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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL
Facultad de Ingenieriacutea en Mecaacutenica y Ciencias de la Produccioacuten
ldquoDisentildeo y Construccioacuten de un Sistema de Enfriamiento para
Activacioacuten de Bateriacuteas utilizadas en Submarinos de la Armada
Nacional del Ecuadorrdquo
TESIS DE GRADO
Previo a la obtencioacuten del Tiacutetulo de
INGENIERO MECAacuteNICO
Presentada por
Luis Gonzalo Laverde Naranjo
GUAYAQUIL ndash ECUADOR
Antildeo 2008
106
DECLARACIOacuteN EXPRESA
ldquoLa responsabilidad del contenido de esta
Tesis de Grado me corresponden
exclusivamente y el patrimonio intelectual de
la misma a la ESCUELA SUPERIOR
POLITEacuteCNICA DEL LITORALrdquo
(Reglamento de Graduacioacuten de la ESPOL)
Luis Gonzalo Laverde Naranjo
107
TRIBUNAL DE GRADUACIOacuteN
Ing Francisco Andrade S
DECANO DE LA FIMCP
PRESIDENTE
Ing Ernesto Martiacutenez L
DIRECTOR DE TESIS
Ing Manuel Helguero
VOCAL
Ing Jorge Duque R
VOCAL
108
DECLARACIOacuteN EXPRESA
ldquoLa responsabilidad del contenido de esta
Tesis de Grado me corresponden
exclusivamente y el patrimonio intelectual de
la misma a la ldquoESCUELA SUPERIOR
POLTEacuteCNICA DEL LITORALrdquo
(Reglamento de Graduacioacuten de la ESPOL)
109
Luis G Laverde Naranjo
AGRADECIMIENTO
A todas las personas que
de uno u otro modo
colaboraron en la
realizacioacuten de este
trabajo y especialmente
en el Ing Juliaacuten Pentildea
Director de Tesis por
su invaluable ayuda
A DIOS porque El es Bueno y Excelso al permitirme tener eacutexito en mis
estudios
A mi familia especialmente mis padres hermanos mis sobrinos en especial
Daniel por su ayuda en todo momento de mi vida
A mi director de Tesis Ing Ernesto Martiacutenez por su mano de apoyo siempre
presta e incondicional dispuesta a brindar su amistad y ayuda como
formador de los futuros profesionales
A la compantildeiacutea ERMARLO SA y todo su personal empresa en la cual me
he forjado y me ha permitido desarrollar este tema de tesis
A todos mis familiares amigos y personas que me ayudaron y apoyaron
para alcanzar mi objetivo
110
DEDICATORIA
A DIOS
A MIS PADRES
GONZALO E ISABEL
111
A MI FAMILIA
RESUMEN
El presente trabajo consiste en dar una solucioacuten real a la necesidad actual y futura del enfriamiento de
las bateriacuteas que se utilizan en los submarinos de la Armada Nacional del Ecuador en el proceso de
activacioacuten de eacutestas en tierra
En el Capiacutetulo Uno se plantea las generalidades detallando las partes constitutivas de los submarinos
caracteriacutesticas de las bateriacuteas que se utilizan en los submarinos meacutetodos de carga de las bateriacuteas y
administracioacuten de la temperatura en el proceso de activacioacuten de eacutestas
El Capiacutetulo Dos trata de la descripcioacuten del problema en esta seccioacuten se describe los requerimientos
dados por el fabricante de las bateriacuteas para que estas puedan entrar en funcionamiento se plantea
varias alternativas de solucioacuten que permita solucionar el problema planteado
El Capiacutetulo Tres se realiza el anaacutelisis teacutermico de acuerdo a datos teacutecnicos dados por los fabricantes
de las bateriacuteas que aplicando conocimientos de termodinaacutemica y transferencia de calor se podraacute
plantear las ecuaciones adecuadas para tener resultados y poder dimensionar los equipos necesarios
para lograr el objetivo planteado
112
En el Capiacutetulo Cuatro conocidos los paraacutemetros teacutermicos actuantes en el sistema se procede a
realizar la seleccioacuten y disentildeo mecaacutenico de los componentes involucrados en el funcionamiento del
sistema de enfriamiento
El Capiacutetulo Cinco realiza una evaluacioacuten teacutecnica para la construccioacuten y montaje de los equipos la
evaluacioacuten econoacutemica del proyecto y actividades de taller
El Capiacutetulo Seis se da conclusiones y recomendaciones a las que se llega como consecuencia del
desarrollo de este trabajo Ademaacutes recomendaciones para que se implemente en un proceso de
mejora continua
IacuteNDICE GENERAL
Paacuteg
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I
IacuteNDICE GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip III
ABREVIATURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VII
SIacuteMBOLOGIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XI
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XII
IacuteNDICE DE PLANOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XIV
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XV
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
CAPIacuteTULO 1
1 GENERALIDADEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
11 Descripcioacuten del sistema de poder de los submarinoshelliphelliphellip 4
113
12 Caracteriacutesticas generales del submarino U - 209helliphelliphelliphelliphellip 6
13 Proceso de activacioacuten de las bateriacuteas para submarinohelliphellip
131 Anaacutelisis del sistema operativohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
132 Caracteriacutesticas de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
133 Capacidad de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
134 Autodescargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
135 Almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
136 Principales meacutetodos de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
137 Control de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
138 Control de la temperatura en las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphellip
7
7
14
16
21
23
24
27
29
CAPIacuteTULO 2
2 DESCRIPCION DEL PROBLEMAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
21 Requerimientos para el proceso de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 36
22 Consideraciones teacutecnicas para la activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
23 Alternativas de solucioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
37
38
231 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
232 Sistema de enfriamiento con intercambiador enfriado por
airehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
233 Sistema de enfriamiento utilizando chillerhelliphelliphelliphelliphelliphellip
234 Sistema de enfriamiento utilizando intercambiador de calor y torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
42
43
45
24 Seleccioacuten mejor alternativahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
25 Torres de enfriamiento y su clasificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
26 Seleccioacuten de la torre a utilizarsehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
114
CAPIacuteTULO 3
3 ANAacuteLISIS TEacuteRMICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
31 Descripcioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
32 Datos de operacioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 64
33 Seleccioacuten del intercambiador de calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
331 Meacutetodo FLMTDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
332 Uso de software para seleccioacuten del intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
34 Disentildeo teacutermico de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
351 Fundamento del enfriamiento por evaporacioacutenhelliphelliphellip 87
352 Caacutelculoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89
CAPIacuteTULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 105
41Componentes de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 104
42 Determinacioacuten de la seccioacuten transversal de la torrehelliphelliphelliphellip 108
43 Seleccioacuten de la columna de contactohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 112
431 Altura de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
432 Aacuterea perforadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
433 Dimensiones de las perforacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
434 Espesor de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 117
44 Disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de la torre de enfriamiento 121
441 Seleccioacuten del espesor de planchahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 123
442 Carga en las paredes del depoacutesitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
444 Momento de inercia miacutenimo requeridohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
433 Distancia entre soportes del colectorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
115
44 Seleccioacuten del ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 129
45 Seleccioacuten de diaacutemetro de la tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 135
46 Seleccioacuten de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 137
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
51 Diagrama de Gantthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
511 Preparacioacuten de documentos planos de taller y
movilizacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 139
512 Fabricacioacuten en el tallerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
513 Montaje del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
514 Preparacioacuten de superficie y pintura en sitiohelliphelliphelliphelliphellip 148
515 Pruebas hidrostaacuteticas de tuberiacuteas e intercambiadorhellip 149
516 Bombas de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
517 Instalacioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
52 Materiales y equipos requeridoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
53 Resumen de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 156
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
61 Conclusioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
62 Recomendacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 160
APEacuteNDICES
BIBLIOGRAFIacuteA
116
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 11 Partes constitutivas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
Figura 12 Estado de descarga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Figura 13 Estado de carga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
117
Figura 14 Variacioacuten de la capacidad seguacuten reacutegimen de descargahelliphellip 17
Figura 15 Variacioacuten de la capacidad seguacuten la temperaturahelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Variacioacuten de la capacidad seguacuten nuacutemero de cicloshelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Variacioacuten de la vida uacutetil en funcioacuten de la descargahelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Variacioacuten de la capacidad por autodescarga 22
Figura 19 Reaccioacuten exoteacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 21 Trabajos preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 22 Esquema de enfriamiento de bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 23 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Figura 24 Enfriamiento utilizando intercambiador enfriado por aire 43
Figura 25 Sistema de enfriamiento utilizando un chiller 44
Figura 26 Sistema de enfriamiento utilizando torre de enfriamiento e intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
Figura 27 Torre de enfriamiento de tiro forzadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
Figura 28 Torre de flujo a contracorriente y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
Figura 29 Torre de flujo cruzado y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
Figura 31 Disposicioacuten de las bateriacuteas en el cuarto de activacioacutenhelliphelliphellip 61
Figura 32 Disposicioacuten de tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
Figura 33 Sistema de desplazamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 34 Bateriacuteas en cuarto de activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 35 Sistema moacutevil para llevar el fluido de enfriamiento a las
bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
Figura 36 Disentildeo de forma del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
Figura 37 Distribucioacuten de temperaturas en un intercambiador de calor de doble tubo en
paralelohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 69
Figura 38 Ventana de inicio del programahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
Figura 39 Ventana de seleccioacuten de tipo de intercambiador a utilizarse y definicioacuten de
fluidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
Figura 310 Datos del material del intercambiadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 80
118
Figura 311 Ventana de ingreso de datos de intercambiador de calorhellip 81
Figura 312 Ventana de resultados en la presioacuten de disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphellip 82
Figura 313 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 83
Figura 314 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 84
Figura 315 Disposiciones del haz de tuboshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
Figura 316 Idealizacioacuten del fenoacutemeno de transferenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
Figura 317 Flujo Especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
Figura 318 Diagrama del sistema para el disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
Figura 319 Relaciones de agua y aire de una torre a contra flujohelliphelliphellip 93
Figura 320 Diagrama de operacioacuten de enfriamiento del aguahelliphelliphelliphelliphellip 101
Figura 41 Disentildeo de Forma de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 108
Figura 42 Diagrama de operacioacuten de una bandeja perforadahelliphelliphelliphellip 114
Figura 43 Disposicioacuten de agujeros en las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
Figura 44 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 45 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 46 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 47 Valores de alfahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
Figura 48 Dimensionamiento del depoacutesito de coleccioacuten de aguahelliphelliphellip 123
Figura 49 Cargas hidrostaacuteticashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
Figura 410 Distancia entre soporteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
Figura 412 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 413 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 414 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 415 Diagrama para seleccionar modelo de ventiladorhelliphelliphelliphelliphellip 131
Figura 416 Ventilador seleccionadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 132
Figura 417 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 418 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 419 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 51 Diagrama de Gantt 138
119
Figura 52 Sistema de deslizamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 171
Figura 53 Alineacioacuten de piso donde se asentaraacute la torrehelliphelliphelliphelliphelliphellip 172
Figura 54 Bomba de agua para torrehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 175
Figura 55 Tuberiacutea de succioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 176
Figura 56 Tablero de control eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 177
