pipe Flow® Expert, donde se obtuvo un caudal estimado para el funcionamiento del mismo.

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Circuito 1 Circuito 2

T=307,15K

Torre de Enfriamiento

T=303,15K

Horno de Recalentamiento

Zona de Bombeo 1 Zona de Bombeo 2

Equipos a ser Refrigerados (Intercambiadores de Calor de Centrales de Lubricación, tijeras y viga refrigerada)

Air Cooler

T=303,15K

Zona de Bombeo

Figura 3.3: Esquema de la Propuesta 2

En la tabla 3.3 se presentan los valores de calor a extraer del sistema, donde sólo varía el flujo másico con respecto a la tabla 3.1.

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Tabla 3.3: Calor promedio transferido al agua por cada componente Componente

Flujo másico (kg/s) CDL 1 – B 4.32 CDL 2 – B 4.09 Tijera 16 – A 2.13 CDL 3 – B 4.84 CDL 4-1 – B 4.31 CDL 4-2 – A 1.63 Tijera 27 – A 2.06 CDL 5-1 – A 1.71 CDL 5-2 – A 1.86 Tijera 33 – A 1.29 CDL 6 – B 4.06 CDL 7-1 – C 1.99 CDL 7-2 – C 2.85 Deslizadores 6.00 Viga Refrigerada 16,69 Horno 55,6 Calor Total (kW)

Calor transferido al agua (kW) 24,914 24,961 9,906 24,906 24,890 9,955 9,910 9,962 9,952 9,910 24,882 19,977 19,968 19,970 574,896 738,160 1.557,119

Porcentaje respecto a Calor Total (%) 1,6 1,6 0,6 1,6 1,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 1,6 1,3 1,3 1,3 36,9 47,4 100

El calor necesario a extraer del sistema fue comparado con el calor que puede extraer la torre de enfriamiento del Circuito de Refrigeración del Horno, demostrando que la misma se encuentra en capacidad de retirarlo. Es de notar que el calor a extraer del sistema se determinó para una temperatura de llegada a la torre de enfriamiento de 34°C (307,15K), la cual fue determinada mediante balances de energía que pueden apreciarse en el capítulo siguiente. En la tabla 3.4 se pueden observar los resultados resumidos.

41

Tabla 3.4: Calor a extraer del sistema y capacidad de la torre de enfriamiento Flujo másico (kg/s) Temperatura de entrada a la torre (K) Temperatura de salida de la torre (K) Calor a extraer del sistema (MW) Capacidad calórica máxima de la torre (MW)

124,6 307,15 303,15 2,073 5,000

Se llega a la conclusión de que de llevar a cabo la propuesta, la torre de enfriamiento estaría en capacidad de retirar la carga calorífica siempre y cuando el ventilador se encuentre generando el flujo de aire solicitado. Esto implica una velocidad de salida del aire de como mínimo 4m/s y como máximo 9,5m/s. En el Apéndice C.2 se pueden observar los resultados y cálculos realizados en cuanto a la torre de enfriamiento y el flujo de aire.

Esta propuesta presenta la gran ventaja de que el montaje de tuberías es de menor cantidad que la anterior ya que se pueden usar tuberías que aún se encuentran en buen estado y están ubicadas en los sitios requeridos para llevar a cabo la propuesta.

Al realizar el estudio económico, se determinó que el costo de esta propuesta es BsF.: 1.238.372,00 y se desconoce el tiempo de implementación dado que no fue informado por la contratista.

42

3.3 PROPUESTA 3: Remplazar el Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración por una nueva Torre de Enfriamiento

Para esta propuesta se plantea retirar la estructura del Air Cooler y en su lugar construir un tanque de concreto con la respectiva nueva torre de enfriamiento.

Se analizó la propuesta para una nueva zona de bombeo, lo que implica que la primera debe ser eliminada. Esto debido a dos motivos: que la bomba se encuentra fuera de su punto de operación y además se necesita una bomba con otras especificaciones para la extracción del agua de un tanque.

Se hizo uso del programa Pipe Flow® Expert para el estudio de mecánica de fluidos en el sistema de tuberías. El calor generado por cada componente es el mismo que se presenta en las tablas 3.1 y 3.3.

Con ese calor se determinó de manera aproximada la temperatura de retorno del agua a la torre, la cual da como resultado 34°C (307,15K). Esto se obtuvo considerando que el agua sale de la torre de enfriamiento a los equipos a una temperatura de 30°C.

Con estos valores y los respectivos factores de seguridad se pudo determinar la torre necesaria para cubrir los requerimientos del sistema. En cuanto a costos, ésta propuesta representa una inversión aproximada de BsF.: 1.558.466,00. En el Apéndice D se puede observar todo lo referente a esta propuesta, incluyendo algunas cotizaciones.

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3.4 PROPUESTA 4: Remplazo de todos los ventiladores del Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración

En esta propuesta no se plantean cambios al sistema actual, sino únicamente el remplazo de los cuatro ventiladores.

Se realizó en un primer momento el análisis de fluidos del sistema propuesto con el software Pipe Flow® Expert.

En el análisis de transferencia de calor, se calculó la temperatura a la cual llegará el agua al Air Cooler, para determinar si el mismo se encuentra en capacidad de retirar la carga calorífica del sistema una vez remplazados los ventiladores.

Utilizando el software HTRI Xchanger® Suite 5.0, se simuló el comportamiento del Air Cooler bajo las siguientes suposiciones:

-

Temperatura de salida del Aire: 27°C (300,15K).

-

Velocidad del Aire a la salida de los Ventiladores: 4 m/s.

-

Temperatura de Entrada del Agua: 40°C (313,15K).

-

Temperatura de Salida del Agua: 30°C (303,15K).

-

Flujo másico del agua: 94,6kg/s.

-

Flujo másico del aire: 78 kg/s.

-

Niveles elevados de ensuciamiento, interno y externo.

44

Dado que el Air Cooler está conformado por dos bahías idénticas, cada una con dos ventiladores y el mismo caudal (se encuentran en paralelo), se evaluará una sola de las bahías, lo que equivale a la mitad del Air Cooler, por donde pasa la mitad del caudal. En la tabla 3.5 se pueden observar los resultados.

Tabla 3.5: Resultados de la simulación del Air Cooler para condiciones dadas Coef. Global de Transf. De Calor Actual (W/m2K) Coef. Global de Transf. De Calor Requerido (W/m2K) Calor que puede retirar el equipo (kW) Calor a extraer del sistema (kW)

1,172 5,046 955 1,830

De los resultados se puede comentar que el Air Cooler no es capaz de retirar la carga calorífica del sistema. Esto debido a factores que no son necesariamente los niveles de ensuciamiento actuales, ni la situación de los ventiladores, sino la capacidad para la cual fue diseñado no cubre el requerimiento actual.

Es de notar que los resultados generados por el programa fueron comparados con cálculos propios2, corroborando que el equipo no se encuentra en capacidad de retirar dicho calor. Se realizó el estudio como si se tratara de un banco de tubos, obteniéndose los resultados que se muestran en la tabla 3.6.

Tabla 3.6: Resultados de los cálculos propios Coef. Global de Transf. De Calor Actual (W/m2K) Calor que puede retirar el equipo (kW)

1,32 858

45

La capacidad volumétrica del Air Cooler se encuentra excedida para este caso. El porcentaje de exceso es de 76,8%. Esto quiere decir que el caudal de agua que se maneja actualmente y que se mantuvo al evaluar esta propuesta, está 76,8% por encima del límite permitido para el buen funcionamiento del equipo.

Se realizó un estudio para determinar el flujo másico adecuado en el cual debería trabajar el equipo, arrojando como resultado 21,9kg/s. Un flujo másico realmente menor e insuficiente para retirar la carga calorífica total del sistema.

