Enfriadores de Gas

7/21/2019 Enfriadores de Gas

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Diseo y Construccin de Ductos: Un Enfoque Prctico .

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ENFRIADORES DE GAS

INTRODUCCION

Los enfriadores de Gas son ampliamente usados en la industria de transporte. Estos pueden ser

usados como pre-enfriadores (en la estacin de succin de un compresor) o como inter-enfriadores(entre compresores en serie) para proteger el sistema del sobrecalentamiento. Tambin pueden

ser usados como post-enfriadores (en la estacin de descarga de un compresor) para proteger la

capa externa de los ductos del dao a altas temperaturas (que excedan los 65 C o su equivalente

149 F). El enfriamiento con gas en la zona de descarga tambin ayudara a reducir la cada de

presin a lo largo del ducto porque el gas estar fluyendo a una temperatura ms fra. Post-

enfriadores tambin reducen los requerimientos de potencia en la estacin aguas abajo del

compresor cuanto este reciba gas a una menor temperatura de succin.

Existen dos tipos de enfriadores de gas: intercambiadores de calor de aire enfriado e

intercambiadores de calor de agua enfriada. Dependiendo del clima y las condiciones geogrficas,

ambos tipos de intercambiadores (o una combinacin de ellos) puede ser usada para proveer los

requerimientos de enfriado. No es la intencin de este captulo comparar la economa de ambos.

Sin embargo se podra decir como regla lo siguiente, los costos operativos de sistemas de agua-

enfriada son mucho ms grandes que los intercambiadores de aire-enfriado.

Si la temperatura ambiente lo permite, especialmente en reas remotas, el intercambiador elegido

en una transmisin de lnea de gas es usualmente intercambiador de calor de aire-enfriado. Las

siguientes secciones trataran con mayor detalle los intercambiadores de aire-enfriado (aerial

coolers). Para mayor informacin de los intercambiadores de aire, refirase a (GPSA -1994); para

ambos sistemas refirase (Kern 1997) o (Muckerjee 1997).

INTERCAMBIADORES DE CALOR DE AIRE-ENFRIADO

Intercambiadores horizontales son generalmente usados en los ductos de gas para reducir la

temperatura de descarga del compresor en las estaciones, estos operan con aire del ambiente. Los

componentes bsicos de estos intercambiadores son:

Uno o ms ventiladores, los cuales introducen el aire en las aletas de los tubos (operacin

de flujo cruzado)

Controladores de Ventiladores.

Motores.

Controladores de la velocidad de los ventiladores.

Cabezales.

Soportes.


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Cuando estn ensamblados, estos componentes forman el cuerpo del enfriador de gas, el cual es

normalmente llamado bay. Cuando dos o ms bays son juntados estos forman una unidad.

Poner dos o ms unidades juntas forman un bank de enfriadores. Intercambiadores de aire-

enfriado son categorizados como de succin forzada o de succin inducida, dependiendo de la

ubicacin de los ventiladores. En los enfriadores de succin, el haz de tubos est ubicado en el

lado de succin de los ventiladores (ver figuras 4-33, 4-34 y 4-35).

La norma API-661, Air-Cooled Heat Exchangers for General Refining Services, describe los

requerimientos mnimos para el diseo y pruebas de los intercambiadores de aire-enfriado. Aunque

estos hayan sido fijados para las refineras, ellos pueden ser generalizados para ambos la Industria

Petroqumica y la Industria del Gas.

Uno de los componentes ms importantes en un enfriador de aire es el arreglo de tubos. Un

coeficiente bajo en la transmisin de calor hace que se usen mayor superficie de tubos de acuerdo

a necesidad. El tubo por s mismo est fabricado de carbn o acero inoxidable, y las aletas sonnormalmente hechas de aluminio, debido a la alta conductividad trmica del aluminio y su menor

peso. Es comn posicionar entre 10 a 11 aletas por pulgada en enfriadores de aire industriales.

Estas aletas introducirn una superficie extendida casi 20 veces ms que el rea de los tubos. El

dimetro de los tubos varan entre 5/8 y 1 pulgadas de dimetro externo, mientras que las aletas

son de pulgada a 1 pulgada como rango ms alto. Debido a bajo coeficiente de transferencia de

calor y la capacidad especifica de calor del aire, grandes cantidades de aire deben ser forzados a

atravesar el arreglo de tubos para lograr el objetivo. Esto es logrado usando un dimetro mayor de

las cuchillas del ventilador (3 pies a 28 pies de dimetro), rotando a alta velocidad, lo cual produce

niveles altos de ruido. Por el problema del ruido, es comn en la prctica es comn utilizar como

mximo dimetro de cuchilla entre 14 y 16 pies, para tener un ruido aceptable y niveles de

vibracin adecuados (GPSA 1994; Mukherjee 1997).