Figura 57 Intercambiador sumergido en colector de la torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 58 Bandejas perforadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 59 Torre de enfriamiento instaladahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 179
120
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphellip 6
Tabla 12 Paraacutemetros de almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
Tabla 21 Programa de carga eleacutectrica para la activacioacuten de las bateriacuteas de los
submarinoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
Tabla 22 Impurezas maacutes comunes en el agua que afectan los sistemas de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 23 Matriz de decisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
Tabla 24 Clasificacioacuten de las torres de enfriamiento 49
Tabla 25 Matriz de decisioacuten para seleccionar el tipo de torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
Tabla 31 Escala de presioacuten y valor U para tipos de intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Tabla 32 Aacuterea transversal de flujo y superficie para intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Tabla 33 Valores de entalpiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 102
Tabla 34 Caracteriacutesticas de humidificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103
Tabla 41 Dimensiones de zona sin perforarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
Tabla 42 Informe de resultados del anaacutelisis de la bandeja perforadahellip 119
Tabla 43 Informe de resultados del colector de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 127
Tabla 44 Informe de resultados de la campana de extraccioacutenhelliphelliphelliphellip 133
Tabla 45 Velocidades y caiacutedas de presioacuten permisibles 135
Tabla 46 Densidad del fluido en funcioacuten de la velocidadhelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
Tabla 51 Lista de equipos y herramientashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
121
IacuteNDICE DE PLANOS
Plano 1 Torre de enfriamiento y sus partes
Plano 2 Bandejas perforadas
Plano 3 Campana de extraccioacuten
Plano 4 Tanque colector
Plano 5 Placa soporte
Plano 6 Dimensiones de estructura de torre de enfriamiento
122
ABREVIATURAS
ordmC Grados centiacutegrados
Mg Magnesio
Si Silicio
m Metros
cm Centiacutemetros
mm Miliacutemetros
kg Kilogramos
t Toneladas meacutetricas
MVA Mega voltamperios
kwh Kilovatio hora
tkwh Kilovatio hora por tonelada
Nm3
Metro cuacutebico normalizado
FeMn Ferromanganeso
MgO Oacutexido de magnesio
m Microacutemetro
NO2 Dioacutexido de nitroacutegeno
3Nmg
Gramos por metro cuacutebico de aire normalizado
ht Toneladas por hora
3mg
Gramos por metro cuacutebico
123
3mmg
Miligramos por metro cuacutebico
3pieg
Gramos por pieacute cuacutebico
min
3pie Pieacute cuacutebico por minuto
gal galoacuten
CFM Pies cuacutebicos por minuto
t
Kg Kilogramos por tonelada
hm3
Metros cuacutebicos por hora
th
m3
Metros cuacutebicos por hora por tonelada
s Densidad del soacutelido
3mg
Microgramos por metro cuacutebico
3mkg
Kilogramo por metro cuacutebico
sm Metros por segundo
OHmmCol 2 Miliacutemetros de columna de agua
atm atmoacutesferas
Pa Pascales
FPM Pies cuacutebicos por minuto
A Aacuterea
V Velocidad
Q Caudal
sm3
Metros cuacutebicos por segundo
124
SP Presioacuten estaacutetica
VP Presioacuten dinaacutemica
kPa Kilopascales
MPa Megapascales
2lgpulb Libras por pulgadas cuadradas
antildeomm Miliacutemetro por antildeo
hmm
2
3
Metros cuacutebicos por metro cuadrado por hora
psi Libras por pulgada cuadrada
diaacutemetro
ppm Partes por milloacuten
M Momento
mpy Mileacutesimas de pulgada por antildeo
Mw Megavatios
T Diferencia de temperaturas
CkgJ
ordm Joules por kilogramo por grado centiacutegrado
k Conductividad
h Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
R Sumatoria de resistencias
f Factor de friccioacuten
St Nuacutemero de stanton
KmW
2 Vatios por metro cuadrado por grados kelvin
125
INTRODUCCIOacuteN
La Armada del Ecuador a cargo de la Direccioacuten de Mantenimiento de la
institucioacuten con el propoacutesito de brindar mantenimiento al escuadroacuten de
submarinos nacionales SS ndash 11 ldquoShyrirdquo y SS ndash 12 ldquoHuancavilcardquo tipo U ndash 209
de fabricacioacuten alemana considera el cambio inmediato de las bateriacuteas de
propulsioacuten instaladas en dichos submarinos por haber cumplido su ciclo de
vida
Las unidades submarinas son de propulsioacuten diesel ndash eleacutectricas las bateriacuteas
son las encargadas de suministrar la energiacutea necesaria para propulsar y
alimentar la red abordo
Las bateriacuteas operan desde el antildeo 1997 tiempo de operacioacuten hasta la fecha
de 11 antildeos que sobrepasan el tiempo de vida uacutetil que es de 10 antildeos lo que
requiere un reemplazo inmediato de las bateriacuteas
Es por eso que las bateriacuteas de propulsioacuten fueron adquiridas a traveacutes de la
Junta de Defensa Nacional a la compantildeiacutea alemana Hawker GMBH una
126
remesa de 960 bateriacuteas estas son del tipo plomo ndash aacutecido las bateriacuteas se
someten a un proceso de carga y descarga cuando estaacuten montadas en el
submarino este proceso genera calor y produccioacuten de hidroacutegeno en el
ambiente
Para controlar la generacioacuten de calor existe en el submarino un sistema de
enfriamiento utilizando agua del mar las bateriacuteas nuevas adquiridas no
vienen activadas de fabrica para evitar problemas de danos y eliminar
riesgos durante el viaje hasta las instalaciones de la Armada Nacional es por
eso que la institucioacuten a dispuesto un lugar estrateacutegico donde se va a
proceder a la construccioacuten del sistema de activacioacuten de las bateriacuteas lo que
conlleva a realizar trabajos preliminares para la puesta en marcha de estos
equipos
Como este proceso tiene que ser realizado en tierra la Armada del Ecuador
convoca a diferentes empresas para licitar en el disentildeo construccioacuten y
montaje de un sistema de enfriamiento de agua que va a ser utilizada en la
activacioacuten de 120 bateriacuteas a la vez
ERMARLO SA empresa en la cual me desenvolviacutea en el departamento de
proyectos fue adjudicada la licitacioacuten y fue asignado el proyecto de disentildeo y
construccioacuten del sistema de enfriamiento el cual es el objetivo de esta tesis
127
Se utilizaran varios programas computacionales como Inventor 10 ESP plus
con el fin de utilizarlos en la praacutectica con mayor destreza para solucionar
problemas
CAPITULO 1
1 GENERALIDADES 11 Descripcioacuten del Sistema de Poder de los Submarinos
A fin de clarificar ciertos aspectos importantes para comprender el sistema de
propulsioacuten de los submarinos se realizaraacute una breve descripcioacuten generalizada de
este tipo de buque
El submarino tipo U ndash 209 es un buque disentildeado exclusivamente para
operar bajo el agua esta afirmacioacuten puede parecer redundante pero
es necesaria para diferenciar los submarinos modernos de los usados
durante la primera y segunda guerras mundiales que era propiamente
128
ldquosumergiblesrdquo es decir los buques con capacidad de permanecer
periodos relativamente cortos bajo la superficie esto explica el disentildeo
de estos con cantildeones en cubierta para la defensa aeacuterea y de
superficie
Hasta la llegada de la propulsioacuten nuclear marina la mayoriacutea de los submarinos del
siglo XX usaron bateriacuteas eleacutectricas para la navegacioacuten subacuaacutetica y motores de
combustioacuten interna para la superficie y recargar las bateriacuteas Los primeros modelos
usaban gasolina como combustible pero pronto se sustituyoacute por parafina y luego
gasoacuteleo gracias a su menor inflamabilidad La combinacioacuten diesel-eleacutectrico se
convertiriacutea en el medio de propulsioacuten estaacutendar Inicialmente el motor diesel o gasolina
y el eleacutectrico separados por embragues estaban en el mismo eje e impulsaban el
propulsor Esto permitiacutea que el primero usase al segundo como generador para
recargar las bateriacuteas e impulsar tambieacuten al submarino si era necesario Cuando el
submarino se sumergiacutea se desembragaba el motor diesel de forma que se usase el
eleacutectrico para girar la heacutelice El motor eleacutectrico puede tener maacutes de un inducido sobre
el eje estando eleacutectricamente acoplados en serie para velocidades bajas y en
paralelo para velocidades altas
129
12 Caracteriacutesticas Principales del Submarino U ndash 209
Desplazamiento
(sumergidos)
1285 Ton
Dimensiones 559 6355 m
Propulsioacuten 4 MTU MD 12V992 Tb 90
diesel de 600 CV un
Siemens eleacutectrico de
5000 CV y 4
generadores eleacutectricos
de 405 Kw
Tipo Submarino diesel
eleacutectrico de ataque SSK
Astillero de origen Howaldtswerke Kiel
Alemania
Desplazamiento 1265 ton (superficie)
1396 ton (inmersioacuten)
Casco Acero naval reforzado
Celdas 480 de 11500 Amp ndash h y
un peso total de 257 ton
Combustible 108 ton
Profundidad
maacutexima
500 metros
Armamento 553 mm torpedos en
tubos (14) misil Sub-
130
Harpoon
Tripulacioacuten 33
TABLA 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U ndash 209
El submarino posee 4 bateriacuteas de 120 celdas cada una
Cada celda estaacute disentildeada para almacenar cargas con voltajes que no
exceden los 275 voltios de corriente continua Las 120 celdas estaacuten
conectadas en serie esto para cada bateriacutea
FIGURA 11 PARTES CONSTITUTIVAS DEL SUBMARINO U -209
13 Proceso de Carga y Descarga de las Bateriacuteas en el Submarino
131
Para activar las bateriacuteas antes de ser puestas en operacioacuten se
requiere que se cumpla un determinado procedimiento el cual
implica periodos de carga y descarga de acuerdo a un plan
establecido
131 Anaacutelisis del Sistema Operativo de las Bateriacuteas
El suministro de energiacutea eleacutectrica dentro del buque tiene un solo
responsable estas son las celdas del buque
Primeramente entieacutendase por celdas al elemento unitario de
energiacutea eleacutectrica del buque que baacutesicamente es un acumulador de
plomo y aacutecido o pila secundaria que puede recargarse invirtiendo
la reaccioacuten quiacutemica
La celda electroliacutetica que describiremos a continuacioacuten el
acumulador de plomo
Estos acumuladores constan de una serie de placas de plomo
dispuestas una al lado de la otra y separadas entre siacute por medio de
los separadores
Las placas son unas rejillas rectangulares en las que se efectuacutea
una transformacioacuten de energiacutea quiacutemica en eleacutectrica o viceversa
seguacuten se descargue o cargue repetidamente el acumulador
132
Existen dos clases de placas las positivas constituidas a base de
peroacutexido de plomo cuyo color es negruzco y las negativas
constituidas de plomo combinado con materiales inertes que no
intervienen en la transformacioacuten generalmente antimonio Al
peroacutexido de plomo y al plomo que componen las placas se les
denomina materia activa del acumulador
Las placas positivas estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute
mediante una barra o laacutemina metaacutelica denominada puente de
unioacuten Lo mismo ocurre para las placas negativas Sobre ambos
puentes se hallan los bornes del acumulador uno positivo y otro
negativo
El conjunto de placas positivas y negativas alternadas se
encuentran sumergidas en agua acidulada que es una mezcla de
acido sulfuacuterico y agua que hace las veces de electrolito
En las condiciones hasta ahora descritas el acumulador se halla
cargado es decir que si entre sus bornes conectamos un
consumidor por ejemplo una laacutempara por ella circula corriente y
por tanto se encenderaacute ello es debido a que entre sus placas de
peroacutexido de plomo y de plomo existe una diferencia de potencial
capaz de producir corriente eleacutectrica cuando circula esta corriente
a traveacutes de un consumidor el acumulador se estaacute descargando
133
Durante dicha descarga para la corriente desde la placa positiva a
la negativa por el por el receptor o consumidor exterior a la bateriacutea
y por el interior desde la placa negativa a traveacutes del electrolito a la
placa positiva
Al pasar la corriente por el electrolito se descompone la moleacutecula
del aacutecido sulfuacuterico en dos iones (SO4-) y (2H+) con cargas
negativas y positivas respectivamente que reaccionan formando
en la placa positiva peroacutexido de plomo (PbO2) mas agua en el
recipiente Esta agua se genera porque el oxiacutegeno liberado de la
placa positiva del peroacutexido de plomo se combina con el hidroacutegeno
descompuesto del aacutecido sulfuacuterico
De la misma manera se forma sulfato plumboso en la placa
negativa y agua en el recipiente La reaccioacuten de la descarga la
podriacuteamos resumir asiacute
134
A medida que se va descargando la concentracioacuten de aacutecido
sulfuacuterico en el electrolito va disminuyendo lo que origina que sea
menos conductor provocando este fenoacutemeno un aumento de la
resistencia interior en el elemento lo que produce una caiacuteda de
tensioacuten tan grande que deja la bateriacutea fuera del servicio uacutetil
Cuando ha sido atacado todo el peroacutexido de plomo y todo el plomo
cesa la transformacioacuten y con ella la corriente eleacutectrica el
acumulador descargado incapaz de producir maacutes corriente
eleacutectrica
Si estando el acumulador descargado aplicamos en sus bornes
una diferencia de potencial se produciraacute la electroacutelisis del agua
contenida en el recipiente y las transformaciones que habraacuten
tenido lugar durante la descarga se invertiraacuten es decir en las
placas positivas se transformara el sulfato plumboso en peroacutexido
de plomo y aacutecido sulfuacuterico y en las negativas en plomo y aacutecido
sulfuacuterico con lo que el acumulador quedara nuevamente cargado y
con la facultad de poder suministrar de nuevo corriente eleacutectrica
La reaccioacuten de carga se habraacute efectuado asiacute
135
Estos fenoacutemenos quiacutemicos se llevan a cabo en el interior del
acumulador se va intentar representarlos por una serie de figuras
Por ejemplo en la Figura 12 Se tiene una aproximacioacuten a un
esquema de reaccioacuten quiacutemica durante la descarga del acumulador
La laacutempara representa el aparato consumidor que estaacute recibiendo
energiacutea eleacutectrica en este momento En el interior del acumulador
se estaacuten descomponiendo del modo que indican las flechas las
moleacuteculas de cada uno de los componentes de las placas
conjuntamente y en colaboracioacuten con el electrolito y su
composicioacuten quiacutemica
Obseacutervese como en la parte baja de las placas se produce la
presencia del sulfato de plomo (PbSO4) que es el indicio claro de la
descarga (En este esquema se mantiene el sentido electroacutenico de
la corriente es decir el paso del negativo al positivo tal como
ocurre en la realidad aunque se ha aceptado convencionalmente la
inversa)
136
La descarga total del acumulador llegariacutea a producirse cuando
ambas placas se hallaran saturadas de sulfato de plomo y el
electrolito fuera praacutecticamente formado por agua destilada La luz
dejara de brillar en sentildeal evidente de la falta de energiacutea eleacutectrica
FIGURA 12 ESTADO DE DESCARGA DE UN ACUMULADOR
El proceso de carga podemos verlo en la Figura 13 La colocacioacuten
de un generador de corriente continua entre los bornes del
acumulador hace que la corriente circule entre placas y electrolito
Tal como puede verse en la parte alta de las placas la presencia