Según los resultados, esta propuesta no puede ser considerada como tal ya que no es factible técnicamente, a pesar de ello se deja como un estudio de factibilidad y en el Apéndice E se pueden ver los cálculos y resultados referentes a la misma.

3.5 Ventajas y Desventajas de cada propuesta

En la tabla 3.7 se muestran

los costos de las tres propuestas factibles

técnicamente, mientras que en las tablas 3.8 y 3.9 se pueden apreciar las ventajas y desventajas de las mismas.

Tabla 3.7: Presentación de costos de las propuestas

Costos (BsF.)

Propuesta 1

Propuesta 2

Propuesta 3

1.686.845,00

1.238.372,00

1.758.466,00

46

Tabla 3.8: Ventajas de las Propuestas Propuesta 1 Se mantiene la misma línea de tuberías, es decir, no es necesario definir nuevas zonas por donde pasen tuberías. Se mantiene una zona de bombeo para la torre de enfriamiento. Esto es una ventaja en cuanto a consumo eléctrico y mantenimiento. Máximo aprovechamiento de la torre de enfriamiento del Horno.

Ventajas Propuesta 2

Propuesta 3

Menos costosa que las otras Sistema de Refrigeración propuestas. independiente de la torre de enfriamiento del Horno. Máximo aprovechamiento de la Requiere mucho menos torre de enfriamiento del Horno. montaje de metros lineales de tubería que las otras propuestas (11m). La corriente de retorno va disminuyendo su temperatura a medida que regresa a la torre debido al arreglo de tuberías. Tabla 3.9: Desventajas de las Propuestas

Propuesta 1

Desventajas Propuesta 2

Propuesta 3

Mayor cantidad de metros Requiere de limpieza de Requiere del desmontaje lineales de tubería a ser tuberías aéreas que llevan del Air Cooler, lo que montados. años fuera de servicio. implica una inversión y tiempo considerables. Montaje de nueva zona de Es la propuesta más Modificación de tuberías bombeo en un lateral de la costosa. del Circuito de torre de Enfriamiento, lo que Refrigeración del Horno. implica mayor consumo eléctrico y en mantenimiento. Requiere un tiempo de trabajo mayor al de las otras propuestas. La unificación de los sistemas no permite su control por separado, ya que la refrigeración del horno debe ser continua.

47

3.6 Selección de propuesta más adecuada

Luego de estudiar las ventajas y desventajas de cada propuesta, incluyendo los costos estimados, se llega a la conclusión de que la propuesta más adecuada para el problema planteado, es la Propuesta 2: Sustitución del componente de enfriamiento del Circuito Cerrado de Refrigeración, Air Cooler, por la torre de enfriamiento que se encarga de enfriar el agua del Circuito de Refrigeración del Horno. La cual será desarrollada a detalle en el capítulo siguiente.

Es muy importante tener todos los materiales, equipos y repuestos en planta antes de empezar a ejecutar los cambios para la propuesta. .

CAPÍTULO 4 EVALUACIÓN TÉCNICA DE LA PROPUESTA SELECCIONADA

4.1 Resumen

La propuesta consiste en utilizar la torre de enfriamiento del Circuito de Refrigeración del horno para refrigerar los componentes del actual Circuito Cerrado de Refrigeración (Figura 3.3). Para ello se proponen ciertos cambios en el sistema de tuberías actual:

-

Cierre de tuberías que conectan con la zona de bombeo y el Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración.

-

Montaje de una nueva zona de bombeo en un lateral de la torre de enfriamiento. En la figura 4.1 se muestra una imagen del montaje.

-

Sustitución de bombas de agua de la torre de enfriamiento (las que envían agua a la parte alta de la torre para distribuirla por los aspersores).

-

Montaje de tuberías para unión de sistemas.

En la figura 4.4 se puede observar el arreglo de tuberías propuesto.

49

Zona de Bombeo adicional

Torre de

Zona de Bombeo Actual

Enfriamiento

Figura 4.1: Montaje de nueva zona de bombeo.

La torre de enfriamiento descarga el fluido enfriado en dos tanques concreto, los cuales están conectados bajo el suelo. Los tanques se encuentran a cada lateral de la torre.

En uno de esos laterales está ubicada la zona de bombeo del Circuito de Refrigeración del Horno, en la figura 4.2 se puede ver una foto de la misma. Se propone montar una nueva zona de bombeo en el otro lateral de la torre manteniendo la otra sin modificación.

Figura 4.2: Zona de bombeo actual

50

En la figura 4.3 se muestra el lateral libre de la torre de enfriamiento.

Figura 4.3: Lateral de la torre donde ubicar la nueva zona de bombeo

Figura 4.4: Isometría de montaje de tuberías

51

4.2 Factibilidad Técnica

Para evaluar la factibilidad técnica de la propuesta se realizaron varios análisis. Uno de ellos es el de mecánica de fluidos, para evaluar así las condiciones del fluido (caudal, flujo másico, presión, entre otras) en cada punto del sistema de tuberías propuesto. Luego se hace un análisis de transferencia de calor para conocer las temperaturas de salida del agua de los equipos y más adelante, un cálculo aproximado de la temperatura de llegada del agua a la torre de enfriamiento. Por último, se realizan los cálculos para analizar si la torre de enfriamiento se encuentra en capacidad de retirar la carga calórica requerida.

4.2.1

Análisis de Mecánica de Fluidos

Una vez propuesto este sistema de tuberías, el cual puede observarse en la figura 4.4 y 4.5, se evaluó en PipeFlow® Expert con la finalidad de obtener un caudal estimado para todos los puntos del sistema. Con estos datos se puede conocer la altura y caudal que debe manejar la nueva bomba del sistema. En el apéndice C.1 se pueden observar los resultados de la simulación.

En la tabla 4.1 se presentan las especificaciones que debe poseer la bomba del circuito. Tabla 4.1: Especificaciones de la bomba de la propuesta 2 Tipo de Bomba Altura en punto de operación (m) Caudal en punto de operación (m3/h)

Centrífuga Vertical Tipo Turbina 34 250

52

Figura 4.5: Modelo del Sistema de Tuberías en Pipe Flow®

53

4.2.2

Análisis de Transferencia de Calor

En total se tienen tres tipos de intercambiadores de calor en el Circuito Cerrado de Refrigeración, asociados cada uno con su respectiva bomba. Las especificaciones de los mismos se pueden observar en las tablas 4.2, 4.3 y 4.4.

Tabla 4.2: Intercambiador de Calor A Intercambiador de Calor A Tipo de Intercambiador Marca Modelo Fluido que pasa por los tubos Fluido que pasa por la coraza Caudal de Aceite (m3/hr) Diámetro de entrada de Agua (pulgadas) Diámetro de entrada de Aceite (pulgadas) Energía disipada (kW) para Aceite a 50°C y Agua a 15°C Longitud de carcaza (mm) Número de pasos de los tubos Bomba para el Aceite Tipo de Bomba Diámetro de tubería de descarga (pulgadas) Potencia (Hp) Velocidad de Giro (rpm)

Tubo y Coraza Sesino MS 134 P1 Agua Aceite 1,8 – 6 1,5 (3,81cm) 1,5 (3,81cm) 19 – 23 480 2 Axial 2 (5,08 cm) 5 (3,73kW) 1145 (119,9rad/s)

Tabla 4.3: Intercambiador de Calor B Tipo de Intercambiador Marca Modelo Fluido que pasa por los tubos Fluido que pasa por la coraza Caudal de Aceite (l/min)