ECUACIONES DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE UN ENFRIADOR

El procedimiento general para derivar el diseo de un enfriador implica el desempeo del calor y

balances de materia para el gas y el aire en ambos lados del intercambiador. Como parte de este

clculo de balances el clculo del coeficiente de transferencia de calor (U) y el registro de la

diferencia de temperatura (LMTD) factores de correccin son requeridos.

El Calor disipado por el gas caliente es representado como sigue:

1 2( )g pgq m C T T = (4 71)

Dnde:


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qg = Calor disipada por el gas, BTU/hr.

mg = Flujo de msico de gas, lb/hr.

Cpg = Calor especifico del gas a condiciones de flujo, BTU/lb*F

T1 = Temperatura del Gas de entrada, F

T2 = Temperatura del Gas de salida, F

La temperatura de salida del gas T2 es la temperatura combinada del gas en la salida del enfriador.

Para enfriadores equipados con controladores de velocidad variable de ventiladores, la

temperatura de la corriente de todos los bay ser la misma como de cada bay. Para enfriadores

equipados con controladores de una sola velocidad, como puede ser el caso solo cuando todos los

ventiladores en todos los bays de compresin de los enfriadores son operacionales. Si alguna de

los ventiladores no est operando, la temperatura del gas de cada bay puede ser diferente.

El calor absorbido por el aire ambiente puede ser expresado como:

2 1( )a a pa Fanq m C N t t = (4 72)

Dnde: qa = Calor absorbido por el aire, BTU/hr

ma = Flujo msico de aire por ventilador, lb/hr

Cpa = Calor especifico del aire a presin y temperatura ambiente, BTU/lb*F

Nfan = Numero de ventiladores, adimensional.

t1= temperatura de entrada del aire ambiente, F

t2= temperatura de salida del aire, F.

Figura 4-33 Elevacin tpica de enfriadores de aire (cortesa de GPSA)


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Figura 4-34. Plano tpico vista de enfriadores de aire (cortesa de GPSA)

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


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En adicin a las ecuaciones (4-71) y (4-72), la ecuacin bsica para calcular la energa transferida

por todos los intercambiadores de calor se escribe como sigue:

q U A F LMTD= (4 73)

Dnde: q = flujo calrico, BTU/hrU= Coeficiente total de transferencia de calor, (BTU/hr*ft2*F)

A = rea de transferencia de calor, ft2

F= factor de correccin de temperatura, adimensional

LMTD = diferencia de temperatura registrada, F.

La ecuacin (4-73) puede tambin ser escrita como:

b b Bays

q U A N F LMTD= (4 74)

Dnde: Ub = Coeficiente total bare de transferencia de calor, (BTU/hr*ft2*F)

Ab = rea externa bare de transferencia de calor por bay, ft2

NBays = Numero de bays en servicio, adimensional.

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

son equivalentes entonces: g aq q q= = (4 75)

O

1 2 2 1( ) ( )pg a pa Fan b b Baysm C T T m C N t t U A N F LMTD = = (4 76)

En la ecuacin (4-74) los valores de LMTD (AT m), F, y U son calculados como sigue la diferencia

de la temperatura registrada es:

1 2 2 1

1 2

2 1

( ) ( )

ln

T t T t LMTD

T t

T t

=

(4 77)

El factor de correccin de temperatura F puede ser obtenido de la Figura 4-36 para un enfriador de

paso simple y flujo cruzado, o de la figura 4-37 para un enfriador de paso doble de flujo cruzado

(GPSA 1994).