del sulfato plumboso (PbSO4) es general lo que indica su estado
descarga pero al paso de la corriente eleacutectrica proveniente del
generador activa una reaccioacuten quiacutemica en la que de nuevo acido
sulfuacuterico se recompone Poco a poco la placa negativa recobra su
137
plomo inicial y la positiva su peroacutexido de plomo mientras el
electrolito aumenta su densidad por encima de los valores casi del
agua que teniacutea en el estado totalmente descargado debido a su
enriquecimiento de acido sulfuacuterico [13]
Estas son pues las transformaciones quiacutemicas mediante las
cuales es posible convertir energiacutea eleacutectrica en energiacutea quiacutemica y
viceversa
FIGURA 13 ESTADO DE CARGA DE UN ACUMULADOR [13]
132 Caracteriacutesticas de las Bateriacuteas
138
A pesar de su diversa constitucioacuten todas las bateriacuteas pueden
ser definidas mediante unas caracteriacutesticas comunes que se
consideran seguidamente
Resistencia interna- Formada por la resistencia oacutehmica
de sus componentes (terminales electrodos soportes y
electrolito) y por una resistencia virtual variable en funcioacuten
del estado de carga y de las distintas polarizaciones y
concentraciones Aumenta con las bajas temperaturas
con la descarga de la bateriacutea y con el envejecimiento
Rendimiento- Es la relacioacuten entre la energiacutea
suministrada durante la descarga y la que se necesita
para cargar plenamente la bateriacutea Las peacuterdidas en una
bateriacutea se deben sobre todo a una produccioacuten de energiacutea
caloriacutefica en los procesos quiacutemicos que tienen lugar
durante la carga y descarga
Velocidad de carga y descarga - Las corrientes de
carga y descarga a menudo se especifican con unos
teacuterminos que indican la descarga completa en un periacuteodo
continuo de una hora Estos teacuterminos son los regiacutemenes C
y sus muacuteltiples y submuacuteltiplos son un medio muy coacutemodo
para especificar las velocidades de carga y descarga Por
tanto 10C es la corriente que descarga la bateriacutea en seis
139
minutos mientras que C10 es la corriente que descarga
la bateriacutea en diez horas
Vida uacutetil - La vida uacutetil de una bateriacutea no se mide en antildeos
sino por la cantidad de ciclos de carga - descarga que es
capaz de realizar Asiacute si se la somete a un reacutegimen de
trabajo de muchos ciclos diarios probablemente soacutelo
duraraacute unos meses mientras que si el reacutegimen es de un
ciclo al diacutea o incluso maacutes lento (como ocurre en el caso de
iluminacioacuten de viviendas con energiacutea solar) la bateriacutea
puede durar al menos diez antildeos
133 Capacidad de una Bateriacutea
Es la cantidad de electricidad que puede entregar cuando se
descarga antes de que su tensioacuten disminuya por debajo de un
nivel miacutenimo Su siacutembolo es C y se expresa en A - h Otro
factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una bateriacutea
es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten quiacutemica
que tiene lugar en el acumulador se acelera demasiado y la
vida se acorta Si la temperatura es baja la vida se prolonga
pero si baja demasiado puede correr el riesgo de congelacioacuten
En este caso lo mejor seraacute mantener la bateriacutea en un nivel de
140
carga alto ya que cuanto mayor sea la concentracioacuten del
electrolito el punto de congelacioacuten seraacute maacutes bajo
La capacidad de una bateriacutea variacutea seguacuten el reacutegimen de
descarga aumenta a medida que la descarga es maacutes lenta y
disminuye cuando esta es maacutes raacutepida
Por esta razoacuten el valor de C debe venir referenciado con el
tiempo de descarga
FIGURA 14 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
REGIMEN DE DESCARGA [13]
Un incremento de la temperatura dentro de unos liacutemites
aumenta la actividad de los procesos quiacutemicos y por lo tanto
la capacidad de la bateriacutea Por el contrario a bajas
temperaturas la actividad quiacutemica es menor y la capacidad
disminuye considerablemente
141
FIGURA 15 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN LA
TEMPERATURA [13]
La historia de la bateriacutea afecta tambieacuten a la capacidad Si una
bateriacutea lleva un largo periacuteodo sin ser recargada en toda su
capacidad se produce un efecto memoria que impide que
recupere su capacidad nominal siendo necesarios varios
ciclos de carga y descarga para recuperarla El
envejecimiento de una bateriacutea merma su capacidad y va
disminuyendo a lo largo de su vida en funcioacuten del servicio de
carga - descarga a que sea sometida Para el caacutelculo de la
capacidad nominal necesaria hay que tener en cuenta la vida
uacutetil que se desea para la bateriacutea si se desea una vida uacutetil de
142
3 antildeos y el fabricante indica que al final de este periacuteodo soacutelo
se mantiene el 50 de la capacidad habraacute que utilizar una
bateriacutea de capacidad doble a la estimada necesaria
FIGURA 16 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
NUacuteMERO DE CICLOS [13]
Ademaacutes de los ciclos de carga - descarga tambieacuten hay que
considerar la profundidad de la descarga media que se
produce en cada uno de ellos Si dicha descarga es
moderada y soacutelo de vez en cuando se alcanza una
profundidad elevada el nuacutemero de ciclos que soportaraacute las
bateriacuteas seraacute elevado A medida que se la someta a
descargas maacutes profundas el nuacutemero de ciclos que podraacute
realizar y por tanto su vida uacutetil iraacute disminuyendo En
143
cualquier caso la profundidad de descarga maacutexima admisible
para un acumulador plomo - aacutecido es del 80
FIGURA 17 VARIACION DE LA VIDA UTIL EN FUNCION
DE LA DESCARGA [13]
Con un reacutegimen de descarga diaria del 25 de su capacidad
y un 80 de descarga 2 veces al antildeo (condiciones que
normalmente se dan en una instalacioacuten fotovoltaica) la
bateriacutea solar puede alcanzar una vida uacutetil de maacutes de 11 antildeos
Otro factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una
bateriacutea es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten
quiacutemica que tiene lugar en el acumulador se acelera
demasiado y la vida se acorta Si la temperatura es baja la
144
vida se prolonga pero si baja demasiado puede correr el
riesgo de congelacioacuten En este caso lo mejor seraacute mantener
la bateriacutea en un nivel de carga alto ya que cuanto mayor sea
la concentracioacuten del electrolito el punto de congelacioacuten seraacute
maacutes bajo
Las mayores formas de acortar la vida uacutetil de un acumulador
son
someterlos a cargas y descargas violentas y repetidas
descargarlo hasta el agotamiento
trabajar a temperaturas extremas
134 Autodescarga
La autodescarga de una bateriacutea consiste en la peacuterdida de
energiacutea por reaccioacuten entre los materiales que forman los
elementos de la bateriacutea en condiciones de circuito abierto es
decir cuando no hay carga alguna conectada al circuito de la
bateriacutea Depende del tipo de bateriacutea y muy directamente de la
temperatura aumentando con esta Por ello y dado que los
valores estaacutendar suelen venir referidos a una temperatura
145
media (unos 20 oacute 25ordmC) es preciso tener en cuenta que este
factor puede alterarse en algunos casos
FIGURA 18 VARIACION DE LA CAPACIDAD POR
AUTODESCARGA [13]
La autodescarga hay que considerarla como un consumo
adicional que demanda un cierto porcentaje de energiacutea
almacenada Su valor es aproximadamente de un 05 a un
1 diario en bateriacuteas plomo - aacutecido
146
135 Almacenamiento
Los fabricantes suelen dar recomendaciones para el almacenamiento
Mostramos las condiciones recomendadas para aplicaciones solares
en la tabla siguiente
TABLA 12 PARAMETROS DE ALMACENAMIENTO [18]
Las bateriacuteas almacenadas llenas y cargadas requieren un periodo de
recarga antes de su instalacioacuten El fabricante debe proporcionar las
instrucciones acerca de los intervalos y meacutetodos en los que debe
efectuarse
La exposicioacuten a alta temperatura y humedad durante el
almacenamiento puede ocasionar una peacuterdida de capacidad La
temperatura de una bateriacutea guardada en un recipiente expuesto a la
luz directa del sol puede subir a 60 degC o maacutes durante el diacutea
147
136 Principales Meacutetodos de Carga
La vida uacutetil de una bateriacutea y sus prestaciones dependen
directamente de los procesos de carga a los que es sometida
Por esta razoacuten hay que seguir en cada caso las
recomendaciones que da el fabricante
Los principales meacutetodos de carga son
1 Tensioacuten constante
2 Corriente constante
3 Corriente descendente
4 Dos niveles de tensioacuten constante
Tensioacuten constante
El meacutetodo de carga a tensioacuten constante es el maacutes usado para
cargar bateriacuteas de plomo - aacutecido Consiste en aplicar una
tensioacuten constante de 23 24 oacute 25 Velemento limitando la
corriente inicial de carga a 01C oacute 02 C amperios siendo C la
capacidad de la bateriacutea en amperios - hora El tiempo de
carga va de 40 horas a 10 horas y la tensioacuten debe regularse
seguacuten la temperatura ambiente si la temperatura es alta la
tensioacuten de carga debe ser baja y viceversa
148
Algunos fabricantes admiten la utilizacioacuten de este meacutetodo sin
limitacioacuten de corriente pues sus bateriacuteas estaacuten
dimensionadas para fuertes corrientes En este caso si se
inicia el proceso con 23Velemento la corriente inicial
despueacutes de una descarga profunda seraacute de 3C amperios y de
un 05C durante un periacuteodo largo
Corriente constante
El meacutetodo de carga a corriente constante es recomendado
por algunos fabricantes para las bateriacuteas de niacutequel - cadmio
limitando la corriente entre 025C y 005C amperios En el
caso de carga profunda se admiten corrientes de 1C
amperios pero vigilando la tensioacuten de la bateriacutea o la
temperatura
La carga a corriente constante se utiliza como carga de
igualacioacuten en bateriacuteas plomo - aacutecido para corregir diferencias
de capacidad entre las bateriacuteas de un mismo grupo Para
evitar una sobrecarga que destruya la bateriacutea es necesario
terminar cuando la bateriacutea alcance su maacutexima capacidad
149
Corriente descendente
Es el sistema de carga maacutes econoacutemico y es utilizado por
algunos fabricantes para sus bateriacuteas niacutequel - cadmio
Consiste en una carga sin regulacioacuten limitada por una
resistencia serie que en algunos casos es la propia
resistencia del devanado del transformador de alimentacioacuten
A medida que la bateriacutea se va cargando la corriente de carga
va descendiendo gradualmente Es un meacutetodo antiguo y muy
peligroso porque la tensioacuten y corriente de carga dependen de
las fluctuaciones de la corriente de la red con lo que existe
riesgo impliacutecito de sobrecarga
Dos niveles de tensioacuten constante
Es el meacutetodo recomendado para cargar una bateriacutea de plomo
- aacutecido hermeacutetica en un periacuteodo corto de tiempo y mantener la
bateriacutea en plena carga en situacioacuten de flotacioacuten Inicialmente
se carga a un nivel alto de tensioacuten (245Velemento)
limitando la corriente A partir de que esta disminuya por
debajo de un nivel se pasa a tensioacuten constante permanente o
de flotacioacuten Este meacutetodo es el maacutes eficiente pues minimiza el
tiempo de carga y la bateriacutea queda protegida de sobrecargas
150
Despueacutes de una descarga profunda es necesario un tiempo
de carga maacutes largo de lo normal Inicialmente la corriente que
admite la bateriacutea es baja ya que la resistencia interna tiene
un valor elevado y no adquiere su valor normal hasta pasados
unos 30 minutos Por este motivo es necesario inhibir el
control durante este periacuteodo de tiempo pues el cargador
podriacutea suponer que la bateriacutea estaacute cargada y dejarla en
flotacioacuten
137 Control de Carga
Para mantener el rendimiento oacuteptimo de una bateriacutea es esencial que
su carga se controle adecuadamente Al comienzo del ciclo de carga la
corriente deberiacutea limitarse para asegurar que no se produzca
generacioacuten de gases a causa de un voltaje excesivo aplicado al vaso
mientras la capacidad se recupera la corriente de carga debe
limitarse para mantener el voltaje de los vasos en el umbral requerido
para la generacioacuten de gases o ligeramente inferior una vez
recuperada la plena capacidad se deberiacutea aplicar una carga final a
corriente constante por un periacuteodo de tiempo fijo (carga de
igualacioacuten) Aunque estas condiciones no puedan lograrse
praacutecticamente en los sistemas de energiacutea fotovoltaica hay ciertas
151
circunstancias que se necesitan para minimizar el mantenimiento y
mantener la vida de la bateriacutea Los paraacutemetros del regulador tendraacuten
en cuenta los efectos del disentildeo del generador fotovoltaico la carga
la temperatura y los valores liacutemite recomendados para proteger la
bateriacutea Las de plomo-aacutecido o de niacutequel-cadmio tendraacuten el electrolito
suficiente para cubrir el periacuteodo entre por lo menos las visitas de
mantenimiento planificadas [13]
La sobrecarga excesiva no aumenta la energiacutea almacenada en la
bateriacutea En cambio la sobrecarga afecta al intervalo de servicio
debido al consumo de agua destilada en las bateriacuteas aacutecidas como
resultado de la generacioacuten de gases Para minimizar este efecto el
voltaje de regulacioacuten de la carga debe compensarse con los cambios
en la temperatura del electrolito ya que esto afecta directamente al
umbral de voltaje de generacioacuten de gases Contrariamente a esto la
estratificacioacuten puede ocurrir en bateriacuteas de electrolito liacutequido
particularmente en sistemas fotovoltaicos doacutende la insolacioacuten es a
menudo insuficiente para proporcionar generacioacuten de gases durante
el funcionamiento normal La estratificacioacuten se produce cuando capas
menos densas de electrolito se depositan sobre capas maacutes densas
situadas en el fondo de los vasos lo que produce una reduccioacuten de
152
capacidad Esto puede corregirse con la agitacioacuten que se produce
durante el proceso de gasificacioacuten Por consiguiente el proceso de
regulacioacuten de carga debe disentildearse para promover la generacioacuten de
gases a intervalos regulares Esto puede lograrse elevando el voltaje
de control de carga durante un periacuteodo y restablecieacutendolo una vez
que se ha producido la generacioacuten de gases
138 Administracioacuten de la Temperatura en las Bateriacuteas
Limites de temperatura de operacioacuten
Todas las bateriacuteas dependen para su funcionamiento de un proceso electroquiacutemico
ya sea en carga o descarga y sabemos que estas reacciones quiacutemicas son en alguna
manera dependientes de la temperatura La capacidad nominal de una bateriacutea se
especifica usualmente en alguacuten punto dentro del rango de trabajo entre +20ordmC hasta
+30ordmC (+68ordmF ~ +86ordmF) sin embargo la capacidad real puede desviarse
substancialmente del valor nominal si la bateriacutea es forzada a trabajar a mayores o
menores temperaturas (Figura 18) La Ley de Arrhenius dice que la velocidad a la
cual una reaccioacuten quiacutemica se produce incrementa exponencialmente seguacuten la
temperatura aumenta Esto permite que se extraiga mayor potencia de la bateriacutea en
un instante a mayores temperaturas que la de trabajo Al mismo tiempo las mayores