Intercambiador de Calor B

Tubo y Coraza Sesino Agua Aceite -

54

Diámetro de entrada de Agua (pulgadas) Diámetro de entrada de Aceite (pulgadas) Energía disipada (kW) para Aceite a 50°C y Agua a 15°C Longitud de carcaza (mm) Diámetro de carcaza (mm) Número de pasos de los tubos Bomba para el Aceite Tipo de Bomba Diámetro de tubería de descarga (pulgadas) Potencia (Hp) Velocidad de Giro (rpm)

2 (5,08cm) 2 (5,08cm) 1000 228 2 Axial 3 (7,62cm) 10 (7,45kW) 880 (92,2rad/s)

Tabla 4.4: Intercambiador de Calor C Intercambiador de Calor C

Tipo de Intercambiador Marca Modelo Fluido que pasa por los tubos Fluido que pasa por la coraza Caudal de Aceite (l/min) Diámetro de entrada de Agua (pulgadas) Diámetro de entrada de Aceite (pulgadas) Energía disipada (kW) para Aceite a 50°C y Agua a 15°C Longitud de carcaza (mm) Diámetro de carcaza (mm) Número de pasos de los tubos Bomba para el Aceite Tipo de Bomba Diámetro de tubería de descarga (pulgadas) Potencia (Hp) Velocidad de Giro (rpm)

Tubo y Coraza Sesino Agua Aceite 1 (2.54cm) 1,5 (3,81cm) 950 170 2 Axial 2 (5,08cm) 3 (3,73kW) 1710 (179,1rad/s)

En la tabla 4.5 se presenta el calor disipado por intercambiador de calor acorde a valores provistos por el fabricante para niveles medios de ensuciamiento. Los

55

intercambiadores de calor son tubo y coraza con un pase por la coraza y dos por los tubos, donde el aceite pasa por la coraza y el agua pasa por los tubos.

Tabla 4.5: Calor disipado por intercambiador al ambiente Calor disipado por los intercambiadores para Tac=50°C, Tag=30°C, Caudal Agua>100lt/min Calor (kW) Tipo de Intercambiador A 10 B 25 C 20

Se toman las propiedades de un aceite común mostradas en la tabla 4.6.

Tabla 4.6: Propiedades del Aceite (2) T (K) 310 320 330

Propiedades de Aceite común (Flujo másico 1.2kg/s) ρ Cp ν *10-6 k 3 2 (kg/m ) (J/kg*K) (m /s) (W/m*K) 877,9 1951 288 0,145 871,8 1993 161 0,143 865,8 2035 96,6 0,141

Pr 3400 1965 1205

Se considera que existe una pérdida de calor a través de la coraza por convección libre y radiación, por lo que el calor liberado por el aceite no es transferido totalmente al agua. Para determinar dicha pérdida, se utilizan las expresiones mostradas en el apéndice B.3.

56

En la tabla 4.7 se presentan los valores obtenidos de las pérdidas, suponiendo una temperatura estable de 35°C (308,15K) en los alrededores.

Tabla 4.7: Pérdidas de Calor por Intercambiador al ambiente Ubicación CDL 1 CDL 2 Tijera 16 CDL 3 CDL 4-1 CDL 4-2 Tijera 27 CDL 5-1 CDL 5-2 Tijera 33 CDL 6 CDL 7-1 CDL 7-2 Deslizador 1 Deslizador 2

Intercambiador de Calor B B A B B A A A A A B C C A A

Pérdida de Calor (W) 86,3 39,0 93,9 93,5 110,1 44,8 89,8 38,0 48,4 89,9 117,7 23,5 32,5 15,7 15,7

Con estos valores de las pérdidas se calculó el calor transferido al agua y a partir de allí se determinó la temperatura de salida del aceite y del agua del equipo. En la tabla 4.8 se pueden ver los resultados los cuales fueron obtenidos por medio de las ecuaciones 2.1 y 2.2.

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Tabla 4.8: Temperaturas y Calor de Intercambiadores Intercambiadores de Calor de las Centrales de Lubricación, Tijeras y Deslizadores Ubicación Agua Aceite Flujo Ganancia Tipo de másico Térmica Te Ts Te Ts Intercambiador del en el (°C) (°C) (°C) (°C) agua agua (kg/s) (kW) 30 32 46 36 4,32 24,914 CDL 1 – B (303,15K) (305,15K) (319,15K) (309,15K) 30 32 43 33 4,09 24,961 CDL 2 – B (303,15K) (305,15K) (316,15K) (306,15K) 30 31 63 59 2,13 9,906 Tijera 16 – A (303,15K) (304,15K) (336,15K) (332,15K) 30 31 50 40 4,84 24,906 CDL 3 – B (303,15K) (304,15K) (323,15K) (313,15K) 30 32 52 42 4,31 24,890 CDL 4-1 – B (303,15K) (305,15K) (325,15K) (315,15K) 30 32 52 48 1,63 9,955 CDL 4-2 – A (303,15K) (305,15K) (325,15K) (321,15K) 30 31 63 59 2,06 9,910 Tijera 27 – A (303,15K) (304,15K) (336,15K) (332,15K) 30 32 49 45 1,71 9,962 CDL 5-1 – A (303,15K) (305,15K) (320,15K) (318,15K) 30 31 52 48 1,86 9,952 CDL 5-2 – A (303,15K) (304,15K) (325,15K) (321,15K) 30 32 63 57 1,29 9,910 Tijera 33 – A (303,15K) (305,15K) (336,15K) (330,15K) 30 32 53 43 4,06 24,882 CDL 6 – B (303,15K) (305,15K) (326,15K) (316,15K) 30 32 41 33 1,99 19,977 CDL 7-1 – C (303,15K) (305,15K) (314,15K) (306,15K) 30 32 43 35 2,85 19,968 CDL 7-2 – C (303,15K) (305,15K) (316,15K) (308,15K) 30 31 41 37 3,00 9,985 Deslizador (303,15K) (304,15K) (314,15K) (310,15K) 1–A 30 31 41 37 3,25 9,985 Deslizador (303,15K) (304,15K) (314,15K) (310,15K) 2–A 244,063 Total Ganancia Térmica (kW)

58

La viga refrigerada está compuesta por 7 secciones de 6m cada una para cada sistema de canaletas dobles, es decir, se tienen un total de 14 secciones de 6m cada una.

Para el estudio del calor retirado por el sistema de refrigeración se analizó la transferencia de calor que ocurre por radiación y por convección libre (ecuación 2.4), obteniéndose los resultados que se muestran en la tabla 4.9.

Tabla 4.9: Calor en Viga Refrigerada Sección VR – 1 – 1 VR – 1 – 2 VR – 1 – 3 VR – 1 – 4 VR – 1 – 5 VR – 1 – 6 VR – 1 – 7 VR – 2 – 1 VR – 2 – 2 VR – 2 – 3 VR – 2 – 4 VR – 2 – 5 VR – 2 – 6 VR – 2 – 7

Viga Refrigerada – Ganancia de Calor Flujo másico T entrada del T salida del (kg/s) agua (°C) agua (°C) 2,77 30 (303,15K) 34 (307,15K) 1,63 30 (303,15K) 36 (309,15K) 2,11 30 (303,15K) 35 (308,15K) 1,23 30 (303,15K) 38 (311,15K) 1,14 30 (303,15K) 38 (311,15K) 1,10 30 (303,15K) 39 (312,15K) 1,09 30 (303,15K) 38 (311,15K) 1,74 30 (303,15K) 36 (309,15K) 1,95 30 (303,15K) 35 (308,15K) 1,69 30 (303,15K) 36 (309,15K) 1,51 30 (303,15K) 37 (310,15K) 1,40 30 (303,15K) 37 (310,15K) 1,35 30 (303,15K) 37 (310,15K) 1,34 30 (303,15K) 37 (310,15K) Ganancia Térmica Total (kW)

Ganancia Térmica (kW) 41,064 41,064 41,064 41,064 41,064 41,064 41,064 41,064 41,064 41,064 41,064 41,064 41,064 41,064 574,896

*VR – x – y: Viga Refrigerada hilo “x”, sección “y”.