Para usar estas figuras, la temperatura dependiente de las funciones P y R necesitan ser

calculadas como:


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2 1

1 1

t tP

T t

=

(4 78)

1 2

2 1

T TR

t t

=

(4 79)

Para obtener el valor del coeficiente total de transferencia de calor U, se puede usar la siguiente

ecuacin (Holman 1997):

1

1 1f m

io o

U

r rh h

=+ + +

(4 80)

Dnde: U = Coeficiente total de transferencia de calor basado en la superficie externa,

(BTU/hr*ft2*F)

hio = coeficiente de transferencia de calor interno (lado del gas) basado en la

superficie rea (BTU/hr*ft2*F)

rf= resistencia fouling combinada (hr*ft2*F/BTU)

rm = resistencia del metal (hr*ft2*F/BTU)

ho = coeficiente de transferencia de calor externo (lado del aire), (BTU/hr*ft2*F)

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

1o o o

io i i i i i i

A r d

h A h rh d h= = = (4 81)

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

ln /

ln2o o i o o

m

i

A r r r r

r KL K r = = (4 82)

Dnde: k= conductividad termal del tubo, (BTU/hr*ft2*F)

El valor de rf o resistencia fouling, es normalmente un valor constante y puede ser obtenido por

tablas computadas para operaciones de enfriamiento de gas. Al reemplazar de todos los


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parmetros en la ecuacin (4-80), el valor del coeficiente total de la transferencia de calor (U)

puede ser calculada.

Figura 4-36. MTD Factores de correccin (1 paso flujo cruzado, ambos fluidos no mezclados)(cortesa de GPSA 1994)

Generalmente todos los parmetros requeridos para las condiciones operativas del enfriador degas pueden ser calculados con los parmetros provistos por el fabricante como sigue:

0.8

Baysd g

io iod

Bay gd

N mh h

N m

=

(4 83)

Dnde: hio = coeficiente de transferencia de calor interno bajo condiciones de

simulacin (BTU/hr*ft2*F)

hiod = coeficiente de transferencia de calor interno bajo condiciones de

de diseo del enfriador (BTU/hr*ft2

*F)NBayd= nmero de bays bajo condiciones de diseo del enfriador, adimensional

NBay = nmero de bays bajo condiciones de simulacin, adimensional

mg = flujo msico bajo condiciones de simulacin, lb/hr

mgd = flujo msico bajo condiciones de diseo, lb/hr


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Figura 4-37. MTD factores de correccin (2 pasos flujo cruzado, ambos fluidos no mezclados)(cortesa de GPSA 1994)

El coeficiente de transferencia de calor de lado del aire es sensible a ambos flujos de aire a travs

de los tubos y el aire a temperatura ambiente, como se muestra en la ecuacin (4-84).

[ ]

0.6

10 1 10

10

( ) ao od t

a

mh h F t t m

=

(4 84)

Dnde: ho = coeficiente de transferencia de calor externo bajo condiciones de

simulacin (BTU/hr*ft2*F)

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

Ft = factor de correccin de temperatura, adimensional

t1 = temperatura ambiente bajo condiciones de simulacin, F

t10 = temperatura ambiente a 10C (50F), F

ma = flujo msico de aire bajo condiciones de diseo, lb/hrma10 = flujo msico de aire a 10C (50F), lb/hr

Est claro que la temperatura que la temperatura bajo condiciones de diseo del enfriador es 10C

(50F).

Dnde: ma = flujo msico bajo condiciones de simulacin, lb/hr

mad = flujo msico bajo condiciones de diseo del enfriador, lb/hr


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N = velocidad del ventilador bajo condiciones de simulacin, RPM

Nd = velocidad del ventilador bajo condiciones de diseo, RPM

t1d = temperatura ambiente bajo condiciones de diseo, R

t1 = temperatura ambiente bajo condiciones de simulacin, R

FLUJO DE MASICO DE AIRE A TRAVES DEL VENTILADOR

La cuchilla del ventilador posee un paso para flujo de aire, ese es el caso de la mayora de los

enfriadores de gas, el flujo msico por ventilador puede ser calculado como sigue:

1

1

da ad

d

N tm m

N t= (4 85)

POTENCIA REQUERIDA POR EL VENTILADOR

La potencia requerida por el motor del ventilador en un sistema de enfriamiento por gas puede ser

logrado especificando el grado de enfriamiento, y es calculado como sigue:

1

1

dd

d

N tHP HP

N t

=

(4 86)

Dnde: HP = potencia requerida bajo condiciones de simulacin, HP

HPd = potencia requerida bajo condiciones de diseo, HP

N = velocidad del ventilador bajo condiciones de simulacin, RPMNd = velocidad del ventilador bajo condiciones de diseo, RPM

t1d = temperatura ambiente bajo condiciones de diseo, R

t1 = temperatura ambiente bajo condiciones de simulacin, R

CAIDA DE PRESION DEL GAS EN LOS ENFRIADORES

2 2

1 1 2

1 1 2

Bayd g dd

Bay gd d d

N m P T TP P

N m P T T

+ =

+

(4 87)