temperaturas aumentan la movilidad de los electrones o iones reduciendo asiacute la
impedancia interna de la celda por consiguiente aumentando su capacidad Sin
embargo en el extremo superior de la escala las altas temperaturas pueden
tambieacuten iniciar reacciones quiacutemicas no deseadas o irreversibles yo peacuterdida de
electrolito lo cual puede causar un dantildeo permanente o falla completa de la bateriacutea
En el extremo inferior de la escala el electrolito se puede congelar fijando un liacutemite
153
para la capacidad a bajas temperaturas Por debajo del punto de congelamiento del
electrolito la capacidad de la bateriacutea comienza a deteriorarse seguacuten la velocidad de
la reaccioacuten quiacutemica se reduce Auacuten cuando una bateriacutea esteacute especificada para
trabajar bajo los -20ordmC oacute -30ordmC la capacidad a 0ordmC y por debajo de este punto de
disminuye considerablemente Debemos tomar en cuenta que el liacutemite inferior de
temperatura de trabajo de una bateriacutea puede depender de su estado de carga Un
sistema real puede por lo tanto necesitar ambos calentamiento y enfriamiento
ambiental forzado para mantenerlo no soacutelo dentro de los rangos liacutemite de trabajo
especificado por el fabricante sino dentro de un rango maacutes limitado para alcanzar
desempentildeo oacuteptimo
FIGURA 18 CAPACIDAD DE CARGA DE BATERIAS PLOMO ndash ACIDO A
DIFERENTES TEMPERATURAS
Efectos teacutermicos externos
154
Efectos teacutermicos externos La condicioacuten teacutermica de la bateriacutea es tambieacuten dependiente
de su ambiente Si su temperatura estaacute sobre la temperatura ambiente perderaacute calor
por efecto de la conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten Si la temperatura ambiente es
mayor la bateriacutea absorberaacute calor de sus alrededores
Cuando la temperatura ambiente es muy alta el sistema de manejo de la
temperatura debe trabajar muy duro para mantener la temperatura bajo control Una
sola celda puede trabajar muy bien a la temperatura ambiente de una sala por siacute
sola pero si es parte de un paquete de bateriacuteas rodeada de celdas similares todas
generando calor auacuten si la carga es la misma para todas podriacutea exceder sus liacutemites
de temperatura
FIGURA 19 REACCION EXOTERMICA
155
CAPITULO 2
2 DESCRIPCIOacuteN DEL PROBLEMA
Las unidades navales de la Armada del Ecuador dentro de los escenarios
en tiempo de paz y conflicto una de sus principales funciones es de
mantener los equipos y sistemas operativos como parte fundamental en
la operatividad como parte de estas funciones la Direccioacuten de
Mantenimiento de la institucioacuten es la encargada de realizar el cambio de
las bateriacuteas del Escuadroacuten de submarinos de que son las encargadas
suministrar energiacutea eleacutectrica a todo el submarino
156
Se adquiere una remesa de 960 bateriacuteas nuevas para eacutel los submarinos
a la empresa alemana Hawker GMBH ya que es necesario se efectuacutee la
remocioacuten de las bateriacuteas por cuanto su tiempo de vida uacutetil fue alcanzado
en el antildeo 2006 estos equipos vienen realizados sus pruebas de control
de calidad pero no vienen eleacutectricamente cargadas por lo que se
requiere realizar la operacioacuten de activacioacuten en tierra antes de ser puestas
en los submarinos
Para esto se requiere construir un sistema que permita la carga de 120
bateriacuteas a la vez Como se analizoacute en el Capitulo 1 existen tres
paraacutemetros que se debe controlar en el momento de carga o activacioacuten
de estos elementos que son
Voltaje
Corriente
Temperatura
El paraacutemetro de voltaje es necesario conocerlo para saber cuando las
celdas necesitan recargarse o cuando una de las celdas esta averiada y
tomar las acciones necesarias para continuar con el procedimiento de
activacioacuten de los elementos
157
El paraacutemetro de la corriente es necesario conocerlo para saber queacute
cantidad de energiacutea eleacutectrica estaacute entregando o recibiendo las celdas y
de esta manera conocer los amperios ndash hora que estaacute recibiendo las
celdas
El paraacutemetro de temperatura es criacutetico y es el paraacutemetro que esta tesis
estaacute encargada de controlar en este proceso de activacioacuten ya que se
desprende hidrogeno y sabiendo que el hidrogeno es un gas inflamable y
que al combinarse con el oxigeno en un determinado porcentaje es
detonante por este motivo se debe tener estricto control en la
temperatura de las celdas y de la concentracioacuten de hidrogeno en el aacuterea
de activacioacuten
El resultado de los efectos termo-eleacutectricos y termo-quiacutemicos posiblemente aumentados por las
condiciones ambientales es generalmente un aumento en la temperatura y como se dijo
anteriormente esto provocaraacute un incremento exponencial en la velocidad a la cual la reaccioacuten
quiacutemica se da Tambieacuten sabemos que si el aumento de temperatura es excesivo muchas cosas
desagradables pueden suceder
Los quiacutemicos activos se expanden causando que la celda se
ldquohincherdquo
Distorsiones mecaacutenicas en los componentes de la celda pueden
provocar corto circuitos o circuitos abiertos
158
Pueden darse reacciones quiacutemicas irreversibles las cuales
causaraacuten una reduccioacuten permanente en los quiacutemicos activos y por
lo tanto en la capacidad de la celda
Operacioacuten prolongada a altas temperaturas puede causar roturas
en partes plaacutesticas de la celda
Se expeleraacuten muchos gases de la celda debido a lo cual aumenta
la presioacuten dentro de esta lo que puede llevar eventualmente a una
ruptura o explosioacuten de la misma
Se podriacutean liberar quiacutemicos toacutexicos o inflamables
21 Requerimientos para el Proceso de Enfriamiento de las
Bateriacuteas de los Submarinos
Las bateriacuteas son colocadas en un cuarto de activacioacuten designado por la Armada del
Ecuador este cuarto debe ser adecuado para colocar 240 bateriacuteas colocadas sobre
plataformas de carga 4 unidades por plataforma en fila cada bateriacutea debe ser enfriada
de acuerdo a los paraacutemetros especificados por el fabricante
159
FIGURA 21 TRABAJOS PRELIMINARES
El enfriamiento de los elementos de la bateriacutea se consigue haciendo pasar el agua
destilada a traveacutes de los polos negativos y positivos que son huecos pasando desde
aquiacute a traveacutes de tuberiacuteas de salida hacia la tuberiacutea principal
Salida de agua
destilada caliente
Ingreso de agua
destilada friacutea
Salida de agua
destilada caliente
160
FIGURA 22 ESQUEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIA POR MEDIO DE AGUA
DESTILADA
22 Condiciones Teacutecnicas para la Activacioacuten de las Bateriacuteas de
Los Submarinos
Por lo que debe cumplirse con los programas de carga y descarga
siendo la temperatura un paraacutemetro a controlar principalmente en
el periodo de carga
Carga 10 h 590 A 5900 A-h
40 h 435 A 17400 A-h
Ingreso de agua
destilada friacutea
161
4 h Pausa
18 h 200 A 3600 A-h
Descarga 16 h 564 A
Carga aprox 31 h Carga Factor carga 125
27 Cargar 2h 200 A1h pausa
Descarga 20 h 564 A
Carga aprox 36 h Cargar IUI
TABLA 21 PROGRAMA DE CARGA ELECTRICA PARA LA ACTIVACION DE LAS
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
23 Alternativas de Solucioacuten
Los procesos de enfriamiento del agua se cuentan entre los maacutes antiguos que haya
desarrollado el hombre Por lo comuacuten el agua se enfriacutea exponiendo la superficie al aire
Algunos de estos procesos son lentos como el enfriamiento del agua en la superficie
de un estanque otros son comparativamente raacutepidos por ejemplo el rociado de agua
hacia el aire todos estos procesos implican la exposicioacuten de la superficie del agua al
aire en diferentes grados
Al enfriar agua es importante tener en cuenta consideraciones que mejoraran al modo
de enfriamiento del agua y que pueden significar un mayor rendimiento en el proceso
industrial Por esta razoacuten los meacutetodos de enfriamiento pueden ser mejorados en base a
estudios preliminares que cumplen con las normas existentes
162
El agua en estado puro no existe y dependiendo de la fuente de donde provenga
contiene un sin nuacutemero de impurezas a continuacioacuten enlistaremos solo las que nos
afectan en el tratamiento interno de los sistemas de enfriamiento
Constituyente Formula Quiacutemica
Dificultad de causa
Dureza Sales de Ca y Mg Fuente principal de incrustaciones en tuberiacuteas
Acidez mineral H2SO4
Libre HCl Corrosioacuten
Dioacutexido de carbono CO2 Corrosioacuten en las liacuteneas de agua
Sulfatos
SO4
Aumenta el contenido de soacutelidos en el agua Se combina con calcio para formar sales incrustantes de sulfato de calcio
Cloruros
Cl como NaCl
Aumento el contenido de soacutelidos e incrementa el caraacutecter corrosivo del agua
Siacutelice
SiO2
Incrustacioacuten en sistemas de agua de enfriamiento
Hierro Fe +2 ferroso
Fe +3 feacuterrico
Fuente de depoacutesitos en las tuberiacuteas
Oxigeno O2 Oxidacioacuten en tuberiacuteas
Sulfuro de hidrogeno H2S Corrosioacuten
Soacutelidos disueltos Elevadas concentraciones de soacutelidos son indeseables debido a que originan formacioacuten de lodos
Soacutelidos suspendidos Originan depoacutesitos en equipos intercambiadores de calor y tuberiacuteas ocasionan formacioacuten de lodos o incrustaciones
Microorganismos Algas limo y hongos
Formacioacuten de adherencia suciedad bioloacutegica corrosioacuten olores desagradables
TABLA 22 IMPUREZAS MAS COMUNES EN EL AGUA QUE AFECTAN LOS
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
De acuerdo a las especificaciones indicadas anteriormente
principalmente se requiere remocioacuten de calor de las bateriacuteas
163
mientras estas se encuentran en el proceso de activacioacuten en tierra
para la cual se plantea algunas alternativas de varios sistemas de
enfriamiento para posteriormente escoger la maacutes oacuteptima
231 Sistema de enfriamiento directo
Las instalaciones donde se van a colocar las bateriacuteas para ser
activadas estaacuten cerca del estero para lo cual se analizaran
ventajas y desventajas de utilizar este sistema
E-1
Agua de mar
Cuarto de
activacion de
baterias
FIGURA 23 ESQUEMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
DIRECTO
Ventajas
Se tiene agua permanente y en gran cantidad tomada desde
el estero
164
No se requiere instalaciones hidraacuteulicas complicadas
Desventajas
El agua que debe ingresar al sistema de enfriamiento de las
bateriacuteas debe ser esteacuteril pero el agua del estero contiene
cantidades apreciables de sales disueltas lo que implica el
que se tendriacutea que pensar en una planta de tratamiento de
agua
El agua caliente que sale como producto de la remocioacuten de
calor retorna al estero se presenta el problema de
contaminacioacuten teacutermica que puede ser tan grave como
cualquier otra forma de contaminacioacuten ya que el agua tibia
estimula el crecimiento anormal de algas que en cierto modo
consume el oxigeno de uso animal
232 Sistema de enfriamiento para Bateriacuteas de Submarino
utilizando Intercambiadores Enfriados por Aire
Consiste en una serie de tubos situados en una corriente de
aire que puede ser forzada con ayuda de un ventilador
Ventajas
Los tubos suelen tener aletas para aumentar el aacuterea de
transferencia de calor
165
Pueden ser de hasta 12 m de largo y 25 a 5 m de ancho
Un intercambiador de aire tiene una diferencia de
temperatura de unos 12 oC
Desventajas
En un intercambiador de calor enfriado por aire hay que
considerar gastos de enfriamiento del agua es
relativamente caro
E-1
Cuarto de activacion de
baterias
E-2
FIGURA 24 ESQUEMA DE SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
UTILIZANDO INTERCAMBIADORES ENFRIADOS POR AIRE
233 Sistema de Enfriamiento de Bateriacuteas de Submarino
Utilizando Chiller
Un Chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea
para el enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor
generado en un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que
el proceso finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su
temperatura y el agua durante el paso por el proceso la eleva
El agua ahora caliente retorna al chiller donde nuevamente se reduce su
temperatura para ser enviada nuevamente al proceso
166
Ventajas
El chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten
Alimentacioacuten al sistema con diferentes caudales y presiones y temperaturas
de agua
Alto rango de enfriamiento inclusive temperaturas de congelacioacuten con
adicioacuten de anticongelantes
Desventajas
Mantenimiento costoso ya que incluye un compresor un condensador
evaporador vaacutelvula de expansioacuten refrigerante y tuberiacuteas
Consumo de energiacutea
CHILLER
ENFRIADOR DE AGUA
DESTILADA
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
FIGURA 25 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIAS PARA
SUBMARINO UTILIZANDO UN CHILLER
234 Sistema de Enfriamiento Utilizando Intercambiador de
Calor y Torre de Enfriamiento
167
Ventajas
Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para
enfriar un fluido que esta maacutes caliente de lo deseado
transfiriendo este calor a otro fluido que esta frio y
necesita ser calentado
La transferencia de calor se realiza a traveacutes de una
pared metaacutelica o de un tubo que separa ambos fluidos
Las torres para enfriamiento de agua son dispositivos
cuya finalidad es extraer calor del agua a traveacutes del
contacto directo con el aire
Las torres tienen muacuteltiples aplicaciones desde
pequentildeas instalaciones de aire acondicionado hasta en
grandes complejos de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
Se puede decir que su uso estaacute justificado en sistemas
que utilizan agua como medio refrigerante donde sea
necesario disipar grandes cantidades de calor a bajo
costo y el salto de temperatura requerido sea del orden
de 10degC
La Armada del Ecuador proporcionara el banco de
tubos de un Intercambiador de Calor en desuso
Desventajas
Sistema ocupa mayor espacio fiacutesico
168
Tiempo de montaje relativamente largo
Sistemas sujetos a mayor corrosioacuten
Alcanza diferenciales de temperatura bajos en relacioacuten
a los otros sistemas
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
INTERCAMBIADOR
DE CALOR
AGUA DE TORRE CALIENTE (SALE
DEL INTERCAMBIADOR)
AGUA DESTILADA
CALIENTE SALE DE
BANCO DE BATERIAS
AGUA FRIA DE
TORRE ENTRA AL
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA FRIA
SALE DE
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA A
TEMPERATURA
ADECUADA (FRIA)
ENTRA A LAS BATERIAS
FIGURA 26 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO UTILIZANDO
INTERCAMBIADOR DE CALOR Y TORRE DE
ENFRIAMIENTO
24 Seleccioacuten de la Mejor Alternativa para el Sistema de
Enfriamiento de las Bateriacuteas
169
Para la seleccioacuten del sistema de enfriamiento para las bateriacuteas
de los submarinos se utilizaraacute una matriz de decisioacuten de
acuerdo a los paraacutemetros descritos anteriormente tomando en
cuenta las ventajas y las desventajas de cada sistema se ha
tomado en cuenta para esta operacioacuten los paraacutemetros maacutes
significativos en el proceso de la solucioacuten del problema
asignando a cada uno un porcentaje de acuerdo a la
importancia que este brinda para escoger la solucioacuten
Para ingresar a la matriz a las alternativas se les reconoceraacute
con sus iniciales
Sistema de enfriamiento directo SED