Es de notar que para el cálculo del calor necesario a retirar de la viga refrigerada se analizó el caso más desfavorable, suponiendo que la viga absorbe la totalidad de la radiación emitida por la cabilla, la cual llega a cercanos 1000°C a la cama

59

de enfriamiento. Se utilizó como temperatura de superficie de la pared de la viga refrigerada 75°C, lo cual es muy bajo del nivel al que se obtendría deformación considerable (250°C aproximadamente).

Se procedió a calcular mediante la Primera Ley de Termodinámica la temperatura a la cual llegará el agua a la torre de enfriamiento, asumiendo que sale de la misma a 30°C. Para ello se realizó un balance de energía en cada uno de los nodos del agua de retorno para determinar la temperatura a la que continúa el agua, la ecuación 4.1 fue la empleada en este caso. De ella se obtuvo el valor de la entalpía de la corriente de mezcla (denotada como corriente 3 en los cálculos) para luego ir a tablas termodinámicas y hallar la temperatura de la misma.

∑ ̇

∑ ̇

(4.1)

En las tablas 4.10 y 4.11 se aprecian los resultados de los nodos a la izquierda y derecha del sistema de tuberías propuesto respectivamente. Se toma como punto central la llegada a la torre de enfriamiento (como se muestra en el plano producto del simulador Pipe Flow Expert).

Por último la tabla 4.12 contiene la unión de ambas líneas de flujo y la temperatura de llegada de agua a la torre de enfriamiento.

Se consideró que la corriente de agua de salida de la viga refrigerada se encuentra un poco por encima de la temperatura promedio, es decir 38°C.

60

Lado izquierdo del sistema:

Corriente 1

Corriente 3 Corriente 2

Tabla 4.10: Temperatura de Corrientes en Nodos (lado izquierdo del sistema) Nodo

Corriente 1

Corriente 2

Corriente 3

ID

P (kPa)

m (kg/s)

T (°C)

h (kJ/kg)

m (kg/s)

T (°C)

h (kJ/kg)

m (kg/s)

T (°C)

h (kJ/kg)

172

148

9,18

130,1

0,70

9,88

9,88

130,1

26,92

159,3

36,80

91

146

36,80

151,5

5,38

134,2

42,18

78

145

42,18

149,3

5,68

134,2

47,87

74

143

47,87

147,5

5,98

134,2

53,85

66

141

53,85

146,0

4,89

130,0

58,73

31,0 (304,15K) 36,1 (309,25K) 35,6 (308,75K) 35,30 (308,45K) 34,9 (308,05K) 34,6 (307,75K)

130,1

148

31,0 (304,15K) 38,0 (311,15K) 32,0 (305,15K) 32,00 (305,15K) 32,0 (305,15K) 31,0 (304,15K)

130,1

102

31,0 (304,15K) 31,0 (304,15K) 36,1 (309,25K) 35,6 (308,75K) 35,3 (308,45K) 34,9 (308,05K)

151,5 149,3 147,5 146,0 144,7

61

Lado derecho del sistema:

Corriente 1 Corriente 3

Corriente 2

Tabla 4.11: Temperatura de Corrientes en Nodos (lado derecho del sistema) Nodo

Corriente 1

Corriente 2

Corriente 3

ID

P (kPa)

m (kg/s)

T (°C)

h (kJ/kg)

m (kg/s)

T (°C)

h (kJ/kg)

m (kg/s)

T (°C)

h (kJ/kg)

42

121

4,29

130,0

4,09

8,37

8,37

132,1

2,09

130,0

10,47

31,5 (304,65K) 31,4 (304,55K)

132,1

140

32,0 (305,15K) 31,0 (304,15K)

134,2

52

31,0 (304,15K) 31,5 (304,65K)

131,6

62

Llegada a la torre de enfriamiento:

Corriente 3 – Llegada a Torre de Enfriamiento

Corriente 1 – Llegada lado izquierdo

Corriente 2 – Llegada lado derecho

Tabla 4.12: Temperatura de Corrientes en Nodos (llegada a torre de enfriamiento) Nodo

Corriente 1

Corriente 2

Corriente 3

ID

P (kPa)

m (kg/s)

T (°C)

h (kJ/kg)

m (kg/s)

T (°C)

h (kJ/kg)

m (kg/s)

T (°C)

h (kJ/kg)

56

140

10,47

31,4 (304,55K)

131,6

58,73

34,6 (307,75K)

144,7

69,20

34,0 (307,15K)

142,7

A partir de este análisis se puede afirmar que la temperatura de llegada a la torre de enfriamiento, será aproximadamente de 34°C.

4.2.3

Condiciones de trabajo de la Torre de Enfriamiento

Actualmente la torre de enfriamiento se encarga de enfriar el agua del Circuito de Refrigeración del Horno (200 m3/h) y presenta un diferencial de temperatura entre la

63

entrada y la salida de la torre de 3°C (25-28°C). Tomando en cuenta esto, y los valores de caudal y temperatura determinados para el sistema de tuberías propuesto, se tomaron los parámetros que se muestran en la tabla 4.13 para la torre de enfriamiento, con sus respectivos factores de seguridad.

Tabla 4.13: Parámetros de torre de enfriamiento Caudal (m3/h) 450

Torre de Enfriamiento Flujo Másico Temperatura de Temperatura de Entrada (°C) Salida (°C) (kg/s) 124,6 40 (313,15K) 30 (303,15K)

Calor a Retirar (kW) 5,208

En la Tabla 4.14 se muestran las especificaciones de la torre de enfriamiento.

Tabla 4.14: Especificaciones de la torre de enfriamiento: Fabricante Serie Modelo Año de Fabricación Tipo de Ventilación Caudal Mínimo (m3/h) Caudal Máximo (m3/h) Tipo de Ventilador Potencia de Ventilador (Hp) Velocidad de Giro del Motor (rpm) Relación de Caja Reductora Diámetro externo (Pulgadas) Potencia de Bomba de la torre (Hp) Velocidad de Giro del Motor (rpm)

The Marley Company 8600 8617 1974 Tiro Inducido 174 699 Axial 50 (37,29kW) 1770 (185,4rad/s) 4,10/1 120 15 (11,19kW) 1770 (185,4rad/s)

64

Dado que el equipo fue fabricado hace mucho tiempo, no se dispone de material como catálogos o manuales que permitan evaluar si cubre la capacidad a la cual se va a someter. Es por esto que se procederá a estudiar por dos métodos el desarrollo de la torre bajo las condiciones solicitadas. En el Apéndice C.2 se pueden apreciar los cálculos referentes a esta sección.

4.2.3.1 Método de Evaluación 1: Balance energético

De un balance energético tomando como volumen de control toda la torre de enfriamiento, se tiene que intervienen cuatro factores:

-

La temperatura y flujo másico de entrada y salida de aire a la torre de enfriamiento.

-

La temperatura y flujo másico de entrada y de salida de agua a la torre de enfriamiento.

Figura 4.6: Balance de Energía en Torre de Enfriamiento (13)

65

Además se requiere de la temperatura de bulbo húmedo y bulbo seco del ambiente, la cual fue medida en varias oportunidades tomando para estos cálculos la más desfavorable.

En la tabla 4.15 se aprecia la humedad relativa a la entrada y salida de la torre de enfriamiento.