Dnde: P = cada de presin a condiciones de simulacin, psia

dP = cada de presin bajo condiciones de diseo, psia

NBayd= nmero de bays bajo condiciones de diseo, adimensional

NBay = nmero de bays bajo condiciones de simulacin, adimensional


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mg = flujo msico de gas bajo condiciones de simulacin, lb/hr

mgd = flujo msico de gas bajo condiciones de diseo, lb/hr

P1d = presin del gas de entrada al enfriador bajo condiciones de diseo, psia

P1 = presin del gas de entrada al enfriador bajo condiciones de simulacin, psia

T1 = temperatura de gas de entrada al enfriador bajo condiciones de

simulacin, R

T2 = temperatura de gas de salida del enfriador bajo condiciones de

simulacin, R

T1d = temperatura de gas de entrada al enfriador bajo condiciones de

diseo, R

T2d = temperatura de gas de salida del enfriador bajo condiciones de

diseo, R

Algunos arreglos de enfriadores en la parte de desvi del gas mantiene las prdidas de presin y

velocidades del gas a travs de los enfriador caigan a un nivel aceptable. El flujo msico a travs

de los tubos puede ser encontrado como sigue:

(1 )g cooler g total bypassm m K = (4 88)

Dnde: mg cooler = flujo msico de gas a travs del enfriador bajo condiciones de

simulacin, lb/hr

mg total = flujo msico total de gas bajo condiciones de simulacin, lb/hr

Kbypass = fraccin de flujo que pasa el enfriador, adimensional

Cuando los enfriadores de gas estn operando, es generalmente necesario establecer la

temperatura de descarga del gas. En los Sistemas TransCanada, este valor es 3C encima de la

temperatura ambiente. Un mnimo permisible punto es usualmente impuesto por la temperatura del

gas de descarga. El Sistema TransCanada es 10C. El enfriamiento puede ser interrumpido para

prevenir que el valor de la temperatura caiga por debajo del valor permitido (Yoshikai 1994).

Tablas de diseo son normalmente suministradas por los fabricantes y nos brindan una lista

completa de parmetros de enfriadores y gas a condiciones de diseo. Esta lista usualmente

incluye:

ID del enfriador

Bypass del enfriador

Numero de fases


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Numero de Bays

rea superficial por Bay

Numero de ventiladores por bay

Tipo de ventilador (controlador simple, doble, variable)

Mxima potencia por ventilador Velocidad del ventilador RPM

Hiod

mad

ho10C

t1 (temperatura ambiente)

HPd

HP motor

Cada de presin

Flujo estndar

Flujo msico

Peso molecular del gas

Presin de entrada del gas

T1d

T2d

Cp

Resistencia del metal

Factor Fouling Bypass %, verano

Bypass %, invierno

Altitud

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

Altura Fin por Fin/pulgada 1/2 pulgada por 9 5/8 pulgada por 10

APF, sq ft/ft 3.80 5.58

AR, sq ft/ft 14.5 21.4

Tube Pitch 2 in. 2 1/4 in. 2 1/4 in. 2 3/8 in. 2 1/2 in. APSF (3 filas) 68.4 60.6 89.1 84.8 80.4APSF (4 filas) 91.2 80.8 118.8 113.0 107.2

APSF (5 filas) ,114.0 101.0 148.5 141.3 134.0

APSF (6 filas) 136.8 121.2 178.2 169.6 160.8

Nota: APF es el rea total externa/ft de fin tube en ft/ft. AR es el rea radio de un tubo fin comparado con el rea exterior de 1

in. OD tubo bare, el cual tiene 0.262 sq ft/ft. APFS es el rea externa en sq ft/sq ft de la cara bundle.