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador
enfriado por aire
SEIEA
Sistema de enfriamiento utilizando chiller SECh
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador de
calor y Torre de enfriamiento
SEICTE
170
Paraacutemetros
1 Costos de los sistemas de enfriamiento 3
2 Mantenimiento de equipos 4
3 Cumple con especificaciones y requerimientos de la
propuesta 2
4 Facilidad para adquisicioacuten de equipos 3
5 Durabilidad del sistema 1
1 2 3 4 5 Total
3 4 2 3 1
SED 25 2 0 15 05 65
SEIEA 15 10 10 10 05 50
SECh 05 10 10 10 10 45
SEICTE 15 15 15 15 10 70
TABLA 23 MATRIZ DE DECISION
De acuerdo a la matriz de decisioacuten planteada la solucioacuten maacutes
adecuada es la propuesta del sistema de enfriamiento con
intercambiador de calor y torre de enfriamiento
Existen varias torres de enfriamiento que se podriacutean adaptar al
sistema a continuacioacuten se mencionaran cada una de estas para
seleccionarla de por medio de otra matriz de decisioacuten
171
25 Torres de Enfriamiento y su Clasificacioacuten
251 Torres de circulacioacuten natural
Estas no hacen uso de ventiladores para la circulacioacuten de aire se clasifican en
torres atmosfeacutericas
torres de tiro natural
Torres atmosfeacutericas
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Utilizan las corrientes de aire de la atmoacutesfera (son de flujo cruzado)
2 Son abiertas
3 Deben instalarse en lugares muy despejados de forma que ninguacuten obstaacuteculo
pueda impedir la libre circulacioacuten de aire a traveacutes de la torre
4 Tienen un costo inicial alto debido a su gran tamantildeo pero el costo de
mantenimiento es reducido al no existir partes mecaacutenicas moacuteviles
5 Se debe garantizar que funcionaraacute habitualmente expuesta a vientos de
velocidades iguales o superiores a los 8 kmh
6 Si la velocidad promedio del viento es baja los costos fijos y de bombeo
aumentan mucho en relacioacuten a una torre de tiro mecaacutenico y no compensan el
ahorro del costo de ventilacioacuten Actualmente las torres atmosfeacutericas estaacuten en
desuso
172
Torres de tiro natural
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno
2 La diferencia de densidades entre el aire huacutemedo caliente y el aire atmosfeacuterico
es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a traveacutes de la torre
3 La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el
viento que circula por la parte superior de la chimenea tambieacuten ayuda a
establecer el flujo de aire
4 Son altas y deben tener una seccioacuten transversal grande para facilitar el
movimiento del aire ascendente
5 Tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes
caudales de agua
6 Al igual que las torres atmosfeacutericas no tienen partes mecaacutenicas
7 La velocidad media del aire a traveacutes de la torre suele estar comprendida entre 1
y 2 ms
8 No es posible conseguir un valor de acercamiento pequentildeo y es muy difiacutecil
controlar exactamente la temperatura del agua
9 En las torres de tiro -natural no se pueden utilizar rellenos de gran compacidad
debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo maacutes pequentildea posible
10 Estas torres son muy utilizadas en centrales teacutermicas muy pocas veces son
aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversioacuten inicial necesaria
252 Torres de tiro mecaacutenico
1 Proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado
2 Son torres compactas con una seccioacuten transversal y una altura de bombeo
pequentildeas en comparacioacuten con las torres de tiro natural
3 Valores de acercamiento muy pequentildeos (hasta de 1 a 2 ordmC aunque en la
praacutectica acostumbra a ser de 3 a 4 ordmC)
4 Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire el tiro es forzado
173
5 Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire se habla de tiro
inducido
Torres de tiro forzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre
2 Son casi siempre de flujo a contracorriente
3 Son maacutes eficientes que las torres de tiro inducido puesto
que la presioacuten dinaacutemica convertida a estaacutetica realiza un
trabajo uacutetil El aire que se mueve es aire friacuteo de mayor
densidad que en el caso de tiro inducido
4 El ventilador trabaja con aire friacuteo y no saturado
5 El equipo mecaacutenico tendraacute una duracioacuten mayor que en el caso de tiro inducido
6 El inconveniente radica en la posibilidad de recirculacioacuten del
aire de salida hacia la zona de baja presioacuten creada por el
ventilador en la entrada de aire En la siguiente figura se
puede observar la distribucioacuten de sus partes constituyentes
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
174
Flujo de aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 27 TORRE DE ENFRIAMIENTO DE TIRO FORZADO
Torres de tiro inducido
Estas torres son de gran importancia a nivel industrial son solucioacuten econoacutemica
a los requerimientos de enfriamiento pueden ser de dos tipos
De flujo a contracorriente
De flujo cruzado
Torres de tiro inducido y flujo a contracorriente
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Tanto el agua como el aire van en la misma direccioacuten pero en
sentidos opuestos
2 El agua maacutes friacutea se pone en contacto con el aire maacutes seco
lograacutendose un maacuteximo rendimiento
3 El aire puede entrar a traveacutes de una o maacutes paredes de la torre
4 Altura de entrada de aire reducida en comparacioacuten con las de tiro
inducido y flujo cruzado Existe el riesgo de arrastre de suciedad y
cuerpos extrantildeos dentro de la torre debido a la velocidad de
entrada de aire
5 La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se
traduce en un aumento de la potencia de ventilacioacuten en
comparacioacuten con otras torres En la siguiente figura se observa la
distribucioacuten de las partes constituyentes de este tipo de torre
175
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Ducto de salida de aire
Ventilador
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
Bandeja colectora de agua friacutea
Agua friacutea
Acceso de aire friacuteo no saturado
FIGURA 28 TORRE DE FLUJO A CONTRACORRIENTE Y TIRO
INDUCIDO
Torres de tiro inducido y flujo cruzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
176
1 El aire circula en direccioacuten perpendicular respecto al
agua que desciende
2 Tienen una altura menor que las torres de flujo a
contracorriente ya que la altura total de la torre es
praacutecticamente igual a la del relleno Pero su
diaacutemetro o seccioacuten transversal es relativamente
mayor a las de tiro inducido y flujo a contracorriente
3 El mantenimiento de estas torres es menos
complicado que en el caso de las torres a
contracorriente
4 Facilidad de inspeccioacuten de los distintos
componentes internos de la torre
5 La principal desventaja de estas torres es que no
son recomendables para aquellos casos en los que
se requiera un gran salto teacutermico y un valor de
acercamiento pequentildeo puesto que ello significaraacute
maacutes superficie transversal y maacutes potencia de
ventilacioacuten que en el caso de una torre de flujo a
contracorriente
En la siguiente figura se observan sus partes
177
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Depoacutesito
surtidor de agua caliente
Aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 29 TORRE DE FLUJO CRUZADO Y TIRO INDUCIDO
253 Especificacioacuten del Tipo de Torre de Enfriamiento a Usarse
Para seleccionar el tipo de torre de enfriamiento adecuado empleo una matriz de
decisioacuten en la que en la primera fila pondero al costo inicial costo de operacioacuten
tamantildeo compacto facilidad de mantenimiento y sobre todo al espacio requerido
para el montaje como las caracteriacutesticas requeridas para solucionar el problema
Las alternativas de solucioacuten son las 5 clases de torre de enfriamiento a las que
asigno una jerarquiacutea del 1 al 10 en funcioacuten de las caracteriacutesticas dadas en la
anterior clasificacioacuten de las torres de enfriamiento
De la sumatoria de los valores resultantes de la multiplicacioacuten de ponderacioacuten y
jerarquiacutea de cada tipo de torre se elegiraacute al tipo que posea mayor resultado
178
TABLA 25 MATRIZ DE DECISION PARA SELECCIONAR EL TIPO DE TORRE
Es evidente que la mejor opcioacuten es el tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico
y flujo a contracorriente Esto debido a que comparativamente tiene menor tamantildeo
y aacuterea de montaje requerido aunque no posea los menores costos iniciales y de
operacioacuten tal es el caso del tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico forzado
Esta es relativamente maacutes difiacutecil de limpiar y realizar su montaje razoacuten por la que
se descarta
179
CAPITULO 3
3 ANALISIS TEacuteRMICO
31 Descripcioacuten del Sistema
A partir de la figura 26 implica algunos anaacutelisis para el disentildeo del sistema de enfriamiento y es asiacute
que
Las bateriacuteas como se indico en los requerimientos del sistema van a ser cargadas 120 a la vez esto se
lo va a realizar en el galpoacuten asignado por el personal encargado del proyecto por parte de la Armada
del Ecuador
En este sitio tiene capacidad para almacenar 240 bateriacuteas como se vio en los requerimientos
eleacutectricos las bateriacuteas tienen periodos de tiempo de carga y descarga por lo que se requiere realizar
primeramente un disentildeo de un sistema que permita enfriar primeramente a 120 bateriacuteas por un tiempo
y en el periodo de descarga llevar a cargar las 120 bateriacuteas que se encuentran a continuacioacuten
180
FIGURA 31 DISPOCISION DE LAS BATERIAS EN EL CUARTO DE ACTIVACION
Para ello se disentildeo un sistema moacutevil que consta de parrillas suspendidas en ruedas en esta parrilla se
colocara las tuberiacuteas de circulacioacuten de agua destilada friacutea y saldraacute de las bateriacuteas agua destilada
caliente se indica esta disposicioacuten en el Plano 1 la parte del disentildeo de la estructura moacutevil no seraacute
parte de esta tesis
FI
GURA 32 DISPOSICION DE TUBERIA
FIGURA 33 SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO
181
FIGURA 34 DISPOSICION DE BATERIAS EN CUARTO DE ACTIVACION CON SISTEMA DE
DESPLAZAMIENTO
FIGURA 35 SISTEMA MOVIL PARA LLEVAR FLUIDO DE ENFRIAMIENTO A LAS BATERIAS
CONSTRUIDO
182
Una vez que se ha descrito el sistema el cual va a llevar el agua destilada para el enfriamiento de las
bateriacuteas se tiene que describir el sistema de enfriamiento en si del agua destilada para ello la Armada
del Ecuador doto de un intercambiador de calor que por el interior circulara agua destilada caliente para
que por su exterior circule agua friacutea proveniente de la torre de enfriamiento cerrando de esta manera el
circuito cabe notar que el intercambiador de calor es del tipo tubo coraza pero el intercambiador
adquirido no posee su coraza
Antes de hacer el disentildeo se hizo un anaacutelisis de la factibilidad de construir este sistema en nuestro
medio se consulto en el mercado el costo de una torre de enfriamiento adquirida en una empresa
importadora de estos equipos frente al anaacutelisis de una torre que se pueda construir en ERMARLO SA
resultando maacutes conveniente la construccioacuten de la torre y el acondicionamiento en el sistema de
enfriamiento este anaacutelisis se demostrara en el capiacutetulo de costos
32 Datos de Operacioacuten
A) FLUJO
1) Agua destilada
15 m3h
2) Agua de mar
15 m3h
B) PRESION
1) Agua destilada
25 kgcm2
2) Agua de mar
de la torre
C) TEMPERATURA DE
ENTRADA
183
1) Agua destilada
38 0C
2) Agua de mar
28 0C
D) TEMPERATURA DE
SALIDA
1) Agua destilada
3310C
2) Agua de mar
329 0C
E) DATOS DEL AIRE
1) Temperatura de bulbo seco
322 0C
2) Temperatura de bulbo
huacutemedo 788
33 Consideraciones del
Sistema
El sistema se instalara en un
patio al aire libre
El intercambiador de calor
debe permitir facilidades de limpieza y mantenimiento
El agua a usarse para la
torre seraacute agua potable
184
La velocidad del viento en Guayaquil es variable asiacute que el disentildeo de la torre no debe
depender de la velocidad del viento
El intercambiador de calor
dotado por parte de la Armada del Ecuador del tipo de haz de tubos y coraza este
dispositivo no posee la coraza
Para lo cual el
intercambiador de calor se analizara sumergiendo eacutel en la piscina de la torre de
enfriamiento esta disposicioacuten arrancara calor de los tubos del intercambiador para por el
meacutetodo de conduccioacuten teacutermica pasar calor al agua de la torre y hacerla circular
El agua destilada y el agua
de la torre no deben mezclarse
FIGURA 36 DISENO DE FORMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
185
34 Seleccioacuten del
Intercambiador de Calor
Un intercambiador de calor es un dispositivo que efectuacutea la transferencia de calor de un fluido a otro
que se encuentran a diferentes temperaturas y separados por una frontera solida
En forma muy general se pueden clasificar los intercambiadores de calor de acuerdo al tipo de
superficie
FIGURA 36 INTERCAMBIADOR DE HAZ DE TUBOS
186
En la primera etapa se toman en cuenta consideraciones referidas al tipo de intercambio de calor que
se produce En la segunda etapa se obtienen las propiedades de los fluidos en funcioacuten de las variables
conocidas y se calcula el coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A En la tercera etapa se elige
un intercambiador adecuado para este servicio teniendo en cuenta el coeficiente global U el aacuterea de
intercambio A y las caracteriacutesticas de los fluidos y de las corrientes En la cuarta se vuelve a calcular el
coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A Si no coinciden con el intercambiador previamente
elegido se vuelve al paso tres Si coinciden se da por terminado el proceso [2]
341 Meacutetodo F ndash LMTD para Seleccionar el Intercambiador de Calor
El balance de energiacutea da como resultado
[Energiacutea perdida por el flujo caliente]= [Energiacutea ganada por el flujo friacuteo]
O bien
mh ch(Thi ndash Th0) =mc cc(Tci ndash Tc0) Ec1
Donde
m h Flujo maacutesico del fluido caliente
c h Calor especiacutefico del fluido caliente
Thi Temperatura de entrada del fluido caliente
T h0 Temperatura de salida del fluido caliente
m c Flujo maacutesico del fluido friacuteo
c c Calor especiacutefico del fluido friacuteo
T c i Temperatura de entrada del fluido friacuteo
T c0 Temperatura de salida del fluido friacuteo
El producto (mc) aparece con frecuencia en el anaacutelisis de intercambiadores de calor y
es denominado Capacidad caloriacutefica C
C (mc)
Existen dos metodologiacuteas de anaacutelisis teacutermico de intercambiadores de calor
187
1 Meacutetodo F-LMTD
2 Meacutetodo - NTU
A continuacioacuten se presentara el anaacutelisis F-LMTD para la seleccioacuten del intercambiador de
calor
FIGURA 37 DISTRIBUCION DE TEMPERATURAS EN UN INTERCAMBIADOR DE
DOBLE TUBO EN TUBO PARALELO[1]
Se propone calcular el flujo de calor mediante
Ec 2
Donde
q Flujo de calor [W]
U Coeficiente global de transferencia de calor [Wm2K]
A Aacuterea de transferencia de calor consistente con U
Diferencia de temperatura media
188
En la figura 37 se muestra la historia de las temperaturas de los fluidos friacuteos y calientes
de este modo un balance de energiacutea nos da como resultado
Ec 3
Incorporando la capacidad caloriacutefica y arreglando la ecuacioacuten tenemos
= Ec4
Ec5
Restando ambas ecuaciones
Ec6
Sustituyendo la expresioacuten de calor expresada por