Tabla 4.15: Humedad relativa a la entrada y salida de la Torre de Enfriamiento Humedad Relativa a la Entrada Humedad Relativa a la Salida

0,50 0,99

En la tabla 4.16 se presenta el valor del flujo másico calculado para las condiciones de trabajo especificadas.

Tabla 4.16: Flujo másico de aire para condiciones de trabajo especificadas Agua T. Entrada (°C) 40 (313,15K) T. Salida (°C) 30 (303,15K) Flujo Másico (kg/s) 124,6

Aire T. Entrada (°C) T. Salida (°C) Flujo Másico (kg/s)

25 (298,15K) 30 (303,15K) 46,1

La velocidad que debe poseer el aire a la salida de la torre para poder cumplir con las condiciones de trabajo es de 9,5m/s. Ésta velocidad ha sido calculada a partir de un área circular de diámetro 3,5m, la cual es la aproximada a la que posee la torre de enfriamiento para la salida del aire.

66

A continuación en la tabla 4.17 se muestran las condiciones de trabajo para el caso más aproximado a la realidad:

Tabla 4.17: Flujo másico de aire para condiciones de trabajo más cercanas a la realidad Agua

T. Entrada (°C) T. Salida (°C) Flujo Másico (kg/s)

34 (307,15K) 30 (303,15K) 124,6

Aire

T. Entrada (°C) T. Salida (°C) Flujo Másico (kg/s)

25 (298,15K) 30 (303,15K) 110,3

La velocidad que debe poseer el aire a la salida de la torre para poder cumplir con las condiciones de trabajo es de 4m/s. Nuevamente ésta velocidad se ha calculado para un área circular de 3,5m.

Con estos resultados se puede afirmar que la torre de enfriamiento se encuentra en capacidad de retirar la carga calórica de la corriente de agua siempre y cuando se garantice el flujo de aire mínimo presentado (4m/s).

4.2.3.2

Método de Evaluación 2: Expresión provista por el fabricante y

estudio previo a la Torre de Enfriamiento.

Los representantes de Marley en el país, Oficina Técnica Leo CA, realizaron un estudio a la torre de enfriamiento en el año 2004, donde recalculan la capacidad y los límites para el equipo.

Acorde dicho estudio:

67

-

Los límites hidráulicos del modelo 8617 son mínimo 174 m3/h y máximo 699 m3/h.

-

Para un rango de 10°C (con entrada de agua a 33°C) y temperatura de bulbo húmedo de 26°C, el máximo flujo de agua sería 430 m3/h.

A partir de este estudio se podría afirmar que la torre se encuentra en capacidad de retirar la carga calorífica cómodamente ya que se encuentra dentro de los rangos antes indicados. Aun así, se procedió a calcular el calor que puede retirar la torre a partir de una expresión que ofrece la compañía que la fabricó y que se aplica a la mayoría de los equipos de este tipo.

(4.2)

Utilizando los datos del estudio realizado por Oficina Técnica Leo CA se obtienen los resultados mostrados en la tabla 4.18.

Tabla 4.18: Calor que puede retirar la Torre de Enfriamiento Δ°F Calor para 430 m3/h (MW)

18 5,000

68

Ahora calculando el calor que se desea retirar con la torre de enfriamiento con la propuesta se obtienen los resultados mostrados en las tablas 4.19 (caso con factor de seguridad elevado) y 4.20 (caso más cercano a la realidad).

Tabla 4.19: Calor a retirar caso con factor de seguridad elevado Flujo másico (kg/s) Temperatura de Entrada (°C) Temperatura de Salida (°C) Calor a Retirar (MW)

124,6 40 (313,15K) 30 (303,15K) 5,208

Tabla 4.20: Calor a retirar caso más cercano a la realidad Flujo másico (kg/s) Temperatura de Entrada (°C) Temperatura de Salida (°C) Calor a Retirar (MW)

124,6 34 (307,15K) 30 (303,15K) 2,083

Es de notar que para un diferencial de temperatura de 10°C la carga calorífica se encuentra un poco por encima de lo que es capaz de retirar la torre, aun así es muy poco probable que el agua de retorno llegue con ese diferencial.

A partir de estos resultados se demuestra que por ambos métodos la torre de enfriamiento se encuentra en capacidad de cubrir el requerimiento siempre y cuando el ventilador se encuentre manejando el flujo de aire especificado.

69

4.3 Cambios físicos al circuito actual

Aislamiento de zona de bombeo, Water Cooler y todas las tuberías aguas arriba a la entrada de la zona de laminación. Las mismas se muestran en la figura 4.7.

Figura 4.7: Tuberías a aislar

Colocar una zona de bombeo en el lateral del tanque de descarga de la torre de enfriamiento (Figuras 4.1 y 4.2).

Dos bombas (una para caso de emergencia) con

especificaciones de 250 m3/hr de caudal y 110 ft de altura. A su vez debe colocarse el respectivo filtro de agua. Es una zona de bombeo parecida a la que posee actualmente la torre, la misma se muestra en la figura 4.3.

Siguiendo el punto anterior, también se tendrían que cambiar las bombas actuales de la torre de enfriamiento encargadas de enviar el agua caliente al tope de la misma. Estas son dos bombas (operando intermitentemente ya que una es de emergencia) y deberán manejar un caudal de 450 m3/hr y una altura de 21ft (6.4m).

70

Montaje de 88 metros lineales de tubería para unir el circuito de refrigeración con la torre de enfriamiento. Es necesario atravesar el galpón de la zona de laminación transversalmente para unir la torre de enfriamiento con el sistema de tuberías de los equipos a refrigerar y aquí se presenta la gran ventaja de tener unas tuberías en desuso que ya cruzan esa distancia a ras del techo (ya que por el paso de las grúas es la única manera de enviar las tuberías). Debido a esto el montaje de tuberías para la unión de los sistemas es mucho más sencillo y con menos tiempo de trabajo. Se dividirá en dos montajes:

-

El primero referente a la unión de tuberías que saldrían de la nueva zona de bombeo de la torre de enfriamiento a las tuberías aéreas. En la figura 4.8 se muestra una isometría del montaje.

71

TORRE DE ENFRIAMIENTO

Figura 4.8: Montaje de tuberías de nueva zona de bombeo

72

-

El segundo es la unión del otro extremo de las tuberías aéreas con el sistema de tuberías de los equipos a ser refrigerados. Son 16 metros de tuberías en dos líneas paralelas, las cuales deben atravesar una pared. Esto no sería inconveniente ya que en alguna ocasión hubo un montaje de este tipo por el mismo camino. En la figura 4.9, 4.10 y 4.11 se muestra más claramente lo comentado.

Figura 4.9: Dimensiones del segundo montaje de tuberías

Figura 4.10: Lugar donde debería comenzar el segundo montaje de tuberías

73

Figura 4.11: Pared a atravesar por el segundo montaje de tuberías

No será necesario ampliación del tanque que proporciona el agua y que es depósito del agua caliente, ya que este presenta una capacidad cercana a los 50 m 3 y el volumen del sistema es de 40 m3 aproximadamente.

4.4 Costos de Implementación

Se realizaron los respectivos cómputos métricos, los cuales consisten en dividir el proyecto en partes simples de llevar a cabo, para de ésta manera obtener las respectivas cotizaciones por cada contratista.

La tabla 4.21 muestra los costos de la propuesta y el total a invertir para llevarla a cabo.

74

Tabla 4.21: Costos de la propuesta seleccionada Concepto Trabajos de montajes de tuberías, materiales y mano de obra Bombas para la nueva zona de bombeo (Precio de las 2 unidades) Bombas para remplazar las actuales de la torre de enfriamiento (Precio de las 2 unidades)

Costo (BsF.)