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TABLA 4-4 Coeficiente de transferencia de calor total para enfriadores de aire (cortesa de

GPSA,1995)

1 Fintube

1/2 in. by 9 5/8 in. by 10

Servicio bU xU bU xU

1. Soluciones de Agua & Agua

Camisa del motor agua (= 0.001) 110 7.5 130 6.1

Agua de Proceso (= 0.002) 95 6.5 110 5.2

50-50 etileno glicol-agua (= 0.001) 90 6.2 105 4.9

50-50 etileno glicol-agua (= 0.002) 80 5.5 95 4.4

2. Enfriadores de Hidrocarburo liquido

Viscosidad, cp, a temperatura promedio

0.2 85 5.9 100 4.7

0.5 75 5.2 90 4.2

1.0 65 4.5 75 3.5

2.5 45 3.1 55 2.6

4.0 30 2.1 35 1.6

6.0 20 1.4 25 1.2

10.0 10 0.7 13 0.6

3. Enfriadores de Hidrocarburo gaseoso

Presin, psig

50 30 2.1 35 1.6

100 35 2.4 40 1.9

300 45 3.1 55 2.6

500 55 3.8 65 3.0

750 65 4.5 75 3.5

1.000 75 5.2 90 4.2

4. Enfriadores de aire y flue-gas

Usar la mitad de los valores dados en enfriadores de Hidrocarburo gaseoso

5. Condensadores de vapor (Presin atmosfrica y superior)

Vapor Puro ( = 0.005) 125 8.6 145 6.8

Vapor con no-condensables 60 4.1 70 3.3

6. Condensadores de HC

Rango de condensacin, F

Rango de 0 85 5.9 100 4.7

Rango de 10 80 5.5 95 4.4

Rango de 25 75 5.2 90 4.2Rango de 60 65 4.5 75 3.5

Rango de 100 y superiores 60 4.1 70 3.3

7. Otros condensadores

Amonio 110 7.6 130 6.1

Freon 12 65 4.5 75 3.5

Notas: Ub basada en el rea del tubo, Ux basada en la rea superficial extendida. (basada en aproximaciones de velocidades demasa de la cara del aire a velocidades entre 2.800 y 2.600 lb/hr*ft2 en el rea de la cara).

*Rango de condensacin = temperatura de entrada a la zona de condensacin menos la temperatura de salida del hidrocarburo dela zona de condensacin.

PROCEDIMIENTO ITERATIVO DE CALCULO CON T2 DESCONOCIDA

Existen diferentes aproximaciones para resolver problemas de enfriadores de gas usandosoluciones iterativas. Una de estas aproximaciones es determinar la temperatura de gas en la

salida del enfriador cuando el usuario ha especificada esta temperatura como desconocida. Lasolucin depende del nmero de bays del enfriador que estn equipadas con ventiladores simpleso de velocidad variable. Los pasos de compresin para cada uno de estos casos son levementediferentes, pero la tcnica de solucin y ecuaciones usadas son casi idnticas para diferentesvelocidades de ventiladores. El procedimiento para resolver un problema de enfriador convelocidad variable de ventiladores cuando la temperatura de salida del gas es especificada abajo.Para mayor detalle ver (GPSA 1994) y (Yoshikai 1994).


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Solucin iterativa para enfriadores de gas con velocidad variable con temperatura de salida

Especificada

1. Asuma la temperatura del gas de salida del enfriador (T2)2. Calcule el calor requerido qg (lado del gas) usando la ecuacin (4-71)3. Calcular el flujo msico de aire ma ecuacin (4-85

4. Calcular t2 usando la ecuacin (4-72) (qa=qg)5. Calcular LMTD usando la ecuacin (4-77).6. Calcular los factores P y R usando ecuaciones (4-78) y (4-79).7. Usar figuras 4-36 o 4-37 para encontrar el factor de correccin de temperatura (F).8. Calcular LMTD corregido9. Calcular ambos coeficientes de calor del lado del gas y aire con las ecuaciones (4-83) y

(4-84), y el coeficiente total de transferencia de calor usando la ecuacin (4-80).10. Calcular la transferencia de calor q usando la ecuacin (4-74).11. Si q no concuerda con qg en el paso 2, cambiar la temperatura de salida del gas T2,

hasta que q y qg sean iguales (con una tolerancia limite permitida)12. Calcular la cada de presin con la ecuacin (4-87).

T2 debe no exceder la temperatura mxima permitida de descarga. Este mximo valordepende de diferentes factores, particularmente en el revestimiento del ducto, el cual podraestar daado por temperaturas que excedan los 65C. La mxima temperatura de descarga delenfriado de gas en el Sistema TransCanada se establece en 45C, entonces todos losenfriadores estn diseados con este valor. En reas con clima extremadamente frio, un valormnimo permisible puede ser especificado. La definicin de este valor es importante porque lascontracciones en los ductos y su revestimiento a muy bajas temperaturas pueden causarproblemas de problemas de deterioro y punto de roci.

REFERENCIAS


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