Ec7
Se obtiene la siguiente ecuacioacuten diferencial
Ec8
Integrando la ecuacioacuten anterior entre el punto 1 y el 2 se obtiene
Ec9
Si
Ec10
Ec 11
De manera que sustituyendo las ecuaciones anteriores en la ecuacioacuten previamente
integrada S
189
Ec12
Que al despejar de la ecuacioacuten anterior q se tiene
Ec13
De la uacuteltima ecuacioacuten se reconoce
Donde LMTD son las siglas en ingles de Logarithm Mean Temperature Difference
(Diferencia de temperatura logariacutetmica media)
Esta ecuacioacuten se aplica la misma expresioacuten para LMTD tanto en flujo paralelo como en
contra corriente[1]
Asignacioacuten de flujos
Las reglas aplicables para determinar que fluido va por el casco y cual por los tubos son
1- El fluido a mayor presioacuten va en los tubos
2- El fluido maacutes corrosivo va en los tubos
3- Los fluidos maacutes sucios van en los tubos
4- El fluido con menor peacuterdida de presioacuten va en el casco
5- El fluido a condensar en el casco
Diagramas Teacutermicos
Un diagrama teacutermico es la representacioacuten de la temperatura de las corrientes en funcioacuten
del calor transferido o de la longitud Si existe cruce de temperaturas seraacute necesario
utilizar varios intercambiadores en serie
Diferencia de temperatura media corregida
La diferencia media de temperaturas MTD en un intercambiador de calor de tubo coraza
es la diferencia media logariacutetmica de temperaturas multiplicada por un factor F
MTD = F LMTD Ec 14
De la ecuacioacuten 13 tenemos que
190
= Ec15
Siendo T temperatura de fluido caliente t temperatura de fluido frio
1 entrada 2 salida
El factor F se obtiene de las graficas que se daraacuten en el apeacutendice 1 Un valor de F lt 08
no es admisible por disentildeo hay que calcular P y R seguacuten las condiciones
Ec 16
Ec17
SELECCIOacuteN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Se tiene que obtener primeramente el calor removido por el intercambiador de calor para
lo cual se utilizara la ec1
q=mhch∆T Ec 11
Ch=1BTUlb 0F
∆T=88 0F
mh=Qρ Ec 12
donde
Q=15 m3h = 5297 ft
3h
ρ=6199 lbft3 Para 100
oF (ver anexo 1)
Sustituyendo en la ec12
mh=5297 ft3h6199 lbft
3 = 32836103 lbh
por lo tanto sustituyendo valores en la ec 12
q=27182539 BTUh
q=796599 W
191
Con los datos suministrados se seleccionara el intercambiador de calor adecuado
Thi = 1004
T h0 = 9158
m c = 15 h = 6605 GPM
T c i = 824
T c0 = 912
q = 27182539 BTUh
U = 150 BTUpie2
obtenido de la tabla 31
TABLA 31 ESCALA DE PRESION Y VALOR U PARA TIPOS DE
INTERCAMBIADORES DE CALOR[16]
De la Ec 2 obtenemos el aacuterea de transferencia del intercambiador
Ec 18
192
MTD = LMTD F diferencia de temperaturas medias corregidas
LMTD = 918 este valor es obtenido de la Ec 15
Para encontrar el factor de correccioacuten F utilizamos el Apeacutendice C Ingresando los valores
P y R dadas en las ecuaciones 16 y 17 obtenemos
P = 055
R = 117
F = 09
Por lo tanto
MTD = 918 09 = 82
Por la Ec 18 el aacuterea de transferencia de calor es
A = 2209 pie2 = 2052 m
2
Para calcular el nuacutemero de tubos del intercambiador tubo coraza se plantea la siguiente
ecuacioacuten
Ec 19
ardquo es un factor obtenido para el tubo frac34 obtenido del Apeacutendice E y es 0193 piepie2
por
el aacuterea de disponibilidad donde se construiraacute el sistema tiene una longitud de 8 pie
Por lo tanto el nuacutemero de tubos requeridos para el intercambiador de calor es
Nt = 14072 tubos de frac34rdquo
193
TABLA 32 AREA TRANSVERSAL DE FLUJO Y SUPERFICIE PARA
INTERCAMBIADORES DE CALOR [16]
35 Uso de Software para
Seleccioacuten de Intercambiador de Calor
En este punto se pretende realizar un anaacutelisis comparativo de los resultados obtenidos
mediante el meacutetodo analiacutetico frente al uso de un software mediante el cual se
seleccionara el intercambiador de calor requerido para el sistema de enfriamiento que se
trata
El software que se utilizara es el ESP ndash PLUS V 20 HEAT EXCAHANGER este software
daraacute como resultados el tipo de intercambiador de calor que existe comercialmente
FIGURA 38 VENTANA DE INICIO DEL PROGRAMA
194
FIGURA 38 VENTANA DE SELECCIOacuteN DE TIPO DE INTERCAMBIADOR A UTILIZARSE Y LOS
TIPOS DE FLUIDOS
195
FIGURA 39 VENTANA INGRESO DE DATOS TANTO PARA INTERCAMBIADOR COMO PARA EL
FLUIDO CIRCUNDANTE DA COMO RESULTADO LA TAZA DE FLUJO EN GPM
196
FIGURA 310 SE INTRODUCE LOS DATOS DE MATERIALES DEL INTERCAMBIADOR DE
CALOR
197
FIGURA 311 VENTADA EN LA QUE SE INTRODUCE DATOS DE LONGITUD DEL
INTERCAMBIADOR PRESION INTERNA EN LOS TUBOS Y FACTOR DE FRICCION DENTRO DE
LOS TUBOS
198
FIGURA 312 VENTANA RESULTADOS EN LA PRESION DE DISENO MATERIAL DE TAPAS
DEL INTERCAMBIADOR MATERIAL DE LOS TUBOS Y TUBERIA DE INGRESO AL MATERIAL
199
FIGURA 313 VENTANA DE RESULTADOS
200
FIGURA 314 VENTANA DE RESULTADOS
De acuerdo a este software el intercambiador que se va a seleccionar es el WU16 7 ndash 2 4 que es la
denominacioacuten comercial del constructor ITT Bell amp Gosset creador de este software
La denominacioacuten WU 16 7 ndash 2 4 cada letra y nuacutemero tiene su significado teacutecnico que a continuacioacuten se
detalla
WU Serie de intercambiador de calor
16 Diaacutemetro de la coraza del intercambiador en unidades inglesas
7 Longitud de tubo
2 Numero de pasos del intercambiador de calor
201
4 Espaciamiento de bafles
Al realizar el anaacutelisis comparativo con los meacutetodos de seleccioacuten se tiene que por el meacutetodo analiacutetico se
tiene un aacuterea de 221 ft2 frente al software que nos arroja un aacuterea de 274 ft
2 este valor diferencia
notoriamente a que la seleccioacuten del factor U en el meacutetodo analiacutetico se lo selecciono 150 BTUpie2
el
software utiliza y factor de 137 BTUpie2
notando este paraacutemetro relativamente la diferencia de aacuterea
de los dos anaacutelisis serian casi indiferentes con lo que estariacuteamos en capacidad de decidir si el
intercambiador dotado por la Armada Nacional esta dentro de los paraacutemetros requeridos dado que este
consta de 160 tubos en disposicioacuten triangular dando un aacuterea de transferencia de calor de 24707 ft2
certificando de esta manera que el intercambiador que se posee entra en el rango requerido para el
sistema por lo tanto se lo utilizara para el proceso requerido de enfriamiento del fluido caliente extraiacutedo
del banco de bateriacuteas que estaacuten en el proceso de activacioacuten
FIGURA 315 DISPOSICIONES DEL HAZ DE TUBOS [9]
Los resultados obtenidos del software se presentaran en el Anexo 3
36 Disentildeo de la Torre de
Enfriamiento
El proceso de termotransferencia que se produce en una torre para
enfriamiento de agua cualquiera fuese su tipo es el resultado de la
202
interaccioacuten entre el medio gaseoso refrigerante (aire) y el fluido a
enfriar (agua)
En las torres el agua se encuentra en contacto directo con el aire que
la enfriacutea y el proceso de transferencia de calor se realiza en parte por
intercambio de calor sensible entre la fase liacutequida y la gaseosa pero
en mayor medida por la formacioacuten de vapor de agua en la interfase
liacutequidogas y su posterior difusioacuten en el aire que la circunda
El proceso de transferencia de masa entre el liacutequido y el aire estaacute
iacutentimamente conectado con el de transferencia de calor En efecto
con el cambio de fase desde liacutequido a vapor se absorbe calor lo cual
da lugar a gradientes de temperatura en el aire adyacente a la
superficie liacutequida En muchos casos praacutecticos las condiciones en
que se desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse
que la difusividad teacutermica y el coeficiente de difusioacuten maacutesico son
iguales
203
FIGURA 316 IDEALIZACION DEL FENOMENO DE
TRANSFERENCIA [10]
361 Fundamento del Enfriamiento por Evaporacioacuten
El principio fundamental en que se basa el enfriamiento del
agua por evaporacioacuten es en el que el agua para transformarse
en vapor necesita calor (calor latente de vaporizacioacuten) cuyo
valor el alrededor de 1000 BTU lb de agua evaporada valor
que pone en manifiesto que pequentildeas cantidades de agua
evaporada producen altos efectos de enfriamiento
Este calor es tomado principalmente del liacutequido remanente lo
que produce un descenso de su temperatura
La evaporacioacuten se produce poniendo en contacto directo agua
caliente con aire atmosfeacuterico ambiente de humedad relativa
204
baja en dispositivos especiales que variacutean en complejidad
desde piscinas o lagunas abiertas hasta las torres de
enfriamiento de tiro mecaacutenico
Cuando se requiere enfriar raacutepidamente y continuamente
grandes cantidades de agua las torres de enfriamiento son las
teacutecnicas maacutes ventajosas y su funcioacuten principal es la de reducir
la temperatura del agua circulante a los valores maacutes
adecuados seguacuten el tipo de operacioacuten que tenga
Baacutesicamente el funcionamiento de una torre de enfriamiento
convencional es el siguiente
El agua caliente llega por tuberiacuteas a un distribuidor situado en la
parte superior de la unidad a una temperatura Tho luego es
distribuida en forma de pequentildeas gotas a traveacutes de una
instalacioacuten compleja de material de relleno de diferentes tipos y
calidades variando desde madera incorruptible materiales de
fribrocemento PVC ceraacutemica etc los cuales son ubicados en
forma de mallas o enrejados que dispersan la corriente
descendente del liquido y de esta forma obtener una aacuterea
maacutexima de transferencia con el aire atmosfeacuterico el cual entra
por parte inferior de la torre con una temperatura Tci de bulbo
205
seco y una humedad absoluta Yrsquo1 expresada en lb de vapor de
agua lb de aire seco
362 Caacutelculos
Datos para realizar el caacutelculo de la torre de enfriamiento
Flujo a ser enfriado L
66 GPM
Calor removido por el
intercambiador q 27182539 BTUh
Temperatura que
sale del intercambiador de calor para entrar en la torre tL2
9120 0F
Temperatura del
agua requerida luego del enfriamiento en la torre de
enfriamiento tL1 8240 0F
Temperatura de
bulbo huacutemedo tbh 7880 0F
Temperatura de
bulbo seco del aire que entra tG1 7900 0F
Temperatura del
agua de la tuberiacutea de alimentacioacuten a la torre de enfriamiento
tm 8500 0F
206
Con los datos suministrados se desea obtener los siguientes valores
a Valor teoacuterico del coeficiente total de transferencia de masa Kya
b Calculo de la seccioacuten transversal de la torre A
c Calculo del flujo de aire que circula por la torre Gs
d Calculo de la zona empaquetada Z
e Calculo de agua de compensacioacuten M
Para realizar el disentildeo de la torre de enfriamiento se debe seguir
ciertos pasos que daraacuten la pauta para disentildear una torre de
enfriamiento para cualquier necesidad o requerimiento
1 Capacidad de la
Torre de Enfriamiento
q=27182539 BTUh
Este es el calor que remueve el intercambiador de calor y que
es transmitido al agua de la torre
La capacidad de la torre se mide en Toneladas de
Refrigeracioacuten TR que es una unidad de potencia
207
Es asiacute que se tiene las siguientes relaciones para poder saber
en teacuterminos de TR la capacidad de disentildeo para la torre de
enfriamiento
1TR=3517 W = 3024 Kcalh = 3024 Frigh Ec 20
De donde
27182539 BTUh 1 TR12000 BTUh = capacidad de la torre
Capacidad de la torre = 2262 TR
Flujo especifico Lrsquo
L es flujo de agua y Lrsquo es el flujo especifico de agua que se en
encuentra en la figura 318 este valor se encuentra en
funcioacuten del rango de enfriamiento del agua (Tho ndash Thi) y la
temperatura de bulbo huacutemedo Tbh
FIGURA 317 FLUJO ESPECIFICO Lrsquo [7]
208
El valor de flujo especifico de agua que nos da la figura 317
es Lrsquo=20 galmin ft2
L= 66 GPM
Datos para las condiciones de disentildeo de la torre de
enfriamiento
E-1
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
AIREAGUA
q=27182539 BTUh
L=33000 lbh
tL2=9120 FHrsquo2=
Yrsquo2=
tL1=8240 F
Gs=
tG1=79 F
Tw1=788 F
Yrsquo1=002
Hrsquo1=
tM=85 F
M(lbh)
FIGURA 318 DIAGRAMA DEL SISTEMA PARA EL
DISENtildeO
209
Anaacutelisis de la curva de equilibrio
La teoriacutea del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento es la
que desarrolloacute el Dr Merkel Se basa en la diferencia del potencial de entalpiacutea
entonces se supone que cada partiacutecula de agua estaacute rodeada por una peliacutecula de
aire y que la diferencia de entalpiacutea entre la misma y el aire circundante
proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento
A continuacioacuten se ilustran las relaciones del agua aire y el potencial impulsor que
existe en una torre de contra flujo
FIGURA 319 RELACIONES DE AGUA Y AIRE DE UNA TORRE A
CONTRA FLUJO [25]
De la figura anterior la operacioacuten del agua estaacute representada por la liacutenea AB y se
especifica por medio de las temperaturas del agua de la torre en la entrada y
salida La liacutenea de operacioacuten del aire inicia en C verticalmente por debajo de B y
en un punto que tiene una entalpiacutea correspondiente a la temperatura de entrada
de bulbo huacutemedo La liacutenea BC representa la fuerza impulsora inicial (hrsquo- h) El
aire que sale de la torre se representa por medio del punto D y la gama de
210
enfriamiento es la longitud proyectada de la liacutenea CD sobre la escala de
temperaturas
Resumiendo la teoriacutea del Dr Merkel como se observa en la figura 319
considera el flujo de masa y energiacutea del agua a la interfase y de la interfase a la
masa gaseosa Cuando el flujo cruza estas dos fronteras cada una ofrece una
resistencia a la transferencia de materia y energiacutea que resulta en gradientes de
temperatura entalpiacutea y de humedades
El Dr Merkel demostroacute que
Q = KS(hw - ha) Ec21
S = aV Ec22
Donde
Q Calor total transferido en Btuh oacute kJh
K Coeficiente total de transferencia en lbh pie2 oacute kgh m
2
S Aacuterea de transferencia en pie2 oacute m
2 caracteriacutestica fiacutesica
a Aacuterea de transferencia equivalente por unidad de volumen 1pie oacute 1m
V Volumen efectivo de la torre pie3 oacute m
3
hw Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura del agua Btulb oacute kJkg
ha Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura de bulbo huacutemedo Btulb oacute kJkg
Existen paraacutemetros citados en la Ec21 que no son constantes tanto entalpiacuteas
como temperaturas cambian a lo largo de la torre luego derivaacutendola
dQ = d[KS(hw-ha)] = K(hw-ha)dS Ec23
Para la transferencia de calor del lado del agua
Q = CwL(thw ndash tcw) Ec24
dQ = CwLdtw Ec25
211
donde
Cw Calor especiacutefico del agua kJ(kg ordmK) BTUlb F
L Flujo maacutesico del agua que ingresa a la torre kgs lbh
tw Temperatura del agua en contacto con el relleno ordmK 0F
thw Temperatura del agua caliente que ingresa a la torre ordmK 0F
tcw Temperatura del agua friacutea que sale de la torre ordmK 0F
Para la transferencia de calor del lado del aire
Q = G(hoa ndash hia) Ec26
dQ = Gdha Ec27
Donde
G Flujo maacutesico del aire que ingresa a la torre lbh oacute kgs
hia Entalpiacutea de mezcla gaseosa que ingresa a la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
hoa Entalpiacutea de mezcla gaseosa que sale de la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
Haciendo uso de las ecuaciones 23 25 y 27 se puede obtener el calor total por
medio de las siguientes ecuaciones
K(hw-ha)dS = CwLdtw Ec28
K(hw-ha)dS = Gdha Ec29
Que se puede rescribir de la siguiente manera
aw
a
hh
dhGdSK
Ec30
aw
ww
hh
dtC
L
dSK
Ec31
Integrando las Ecuaciones 30 y 31 se tiene
hoa