Costo Total del Proyecto (BsF.)

1.238.372,00

41.600,00 564.942,00 631.830,00

En el apéndice C.5 se anexan los presupuestos enviados por las empresas.

No se cuenta con el tiempo de duración de los trabajos ya que las contratistas no dieron dicha información.

Es muy importante tener en cuenta que al momento de realizar los cambios al sistema se deben tener todos los materiales, maquinarias y repuestos en planta para evitar contratiempos.

75

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Se evaluó el estado actual del Circuito Cerrado de Refrigeración y se determinó que los componentes del mismo presentan un enfriamiento por debajo de lo esperado. Esto se debe a que el Air Cooler tiene condiciones de trabajo de diseño por debajo de las condiciones de trabajo actuales.

En un principio el Air Cooler se encontraba en capacidad de retirar la carga calórica del circuito, pero luego de unos años, debido a cambios en el proceso de producción (ampliación de la cama de enfriamiento y supresión de algunas zonas que antes eran refrigeradas por ese circuito), cambiaron las condiciones de trabajo y se encuentra trabajando con un exceso de 76,8% en su capacidad volumétrica. Lo cual afecta directamente la transferencia de calor y el óptimo enfriamiento en el circuito de refrigeración.

Se generaron tres posibles propuestas de modificación del sistema y al realizar el estudio técnico y económico de factibilidad, se seleccionó la propuesta 2, la cual consiste en remplazar el Air Cooler por la torre de enfriamiento del horno, montando una nueva zona de bombeo y manteniendo la otra, referente al Circuito de Refrigeración del Horno, sin modificación.

La propuesta seleccionada ofrece notables mejoras en la refrigeración de los equipos, disminuyendo hasta 10°C la temperatura de ingreso del agua a los intercambiadores de calor, en comparación con la situación actual.

76

De llevar a cabo los cambios propuestos, la torre de enfriamiento estaría en capacidad de retirar la carga calorífica siempre y cuando el ventilador se encuentre generando el flujo de aire solicitado. Esto implica una velocidad de salida del aire de como mínimo 4 m/s y máximo 10 m/s.

Será durante la parada de planta que se pueda determinar la velocidad a la cual está saliendo el aire de la torre de enfriamiento, debido a que por no contar con la adecuada instrumentación (anemómetro), no fue posible realizar la medición. Aunque se presume que está entre los valores deseados, debido a que la torre está trabajando holgadamente dentro del rango para el que fue diseñada, basándose en los resultados del balance de energía realizado a la torre.

Comparado con el equipo Air Cooler, el actual componente que se encarga de refrigerar el Circuito Cerrado de Refrigeración, la torre de enfriamiento presenta mayores ventajas, principalmente debido a las elevadas propiedades de transferencia de calor del agua frente a las del aire. La torre de enfriamiento presenta una eficiencia mayor de hasta un 35% en consumo eléctrico (5), lo cual se traduce en una disminución en los gastos por concepto de electricidad y además en interés por el cuidado y la conservación del medio ambiente. El Air Cooler es un equipo altamente ruidoso en comparación con la torre de enfriamiento.

Es altamente ventajoso el hecho de que la viga refrigerada sea el componente más alejado de la torre de enfriamiento, ya que a medida que el flujo de agua caliente viene de regreso, se van agregando y mezclando los flujos de retorno de los distintos componentes del circuito de refrigeración, los cuales se hallan a temperaturas más bajas y disminuyen la temperatura global de la corriente al mezclarse.

77

Mejorar la transferencia de calor por medio de los cambios propuestos al sistema y el remplazo del Air Cooler por la torre de enfriamiento permitirá reducir la temperatura en los equipos y sus alrededores incluso. Se estaría hablando de una temperatura de entrada a los equipos de 30°C (303,15K) y de retorno a la torre de enfriamiento de 34°C (307,15K).

Esto trae beneficios al proceso de producción ya que se estarían cuidando los equipos y evitando paradas de planta por problemas de refrigeración. Y a la vez se obtienen mejoras a las condiciones del ambiente de trabajo en cuanto a la temperatura.

Recomendaciones



Durante la parada y realización de cambios al sistema de tuberías, es recomendable realizar un buen mantenimiento a la torre de enfriamiento. Revisar el estado del material de relleno (PVC), verificar el estado de los rociadores, revisar el estado de los componentes rotativos (ventilador, motor, reductor, cardán).



De igual manera, evaluar y realizar una limpieza a todos los intercambiadores de calor, con la finalidad de que se pueda obtener una óptima transferencia de calor por equipo.



Realizar la limpieza del sistema de tuberías aéreas y hacerlo pasar por toda la línea hasta el punto de desagüe.



Verificar el estado de los filtros de agua y aplicar el retrolavado pertinente a cada uno.



Mientras no se implemente la propuesta se deben reparar los ventiladores, para asegurar la refrigeración de los componentes y equipos del Circuito

78

Cerrado de Refrigeración y mantener así la producción, evitando paradas de emergencia. 

Añadir instrumentación para medición de los flujos volumétricos, tanto para líquidos como para gases (pueden ser portátiles). Con eso se puede monitorear el desempeño de equipos como intercambiadores de calor y la torre de enfriamiento.



Reforzar el plan de mantenimiento preventivo agregando la verificación semanal del desempeño de los equipos tanto rotativos como de transferencia de calor. Para determinar con anticipación posibles fallas como desbalanceo, fallas eléctricas, fugas por roturas o pérdidas de sellos, formación de incrustaciones y ensuciamiento en el caso de intercambiadores de calor.

79

REFERENCIAS

(1) SIDETUR. Disponible en Internet: http://www.sidetur.com.ve, consultado en junio de 2012. (2) Incropera, DeWitt, Bergman y Lavine. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 6ta edición. México, Pearson Education, 1999. (3) SPX. Manual de operación de Torres de Enfriamiento Serie NC 8400. Disponible en

Internet:

http://www.spx.com/en/products-and-services/product-

finder/#types=Cooling%2520Tower. (4) SPX Cooling Technologies. Disponible en Internet: http://spxcooling.com/en/, consultado en Mayo de 2012. (5) Cooling Technology Institute. Disponible en Internet: http://www.cti.org/, consultado en Mayo de 2012. (6) HD Equipamentos. Disponible en Internet: http://www.hd.ind.br/home-esp.html, consultado en Mayo de 2012. (7) Yunus A. Cengel. Heat Transfer A Practical Approach. 2da edición. New York, McGraw-Hill, 2004. (8) Robert Perry, Green Don y Maloney James. Manual del Ingeniero Químico. 6ta edición, McGraw-Hill. (9) Ventiladores

Industriales

Evisa.

Disponible

http://www.evisaventiladores.com/, consultado en Abril de 2012.

en

Internet:

80

(10) Intercambiadores

Sesino.

Disponible

en

Internet:

http://www.sesino.it/,

consultado en Abril de 2012. (11) Pedro Fernández Diez. Ingeniería Térmica y de Fluidos.Disponible en Internet en http://librosredsauce.net, consultado en Abril de 2012. (12) Irving H. Shames. Mecánica de los Fluido. 3ra edición, McGraw Hill. Colombia, 1995. (13) Apuntes de clases de Transferencia de Calor I y II de la Profesora Dosinda González. USB 2010. (14) Apuntes de clases de Instalaciones Mecánicas del Profesor Miltón López Barbella. USB 2010.

81

APÉNDICES

Apéndice A: Circuito Cerrado de Refrigeración. A.1: Planos del Circuito Cerrado de Refrigeración. A.2: Plano de ubicación de equipos del Circuito Cerrado de Refrigeración. A.3: Cama de Enfriamiento y Viga Refrigerada. Apéndice B: Propuesta 1 – Unificación del Circuito Cerrado de Refrigeración con el Circuito de Refrigeración del Horno. B.1: Arreglo de tuberías y cambios al sistema actual. B.2: Resultados de Pipe Flow® Expert. B.3: Cálculos y resultados referentes a transferencia de calor. B.4: Cálculos y resultados referentes a Torre de Enfriamiento. B.5: Cotizaciones. Apéndice C: Propuesta 2 – Sustitución del componente de enfriamiento del Circuito Cerrado de Refrigeración, Air Cooler, por la Torre de Enfriamiento que se encarga de enfriar el agua del Circuito de Refrigeración del Horno. C.1: Resultados de Pipe Flow® Expert. C.2: Cálculos y resultados referentes a Torre de Enfriamiento. C.3: Cotizaciones. Apéndice D: Propuesta 3 – Remplazar el Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración por una nueva Torre de Enfriamiento. D.1: Arreglo de tuberías y cambios al sistema actual. D.2: Resultados de Pipe Flow® Expert.

82

D.3: Cálculos y resultados referentes a transferencia de calor. D.4: Cotizaciones. Apéndice E: Estudio de factibilidad del remplazo de todos los ventiladores del Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración. E.1: Resultados de Pipe Flow® Expert. E.2: Simulación de Air Cooler en HTRI® para condiciones actuales. E.3: Simulación de Air Cooler en HTRI® para condiciones propuestas.

83

A.1: Planos del Circuito Cerrado de Refrigeración

84

85

86

A.2: Plano de ubicación de equipos del Circuito Cerrado de Refrigeración.

87

88

89

90

91

92

A.3: Cama de Enfriamiento y Viga Refrigerada.

93

94

95

Apéndice B: Propuesta 1 – Unificación del Circuito Cerrado de Refrigeración con el Circuito de Refrigeración del Horno. B.1: Arreglo de tuberías y cambios al sistema actual.

96

Circuito 2 de Refrigeración del Horno - Remplazo por tubería de 8 pulgadas

Fotografía de imagen anterior

97

Circuito 2 de Refrigeración del Horno - Remplazo por tubería de 8 pulgadas

Circuito de Refrigeración del Horno - Remplazo de tubería por una de menor diámetro

98

B.2: Resultados de Pipe Flow Expert.

99

100

101

102

103

104

105

106

107

108

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110

111

B.3: Cálculos y resultados referentes a transferencia de calor.

112

Calor Retirado por el Circuito de Refrigeración del Horno (Obtenido de planos de la empresa)

Elementos Skids Longitudinales Tubo Transversal

Horno - Circuito N°1 – Ganancia de Calor Diámetro Tubería ΔT (°C) Caudal Total (Pulgadas) (m3/h) 2½ 10 96,06 2

10

6,92

2½ 10 50,36 Tubos Transversales 2½ 10 14,5 Dintel (Zona Enhornamiento) Ganancia Térmica Total (kW) Horno - Circuito N°2 – Ganancia de Calor Diámetro Tubería ΔT (°C) Caudal Total Elementos (Pulgadas) (m3/h) 1½ 10 18,9 Lanza Deshornadora 1 10 3 Marcos de Puertas ¾ 10 2 Palpadores ¾ 10 1 Paso Palpadores ½ 10 1 Cámaras Ganancia Térmica Total (kW)

Ganancia Térmica (kW) 186,16 80,46 146,39 168,60 581,61 Ganancia Térmica (kW) 110 17,5 11,62 11,62 5,81 156,55

113

Transferencia de Calor en Intercambiadores

A continuación en se muestra en la siguiente tabla los resultados de las temperaturas de salida, del agua y del aceite, de los intercambiadores de calor. Así como los respectivos flujos másicos.

Intercambiadores de Calor de las Centrales de Lubricación, Tijeras y Deslizadores Te (°C)

Ts (°C)

Te (°C)

Ts (°C)

Flujo másico del agua (kg/s)

CDL 1 – B

30

32

46

36

3.28

24.914

CDL 2 – B

30

32

43

33

3.30

24.961

Tijera 16 – A

30

32

63

59

1.63

9.906

CDL 3 – B

30

32

50

40

3.64

24.906

CDL 4-1 – B

30

32

52

42

3.30

24.890

CDL 4-2 – A

30

33

52

48

1.12

9.955

Tijera 27 – A

30

32

63

59

1.54

9.910

CDL 5-1 – A

30

32

49

45

1.28

9.962

CDL 5-2 – A

30

32

52

48

1.39

9.952

Tijera 33 – A

30

33

63

57

0.96

9.910

CDL 6 – B

30

32

53

43

3.04

24.882

CDL 7-1 – C

30

33

41

33

1.46

19.977

CDL 7-2 – C

30

33

43

35

1.99

19.968

Deslizador 1 – A

30

31

41

37

2.14

9.985

Deslizador 2 – A

30

31

41

37

2.33

9.985

Ubicación / Tipo de Intercambiador

Agua

Aceite

Total Ganancia Térmica (kW)

Ganancia Térmica en el agua (kW)

244.063

114

Pérdidas de calor en intercambiadores

Aire Propiedades a Tf

Tsup  43°C

(Temperatura de superficie)

Talr  35°C

(Temperatura de alrededores)

Tf 

Tsup  Talr 2

L  950mm

 312.15K 3 W

k  27.3 10

Pr  0.705

m K 2 6m

  16.8910 

 

1 Tf

RaD 

s

3 1

 3.204 10



K



g   Tsup  Talr  Dexter 

2

3

6

 Pr  3.052 10

Dexter  170mm (Diámetro Externo del Intercambiador) (Longitud del Intercambiador)

115

  Nu  0.6       

h 

k Dexter

2

 6  0.387Ra  D   19.956 8 27 9      0.559 16  1   Pr    1

 Nu  3.205

W

2

A  3.14 Dexter  L  0.507m

2

K m





Qconv  h A Tsup  Talr  13.001W 

Qperd  Qconv  Qrad  32.594W 8

Qrad  0.75.67   10

W 2

m K

 A  Tsup  Talr  4

4

4

   19.593W

116

Temperatura de salida de la Viga Refrigerada

Conocido el calor que es necesario retirar de la Viga Refrigerada, se determina la temperatura de salida del agua a partir de la siguiente expresión.

Tsal  Tent 

Qviga magua  Cpagua

Se obtienen los siguientes resultados:

Nombre VR – 1 – 1 VR – 1 – 2 VR – 1 – 3 VR – 1 – 4 VR – 1 – 5 VR – 1 – 6 VR – 1 – 7 VR – 2 – 1 VR – 2 – 2 VR – 2 – 3 VR – 2 – 4 VR – 2 – 5 VR – 2 – 6 VR – 2 – 7

Viga Refrigerada – Ganancia de Calor Flujo másico (kg/s) T entrada del T salida del agua (°C) agua (°C) 2.11 30 35 1.23 30 38 1.61 30 36 0.93 30 41 0.86 30 41 0.83 30 42 0.82 30 42 1.34 30 37 1.47 30 37 1.27 30 38 1.14 30 39 1.05 30 40 1.02 30 40 1.01 30 40 Ganancia Térmica Total (kW)

Ganancia Térmica (kW) 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 574.896

117

B.4: Cálculos y resultados referentes a Torre de Enfriamiento.