hia aw hh
dh
L
G
L
KaV
L
KS Ec32
212
thw
tcw aw
ww
hh
dtC
L
KaV
L
KS Ec33
ldquoAl teacutermino KaVL se lo denomina la caracteriacutestica de la torrerdquo
La curva caracteriacutestica es utilizada para determinar el buen funcionamiento de la
torre KaVL es una medida del grado de dificultad para los requerimientos de
enfriamiento del liquido Esta curva tambieacuten puede llamarse ldquoCurva de
Requerimientos de Disentildeordquo puesto que es una medida del grado de dificultad para
alcanzar los requerimientos de disentildeo
2 Calculo de la
humedad absoluta Yrsquo1y entalpia del aire entrando Hrsquo1
para la temperatura tbh
De la carta psicomeacutetrica que se encuentra en el Apeacutendice H
se puede construir la siguiente tabla mostrada en la tabla 33
esta tabla nos indica valores de entalpias y humedades para
mezclas de aire ndash agua a 147 lbplg2
Interpolando se obtiene valores para
Yrsquo1=0022 lb de vapor de agualb de aire seco
De las relaciones psicomeacutetricas para el sistema aire ndash agua
se obtiene que
Hrsquo1= (024+045Yrsquo1)(tG1 - 32) + 10758 Yrsquo1 Ec 34
213
Hrsquo1= 249 BTUlb de aire seco
Con los datos de las temperaturas entalpias encontradas se
puede construir el diagrama de operacioacuten para esta torre de
enfriamiento representada en la figura 320 con los valores
de entalpia de la mezcla aire ndash vapor de agua como
ordenadas y los valores de temperatura como abscisas aquiacute
se representa la curva de entalpia para el aire saturado dado
en la carta psicomeacutetrica H la cual es construida con los datos
de la tabla ubicada en el Apeacutendice H
Para obtener la liacutenea de operacioacuten sobre este diagrama se
ubica el punto N que representa las condiciones de entrada
de la torre esto es tL1=8240 0F y Hrsquo1= 249 BTUlb de aire
seco
La liacutenea de operacioacuten pasara por el punto N y terminara en
alguacuten punto sobre la ordenada trazada por el punto
tL2 = 91200F Para el miacutenimo valor de Gs la liacutenea de
operacioacuten tendraacute la mayor pendiente y tocara
tangencialmente a la curva de equilibrio por lo tanto pasara a
traveacutes del punto Orsquo en donde Hrsquo2= 52 BTU por lb de aire seco
214
Seguacuten lo anterior la pendiente de la liacutenea OrsquoN seraacute por lo
tanto
L CGs min = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1 Ec35
=
Gs min = 1071586 lb de aire seco h
Para que la torre no sea muy alta se considera 15 veces Gs
min
Gs real = 15 1071586 lb de aire seco h
Gs real = 1607380 lb de aire seco h
Una vez determinado el valor Gs real se puede hallar el valor
de la relacioacuten de flujos liacutequido ndash aire
L Gs real = 33000 lbh 1607380 lbh
L Gs real = 205
Como ya se tiene el valor de la pendiente de la liacutenea de
operacioacuten LG que se va a utilizar para el disentildeo faltariacutea
determinar el valor de la ordenada del punto de interseccioacuten
entre la liacutenea de operacioacuten y la vertical trazada por el punto
tL2=912 0F
215
Calculo de la entalpia del aire que sale Hrsquo2
De la ec22 tenemos que
L CGs real = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1
Despejando el valor Hrsquo2 se tiene
Hrsquo2 = (L CGs real (t L2 ndash t L1)) + Hrsquo1
Hrsquo2 = 4294 BTUlb de aire seco
Con los valores obtenidos se puede representar el punto O y
finalmente la liacutenea de operacioacuten seraacute la liacutenea ON
representada en la figura 320
216
FIGURA 320 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE
ENFRIAMIENTO DEL AGUA
3 Calculo de la altura de la
zona empaquetada Z
Utilizando el teacutermino KaVL que nos representa la ldquoCurva de Requerimientos de
Disentildeordquo dado en al ec 33 se procede a calcular la altura de la zona empaquetada
=
Para determinar el valor del integral de la ecuacioacuten propuesta
el cual puede ser calculado por tres formas
a Analiacuteticamente si se conoce la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo
b Integracioacuten grafica
c Integracioacuten numeacuterica
Como se tiene la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo dado en la figura 320 se
usara el meacutetodo de integracioacuten numeacuterica a intervalos de 2 0F
t H Hrsquo H ndash Hrsquo (H ndash Hrsquo)2 At(H ndashHrsquo)2
80 251 185 66
82 272 2217 503 58 034
84 323 2703 527 515 038
217
86 375 3109 641 584 034
88 415 3480 67 655 030
90 487 4120 75 710 028
92 542 4480 94 845 023
= 187
TABLA 33 VALORES DE ENTALPIA
= 187
El valor de kya se obtiene de la tabla 34 interpolando entre
los valores de L 500 ndash 1000 y G 250 por lo tanto tenemos un
Kya=347
Lrsquo=2GPM =`1000 lb de aguah ft2
Por lo tanto el valor de Z es
Z = 538 ft = 163 m
218
TABLA 34 CARACTERISTICAS DE HUMIDIFICACION [4]
4 Calculo de la
Cantidad de Agua de Compensacioacuten M
Realizando un balance de entalpias de acuerdo a la figura
318 se tiene
q + M Cw (tM ndash t0) = Gs (Hrsquo2 ndash Hrsquo1) Ec336
donde
q = 27182539 BTUh
Cw = 1 BTUlb 0F
tM = 85 0F
t0 = 32 0F
Hrsquo2 = 4294 BTU lb de aire seco
219
Hrsquo1 = 2490 BTUlb de aire seco
Reemplazando valores se tiene
27182539 + M (53) = Gs (1804)
De donde
M = Gs(1804) - 27182539 53 Ec 336-1
Haciendo un balance de liquido de acuerdo a la figura 318 se
tiene
M = Gs(Yrsquo2 ndash Yrsquo1) Ec337
Yrsquo2 no es conocido para determinarlo es necesario asumir
que el aire que sale de la torre estaacute saturado y su humedad
Yrsquo2 deberaacute ser la del aire saturado para Hrsquo2 = 4294 BTU lb
de aire seco
Entrando a la curva psicomeacutetrica dada en el Apeacutendice H se
tiene que
Yrsquo2 = 0024 lb de vapor de agualb de aire seco
M = Gs(0024 ndash 002) = 0004 Gs
Sustituyendo la ec 337 en la ec 336 ndash 1 se tiene que
0004 Gs 53 = Gs(1804) - 27182539
1804 Gs ndash 0004 Gs = 27182539
Gs = 1507126 lb de aireh
Reemplazando en la ec 337 el valor Gs
220
M = 6028 lb de aguah = 274 lth
CAPITULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS
CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
41 Partes Componentes de las Torres de Enfriamiento
Ya se ha definido que el mejor disentildeo para el sistema de enfriamiento
requerido de acuerdo a los paraacutemetros de evaluacioacuten es una Torre de
Enfriamiento de Tiro Inducido Flujo en Contracorriente
Este tipo de elementos ademaacutes del cuerpo vertical consta de los
siguientes elementos
Empaquetaduras sistemas de distribucioacuten deposito de coleccioacuten
eliminadores de arrastre ventilador motor y estructura
221
Empaquetaduras
Su funcioacuten es generar una mayor aacuterea de contacto entre el aire y el
agua como sea posible con una miacutenima presioacuten de aire
Existe variedad de empaquetaduras que van desde soacutelidos muy
faacuteciles de adquirir como piedras botellas rotas trozos de porcelana
hasta formas geomeacutetricas complejas y de alto costo econoacutemico
Sistemas de Distribucioacuten
Tiene como funcioacuten principal distribuir el agua caliente en la parte alta
de la torre se recomienda atomizarla para facilitar el contacto con el
aire
La importancia de adecuado sistema de distribucioacuten sobre las
empaquetaduras de una torre es indispensable para una buena
eficiencia en el enfriamiento
Depoacutesito de Coleccioacuten
Se trata de un recipiente donde es colectada el agua friacutea que sale de
la torre
Su construccioacuten deberaacute ser tal que elimine el peligro de que la bomba
absorba aire cuando opera con un miacutenimo de agua y accesible para
remover la suciedad acumulada en el fondo
222
Estructura
Es el soporte de la torre de enfriamiento
Su forma y solidez dependen de las caracteriacutesticas de disentildeo de la
torre que tiene que ser con normas especificas que dependen de su
capacidad de enfriamiento
Ventilador
Tiene como objetivo mantener el flujo constante de aire atreves de la
torre Para la torre seleccionada este aditamento se encontrara en la
parte superior
Motor
Es el que impulsara el ventilador La transmisioacuten se efectuara en
forma directa
Los elementos anteriores forman parte de la construccioacuten interna de la
torre de enfriamiento
Sin embargo existen otros componentes externos a la torre que juntos
constituyen el sistema de enfriamiento deseado Estos son
Bomba de Agua
223
Es el equipo que adicionara energiacutea al agua para hacerla re circular a
traveacutes de todo el sistema
Su capacidad dependeraacute del sistema de operacioacuten en el que va a
utilizar
Tuberiacuteas y Vaacutelvulas
Son los conductos ndash reguladores por los cuales fluiraacute el agua
El material de la tuberiacutea y los tipos especiacuteficos de vaacutelvulas estaraacuten
sujetos al aspecto teacutecnico econoacutemico y esteacutetico del sistema en
cuestioacuten
224
FIGURA 41 DISENO DE FORMA DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTO
42 Determinacioacuten de la Seccioacuten Transversal de la Torre de
Enfriamiento
Datos
Densidad del agua ρL 6222 lbft3 = 1010 Kgm3
Densidad del aire ρa 0077 lbft3 = 125 Kgm3
Relacioacuten de flujos LG 205
Flujo de aire Greal 446 lbs = 2027 Kgs
Tensioacuten superficial del agua σ 2 dinacm
Factor liquido - vapor FLV
Caacutelculos
Una aproximacioacuten para estimar las velocidades maacuteximas permisibles
ha sido presentada por Fair la cual se basa en datos obtenidos con
platos perforados y otros tipos de contactores de etapas finitas y toma
en cuenta el efecto de la tensioacuten superficial del liquido en la columna
la razoacuten de flujo de liquido a flujo de gas las densidades del aire y el
liquido y dimensiones y arreglo del contactor En este meacutetodo la
225
ecuacioacuten baacutesica para velocidad del vapor maacutexima permisible
equivalente a la Ec (41) es
Ec 41
donde
Vrsquom = velocidad de vapor maacutexima permisible basada en aacuterea neta
para el flujo de vapor la cual usualmente es el aacuterea de seccioacuten
transversal activa en fts
Krsquov = constante empiacuterica fts
σ = tensioacuten superficial del liquido en la torre dinascm
Krsquov
226
FIGURA 41 VALORES DE Kv EN FUNCION DEL
ESPACIADO
] Ec42
Sustituyendo valores en la ec 42 se tiene que
FLV = 0090
Se asume un espaciado entre platos de 740 plg = 188 mm
A partir de la fig 41 Kv = 017 fts
De la ec 41
Vrsquom = 3047 fts
Velocidad maacutesica del vapor Gm
Gm = Vrsquom ρa = (3047)(0077) = 023 lbs pie2 Ec43
227
Aacuterea de seccioacuten transversal de la torre A
A = Greal Gm Ec 44
Sustituyendo valores en la ec 44 se tiene que el aacuterea de la seccioacuten
transversal de la torre de enfriamiento es
A = 192 ft2
A = 8ft 24ft = 2430 mm 731 mm
43 Seleccioacuten de la Columna de Contacto de la Torre de Enfriamiento
En esta seccioacuten se tratara de decidir el tipo de columna a utilizar ya
sea de bandejas perforadas o de relleno en funcioacuten de las
caracteriacutesticas de la operacioacuten deseada y de los componentes en
contacto en este caso liquido - aire tomando para la decisioacuten algunos
aspectos
La seleccioacuten entre una columna de bandejas perforadas o una de
relleno depende de conceptos econoacutemicos Sin embargo en un estudio
228
preliminar podemos basar su seleccioacuten en las siguientes ventajas e
inconvenientes de cada una de ellas
1- La eficiencia de una torre de relleno se basa en datos
experimentales para cada tipo de relleno La eficiencia variacutea no solo
por el tipo y tamantildeo del relleno sino tambieacuten por las propiedades del
fluido caudales diaacutemetro de columna etc
2- Si el flujo de liacutequido es pequentildeo comparado con el del aire es
preferible utilizar columnas de platos pues necesitan menores
factores de seguridad en el disentildeo por causa de la dispersioacuten del
liacutequido
3- Las columnas de bandejas perforadas pueden manejar un rango
maacutes amplio de caudales sin inundacioacuten
4- Si los liacutequidos tienen soacutelidos en suspensioacuten se prefieren torres de
bandejas perforadas por la facilidad de limpieza
5- Si se necesita enfriamiento intermedio de la columna es preferible
que sean de bandejas perforadas por la facilidad de la instalacioacuten
del sistema de enfriamiento
6- El peso total de una columna de bandejas perforadas es menor que
en una de relleno si estaacuten vaciacuteas en cambio llenas tienen un peso
similar
229
7- La informacioacuten de disentildeo de una columna de bandejas perforadas
es maacutes accesible que en una de relleno
8- Si hay grandes cambios de temperatura son preferibles las
columnas de bandejas perforadas pues el incremento de
temperatura puede romper el relleno
10-Las columnas de rellenos son maacutes faacuteciles de construir y mas
baratas si se trabaja con fluidos corrosivos
11-Si se tiene liacutequidos con gran tendencia a formar espuma se deben
utilizar torres empaquetadas
12-El almacenamiento de liacutequido en la columna es muy inferior para
las torres de relleno
13-Las torres de relleno tienen menos peacuterdida de carga que las
bandejas perforadas y el relleno previene contra el colapso por lo
que se utilizan en operaciones a vaciacuteo
Por lo expuesto anteriormente se utilizara en el disentildeo de la
empaquetadura de la torre de enfriamiento el sistema de bandejas
perforadas
230
FIGURA 42 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE UNA BANDEJA
PERFORADA
431 Altura de la las Paredes de la Bandeja
La altura de la bandeja determina el volumen de liacutequido sobre la
bandeja y es un importante factor para determinar la eficiencia de
la bandeja con orificios Una mayor altura incrementaraacute la
eficiencia de la bandeja pero a expensas de un alta caiacuteda de
presioacuten en la bandeja Para columnas operando alrededor de la
presioacuten atmosfeacuterica la altura de las paredes de la bandeja variacutea
entre 40 a 90 mm (15 a 35 pulg) [7]
Para el disentildeo de estos elementos se tomara una altura de 90
mm para obtener una buena eficiencia de la bandeja ya que el
231
volumen de agua colocada en la bandeja por mayor tiempo
tendraacute mayor tiempo de contacto con el aire
Aacuterea Perforada
El aacuterea disponible para perforacioacuten se deduciraacute por la obstruccioacuten
causada por las partes estructurales (tales como soportes anillos
y vigas) y por el uso de zonas libres Las zonas libres son
espacios no perforados de la bandeja en los lados de salida y
entrada El ancho de cada zona es usualmente la misma valores
recomendados son
Ancho de la columna Ancho de la zona sin perforar
lt 15 m 75 mm
gt15 m 100 mm
TABLA 41 DIMENSIONES DE ZONA SIN PERFORAR [17]
De acuerdo a la tabla 41 se tomara una franja sin perforar de 75m
Dimensiones de las perforaciones
Los platos perforados tienen perforaciones de 25 mm a 12 mm
(18 a 12 pulg) de diaacutemetro siendo el tamantildeo comuacuten de 5 mm
(316 pulg) las perforaciones se hacen siguiendo un arreglo
232
triangular o cuadrado con una distancia entre centros entre 2 a 5
veces el diaacutemetro de las perforaciones (el oacuteptimo es 38) [17]
Se toma el valor recomendado del agujero de 316rdquo por lo tanto el
espaciamiento entre centros de los agujeros seria
D= 90 mm
Se escogeraacute un arreglo triangular para los orificios
De acuerdo al aacuterea de la seccioacuten transversal de la torre 2430
mm731 mm y la disposicioacuten del disentildeo de forma se tiene unas
dimensiones en las bandejas de
Bandeja = 2000 mm 731 mm
Al dejar una franja por los cuatro lados sin perforar de 75 mm
FIGURA 43 DISPOSICION DE AGUJEROS EN LAS
BANDEJAS
Por lo planteado en el capiacutetulo 3 se obtuvo que la altura de la zona
empaquetada es de
Z = 538 ft = 2044 mm
233
Para hallar el aacuterea de la seccioacuten transversal en el inciso 42 de