118

Torre de Enfriamiento Para esta propuesta se determina que la temperatura del agua de retorno a la torre será de 36°C aproximadamente. El análisis de la torre se realizó por medio de un balance de energía, obteniéndose la ecuación que se muestra abajo y con la cual se determina el flujo másico de aire requerido para retirar la carga calórica. Se evalúa el caso para un diferencial de temperatura de 10°C y luego para el caso más cercano a la realidad. kg aire  1.2 3 m

kg mf  107.1 s

Patm  14.7psi

BT U

Tf1  103.9°F  39.944°C 

hf1  71.0

Tf2  86°F  30 °C

hf2  54.1

Ta1  77°F  25°C

HR1  0.5

Ta2  86°F  30°C

HR2  0.99

BT U hv1  1106.4 lbm

lbm BT U

BT U hv2  1098.70 lbm

lbm

Pg1  0.45psi Pg2  0.64psi

Pv1  HR1Pg1  0.225psi 

Pv2  HR2Pg2  0.634psi 

Pa1  Patm  Pv1  14.475psi 

Pa2  Patm  Pv2  14.066psi 

W 1  0.622

Pv1

 0.01

Pa1

W 2  0.622



BT U Cpaire  0.24 lbm 1°F



Pv2 Pa2

 0.028

mf  h f1  h f2 kg maire_seco   94.777 Cpaire Ta2  Ta1  W 2 h v2  W 1 h v1  W 2  W 1  h f2 s



 

 



119

maire_seco

v 

3.5 aire 3.14   m  2  

2

 8.213

m s

Para el caso más cercano a la realidad: kg aire  1.2  14.7psi 3 P m atm

kg mf  107.1 s

BT U

Tf1  96.8°F  36°C

hf1  64.8

Tf2  86°F  30 °C

hf2  54.1

Ta1  77°F  25°C

HR1  0.5

Ta2  86°F  30°C

HR2  0.99

BT U hv1  1103.34 lbm

lbm BT U

BT U hv2  1098.70 lbm

lbm

Pg1  0.45psi Pg2  0.64psi

Pv1  HR1Pg1  0.225psi 

Pv2  HR2Pg2  0.634psi 

Pa1  Patm  Pv1  14.475psi 

Pa2  Patm  Pv2  14.066psi 

W 1  0.622

Pv1

 0.01

Pa1

W 2  0.622



BT U Cpaire  0.24 lbm 1°F



Pv2 Pa2

 0.028

mf  h f1  h f2 kg maire_seco   59.914 Cpaire Ta2  Ta1  W 2 h v2  W 1 h v1  W 2  W 1  h f2 s



 

v 

 

maire_seco 3.5 aire 3.14   m  2  

2

 5.192



m s

120

B.5: Cotizaciones.

121

122

123

124

125

Apéndice C: Propuesta 2 – Sustitución del componente de enfriamiento del Circuito Cerrado de Refrigeración, Air Cooler, por la Torre de Enfriamiento que se encarga de enfriar el agua del Circuito de Refrigeración del Horno. C.1: Resultados de Pipe Flow Expert.

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

C.2: Cálculos y resultados referentes a Torre de Enfriamiento.

138

De un balance de energía a la torre de enfriamiento se obtiene la ecuación con la que se determinará el flujo másico del aire para enfriar el fluido a las condiciones abajo indicadas.

kg aire  1.2 3 m

kg mf  124.6 s

Patm  14.7psi

BT U

Tf1  93.2°F  34°C

hf1  61.18

Tf2  86°F  30 °C

hf2  54.1

Ta1  77°F  25°C

HR1  0.50

Ta2  86°F  30°C

HR2  0.99

BT U hv1  1101.8 lbm

lbm

BT U

BT U hv2  1098.70 lbm

lbm

Pg1  0.45psi Pg2  0.64psi

Pv1  HR1Pg1  0.225psi 

Pv2  HR2Pg2  0.634psi 

Pa1  Patm  Pv1  14.475psi 

Pa2  Patm  Pv2  14.066psi 

W 1  0.622

Pv1 Pa1

3

 9.668 10

W 2  0.622



BT U Cpaire  0.24 lbm 1°F



Pv2 Pa2

 0.028

mf  h f1  h f2 kg maire_seco   46.086 Cpaire Ta2  Ta1  W 2 h v2  W 1 h v1  W 2  W 1  h f2 s



v 

 

maire_seco 3.5 aire 3.14   m  2  

2

 3.994

m s

 



139

C.3: Cotizaciones

140

141

142

143

144

Apéndice D: Propuesta 3 – Remplazar el Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración por una nueva Torre de Enfriamiento. D.1: Arreglo de tuberías y cambios al sistema actual.

145

146

147

148

149

150

151

D.2: Resultados de Pipe Flow Expert.

152

153

154

155

156

157

158

159

160

161

162

163

D.3: Cálculos y resultados referentes a transferencia de calor.

164

Transferencia de Calor en Intercambiadores

A continuación en se muestra en la siguiente tabla los resultados de las temperaturas de salida, del agua y del aceite, de los intercambiadores de calor. Así como los respectivos flujos másicos.

Intercambiadores de Calor de las Centrales de Lubricación, Tijeras y Deslizadores Agua Aceite Flujo másico Ganancia Térmica Ubicación / Tipo del agua en el agua de Te Ts Te Ts (°C) (kg/s) (kW) Intercambiador (°C) (°C) (°C) 30 32 46 36 4.03 24.914 CDL 1 – B CDL 2 – B

30

32

43

33

4.15

24.961

Tijera 16 – A

30

31

63

59

2.16

9.906

CDL 3 – B

30

31

50

40

4.89

24.906

CDL 4-1 – B

30

31

52

42

4.85

24.890

CDL 4-2 – A

30

32

52

48

1.66

9.955

Tijera 27 – A

30

31

63

59

2.08

9.910

CDL 5-1 – A

30

31

49

45

1.72

9.962

CDL 5-2 – A

30

31

52

48

1.87

9.952

Tijera 33 – A

30

32

63

57

1.30

9.910

CDL 6 – B

30

32

53

43

4.10

24.882

CDL 7-1 – C

30

32

41

33

2.01

19.977

CDL 7-2 – C

30

33

43

35

1.66

19.968

Deslizador 1 – A

30

31

41

37

3.02

9.985

Deslizador 2 – A

30

31

41

37

3.27

9.985

Total Ganancia Térmica (kW)

244.063

165

Temperatura de salida de la Viga Refrigerada

Conocido el calor que es necesario retirar de la Viga Refrigerada, se determina la temperatura de salida del agua a partir de la siguiente expresión.

Tsal  Tent 

Qviga magua  Cpagua

Se obtienen los siguientes resultados:

Sección VR – 1 – 1 VR – 1 – 2 VR – 1 – 3 VR – 1 – 4 VR – 1 – 5 VR – 1 – 6 VR – 1 – 7 VR – 2 – 1 VR – 2 – 2 VR – 2 – 3 VR – 2 – 4 VR – 2 – 5 VR – 2 – 6 VR – 2 – 7

Viga Refrigerada – Ganancia de Calor Flujo másico (kg/s) T entrada del T salida del agua (°C) agua (°C) 30 2.79 34 1.64 2.13 1.23 1.15 1.10 1.10 1.77 1.95 1.69 1.52 1.41 1.36

30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30

30 1.34 Ganancia Térmica Total (kW)

36 35 38 39 39 39 36 35 36 35 36 37 37

Ganancia Térmica (kW) 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 41.064 574.896

166

D.4: Cotizaciones.

167

168

169

170

171

172

Apéndice E: Estudio de factibilidad del remplazo de todos los ventiladores del Air Cooler del Circuito Cerrado de Refrigeración. E.1: Resultados de Pipe Flow Expert.

173

174

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180

181

182

183

184

E.2: Simulación de Air Cooler en HTRI para condiciones actuales

185

186

187

188

E.3: Simulación de Air Cooler en HTRI para condiciones propuestas

189

190

191