este capiacutetulo se asumioacute un espaciamiento entre bandejas de
e = 740 plg = 188 mm
Por lo tanto se necesitariacutea 5 bandejas perforadas en la disposicioacuten
dada en el disentildeo de forma de la fig 41
Para calcular el nuacutemero de agujeros en la bandeja se recurre a la
ecuacioacuten siguiente
Nh = 4Ahπd2h
Nh = 112 orificios en la bandeja
Espesor de las Bandejas
Se considera un espesor del material para la bandeja de 14 mm
Se considerara la presioacuten que ejerceriacutea el agua asumiendo la
bandeja llena al 100 la carga que ejerce el agua en el volumen
de la bandeja es de 42453 N
Se utilizara el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad
234
Anaacutelisis de Resistencia mediante el Meacutetodo de Elementos
Finitos
ANSYS en INVENTOR 10 analiza concentradores de esfuerzos
mecaacutenicas de fracturas bajo cargas estaacuteticas y dinaacutemicas asiacute
como frecuencias naturales y estabilidad El programa ofrece
distintos materiales a seleccionar para el anaacutelisis con
asunciones sobre su comportamiento Lineal (la tensioacuten es
directamente proporcional a la presioacuten) Constante (la
temperatura de todas las propiedades es independiente)
Homogeacutenea (las propiedades no cambian en todo el volumen de
la pieza) Isotroacutepica (las propiedades de los materiales son
ideacutenticas en todas las direcciones) El factor de seguridad se
calcula utilizando el equivalente maacuteximo de la teoriacutea de falla de
tensioacuten para materiales duacutectiles A continuacioacuten se muestran los
informes de los anaacutelisis practicados a las bandejas perforadas
las figuras indican en su parte superior izquierda la escala
colorida con sus respectivos valores de Tensioacuten Equivalente y
Factores de seguridad mayores a 13 Aceptables [19]
235
TABLA 42 INFORME DE RESULTADOS DEL
ANALISIS DE LA BANDEJA PERFORADA
INFORME DE ANALISIS DE BANDEJA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935 Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 934e-4 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 8688 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
236
FIGURA 44 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 45 DEFORMACION
FIGURA 46 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 2 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
237
Disentildeo del Depoacutesito de Coleccioacuten de la Torre de Enfriamiento
Para determinar las dimensiones del depoacutesito de coleccioacuten de agua
para la torre de enfriamiento se debe conocer el tiempo que demora
el agua en circular a traveacutes del sistema
Se asume que el ciclo demora un minuto y se parte del dato que el
depoacutesito deberiacutea tener una capacidad mayor a la cantidad de agua
que debe fluir por el sistema en un minuto y asi evitar que esta se
quede sin liquido ademaacutes el mismo colector debe soportar el peso de
la torre con sus accesorios
Entonces el problema consiste en seleccionar dimensiones para la
piscina que provean mayor economiacutea y aseguren un buen
funcionamiento Por lo general se establece el aacuterea transversal del
depoacutesito un poco mas grande que el aacuterea transversal de la torre de
enfriamiento que permita el montaje de la tuberiacutea de succioacuten o alguacuten
otro accesorio necesario
Para el disentildeo de la piscina se basara en el coacutedigo ASME para
recipientes a presioacuten seccioacuten Div 1 para tanques rectangulares que
trabajan bajo presioacuten atmosfeacuterica [15]
Notacioacuten
238
α Factor que depende del largo y ancho del tanque HL fig47
E Modulo de elasticidad 30000000 psi para aceros al carbono
G Gravedad especifica del liacutequido Agua=1
I Momento de Inercia plg4
l Maacutexima distancia entre soportes plg
L Largo del tanque plg
R Reaccioacuten con subiacutendices indicando el lugar de aplicacioacuten lbplg
S Esfuerzo del material
t Espesor requerido de la plancha plg
w Carga por unidad de longitud lbplg
FIGURA 47 VALORES DE α
Seleccioacuten del espesor de plancha
239
Ec 45
El espesor se incrementara con el factor de corrosioacuten para este
caso se le aumentara 00645 plg o 163 mm
FIGURA 48 DIMENSIONES DEL DEPOSITO DE COLECCIOacuteN DE
AGUA
L=8 ft
H=2 ft
B=4 ft
Relacioacuten HL = 025
De la figura 47 se obtiene el valor α = 00010
S=23200 lbplg2 para el acero estructural A ndash 36
G=1 para el agua
Sustituyendo valores en la ec 45 se tiene un espesor de
plancha
240
t=000109 plg
A este valor se le suma el factor de corrosioacuten 00626 plg
Por lo tanto
t=0063 plg o t=161mm se utilizara plancha de 2mm de
espesor
Carga en las paredes del depoacutesito
FIGURA 49 CARGAS HIDROSTATICAS
Ec 46
Sustituyendo valores se tiene que
w=162 lbplg
R1=03w Ec 47
R1=03162=486
R2=07w Ec 48
241
R2=07162=1134
442 Momento de Inercia miacutenimo requerido
Ec 49
Sustituyendo valores
Imin=0003 plg4 = 12486 mm4
443 Distancia entre soportes de la piscina
FIGURA 410 DISTANCIA ENTRE SOPORTES
Ec 410
Si el numero de soportes es 4 entonces = 26 plg = 6604mm
Sustituyendo en la ecuacioacuten 410
t=0141 plg
Despejando el valor de la ecuacioacuten 410 se tiene
242
Sustituyendo valores
Por lo tanto
11968 plg 2583 plg = Numero de soportes = N
N=463 es decir se fiacutesicamente se necesitan 5 soportes con un
espaciamiento de 2583 plg
E=656 mm
El disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de agua se encuentra en el
Plano N 3
Se utilizaraacute el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad del colector sometido a
toda la carga de la torre con su peso propio y la carga de agua
contenida en las bandejas
243
TABLA 43 INFORME DE RESULTADOS DEL
COLECTOR DE AGUA
INFORME DE ANALISIS DEL COLECTOR DE AGUA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1976Kg
Volumen de la pieza 2517+007 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 47950
Elementos 26630
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Fuerza 1481 N
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 5455e-005 MPa 2437 MPa
Deformacioacuten 0 mm 0102 mm
Factor de seguridad 15 NA
244
FIGURA 412 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 413 DEFORMACION
FIGURA 414 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 3 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
245
44 Seleccioacuten del Ventilador
Para la seleccionar el ventilador para la torre de enfriamiento es
necesario conocer los siguientes datos
1 Flujo de aire que circulara por la torre en ft3min
2 La presioacuten estaacutetica o presioacuten de resistencia contra la que debe
operar el ventilador expresada en plg de agua
Flujo de aire que circula por la torre Gs = 16056 lbh
Gs=2676 lbmin
Para determinar los pies cuacutebicos por minuto (pcm) de aire que salen
a traveacutes del extractor se divide las libras de aire seco por minuto
para la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
pcm = Gs (lbmin) densidad de la temperatura de operacioacuten Ec411
Para determinar la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
es necesario calcular la temperatura a la que sale el aire de la torre
Para esto conociendo el valor de la humedad absoluta Yrsquo2 lb de
vapor de agua por lb de aire seco con que sale el aire y asumiendo
que el aire se encuentra cercanamente saturado 95 se puede
246
entrar en la carta psicomeacutetrica Apeacutendice H y determinar dicha
temperatura
Yrsquo2= 0024
Con una temperatura de salida de la torre
T=84 0F
Con este valor dado en la figura se encuentra que la relacioacuten de
densidad del aire (RDA) a 84 0F y a nivel del mar es
RDA= densidad del aire en condiciones estaacutendar densidad del aire en condiciones de operacioacuten
Ec 412
RDA=105
De la ec411
105=0077lbft3 densidad del aire que opera a 84 0F
ρ84 F= 0075 lbft3
De la ec 412 se tiene
pcm=354483 ft3min = 116707 m3h
Con respecto a la caiacuteda de presioacuten estaacutetica contra la que debe
operar el ventilador se vio que en torres de este tipo era
ordinariamente menor que una pulgada de agua por lo tanto
tomando en consideracioacuten la resistencia ofrecida al paso del aire por
247
la zona empaquetada y los separadores de gotas se considera
suficiente utilizar el valor de 05 pulH20 o 127 mmH2O valores que
estaacuten dentro del rango de caiacuteda de presiones para este tipo de
ventiladores
Se ha escogido la curva del fabricante de la marca Ventiladores
Casals y sus caracteriacutesticas se indican en el Apeacutendice K
FIGURA 415 DIAGRAMA PARA SELELCCIONAR MODELO DE
VENTILADOR
Ingresando en el diagrama de la fig 415 con los datos planteados se
selecciona el ventilador modelo 56 T4 1 con las siguientes
caracteriacutesticas
Diaacutemetro = 650 mm
m3h = 12700
Peso = 36 Kg
248
RPM max = 1525
Potencia = 075 Kw
Ruido = 73 db
FIGURA 416 VENTILADOR SELECCIONADO
Con el peso del ventilador se disentildearaacute la campana de extraccioacuten de vapor de
agua se asumiraacute un espesor de 14 mm Se utilizara el programa
computacional INVENTOR 10 para analizar su deformacioacuten y el factor de
seguridad de la campana
249
TABLA 44 INFORME DE RESULTADOS DE LA
CAMPANA DE EXTRACCION
INFORME DE ANALISIS DE LA CAMPANA DE
EXTRACCION
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 9348+-5 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
250
FIGURA 417 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 418 DEFORMACION
FIGURA 419 FACTOR DE SEGURIDAD
251
45 Seleccioacuten de Diaacutemetro de la Tuberiacutea
Los criterios a utilizar para el caacutelculo del diaacutemetro de la tuberiacutea
son
1 Si la energiacutea
necesaria para el movimiento del fluido es gratis utilizar el
diaacutemetro miacutenimo que permita el caudal deseado
2 Si el fluido ha de ser
bombeado hay que calcular el tamantildeo que permita tener los
menores costes anuales (caacutelculo del diaacutemetro econoacutemico)
Velocidades tiacutepicas y caiacutedas de presioacuten permisibles que pueden
utilizarse para estimar el diaacutemetro de la tuberiacutea son
Velocidad (ms) ∆P(kPam)
Liacutequidos bombeados (no viscosos) 1 ndash 3 05
Liacutequidos flujo por gravedad - 0005
Gases y vapores 15 ndash 30 002 presioacuten de liacutenea
Flujos a alta presioacuten 30 - 60
TABLA 45 VELOCIDADES Y CAIDAS DE PRESION
PERMISIBLES [4]
Si se considera la densidad del fluido la velocidad oacuteptima es
252
Densidad del fluido
(Kgm3)
Velocidad del fluido
(ms)
1600 24
800 30
160 49
16 94
016 180
0016 340
TABLA 46 DENSIDAD DEL FLUIDO EN FUNCION DE LA
VELOCIDAD [4]
En la seleccioacuten de las tuberiacuteas se tiene que considerar el caudal
maacuteximo no el nominal (aumentar 20 a 50)
De acuerdo a la tablas 45 y 46 se tiene que
Flujo de agua = 15 m3h
Por lo tanto se escoge una velocidad
V = 2475 ms este valor es interpolado de la tabla 43 para
liacutequidos bombeados
Conocido el caudal y la velocidad se puede encontrar el
diaacutemetro
Q = A V Ec413
253
A = π4 D = QV
Donde D diaacutemetro de la tuberiacutea despejando D se tiene
D = 00508 m o tuberiacutea de 2rdquo
46 Seleccioacuten de la Bomba para la Torre de Enfriamiento
Se tiene los siguientes datos para la torre
Q = 15 m3h
Altura de la torre se la torre 12m
Considerando las tablas del Apeacutendice J del manual del
fabricante Golds Pumps se selecciona la siguiente bomba
Modelo 3196
STX 1x 1 frac12 - 6
Capacidad 70 GPM 3 frac12 ldquo 1 frac12 HP
Frecuencia 60 Hz
254
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
51 Diagrama de Gantt para la Ejecucioacuten del Proyecto
Diagrama de Gantt- Para la planificacioacuten de la construccioacuten montaje se contara con la
ayuda del software Microsoft Project
Que se lo muestra a continuacioacuten
255
FIGURA 51 DIAGRAMA DE GANTT
El diagrama de la figura anterior da los pasos que se siguieron describiendo todo el
proceso que se llevo a cabo en el proyecto utilizando oacuteptimamente el recurso humano
existente y el tiempo requerido para realizarlo
Levantamiento de planos del disentildeo de forma del sistema de enfriamiento- Este
procedimiento se hizo para obtener una referencia del espacio disponible y con ello ver
las posibles soluciones a implementar Este proceso no consta en el diagrama de Gantt
ya que lo hizo previo a la licitacioacuten ya que seria acreedora del contrato la empresa
participante que presente su mejor propuesta y cotizacioacuten sin embargo se tomo 5 diacuteas
para realizar este proceso
511 Preparacioacuten de Documentos Planos de Taller y Movilizacioacuten
Elaboracioacuten de planos de taller- Se procederaacute al disentildeo del sistema mas optimo en
este caso torre de enfriamiento certificacioacuten de intercambiador de calor disentildeo de
estructura moacutevil y de su estructura de soporte a ser ejecutado para la alternativa
seleccionada Asimismo se procederaacute al disentildeo eleacutectrico bajo la responsabilidad
ERMARLO SA Los planos seraacuten sometidos a la aprobacioacuten del departamento
encargado por parte de la Armada del Ecuador para iniciar los trabajos de
construccioacuten de acuerdo al cronograma presentado
256
Ninguacuten data sheet mostrado en la oferta podraacute ser utilizado como base para la
construccioacuten del sistema en mencioacuten por parte de la Armada del Ecuador o terceros si
la obra no se adjudica a ERMARLO SA con amparo a la ley de derechos de autor
Movilizacioacuten- Durante el periacuteodo de elaboracioacuten de planos se procederaacute con la
movilizacioacuten de equipos herramientas material a las instalaciones de la Armada
Nacional del Ecuador ubicada en la Base Sur Se utilizaraacuten bantildeos portaacutetiles con
mantenimiento perioacutedico Ademaacutes la logiacutestica del proyecto seraacute reforzada con el
apoyo de las oficinas e instalaciones de ERMARLO SA Ubicadas en la viacutea a Daule
Parque industrial Inmaconsa
512 Fabricacioacuten en el Taller
El disentildeo suministro de los materiales prefabricacioacuten y pre pintura interior y exterior
de las estructuras seraacuten ejecutados por ERMARLO SA En el taller se construiraacute
Rieles de movilizacioacuten para los soportes que llevaran la tuberiacutea de agua destilada
friacutea y caliente con sus respectivos acoples
Construccioacuten de la Torre de Enfriamiento y sus accesorios
Se ha contemplado la supervisioacuten de un teacutecnico de la Armada Nacional en los talleres
de ERMARLO SA asi mismo la supervisioacuten en campo de un teacutecnico durante la etapa
de montaje Para el efecto se ha considerado cubrir con todos los gastos relacionados
con esta visita salvo los honorarios de este teacutecnico los cuales correraacuten por cuenta de
la institucioacuten contratante
1 Materiales- De conformidad con los planos de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas para la construccioacuten de las rieles de deslizamiento y torre de
257
enfriamiento se selecciona el material a utilizar verificando calidad espesores y
dimensiones generales de laacuteminas y tuberiacuteas
Principalmente para laacuteminas de acero se verifican las marcas estampadas en
cada plancha contra los certificados emitidos por el fabricante de estar todo
conforme se libera el material para fabricacioacuten
2- Fabricacioacuten
21-Corte- Se posiciona la laacutemina seleccionada en la mesa de corte
procediendo al trazo y verificacioacuten conforme a medidas de plano de fabricacioacuten
Se transfieren las marcas originales de la laacutemina a cada parte y pieza a ser
cortada para mantener su identificacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten y en la
torre de enfriamiento terminada Se regulan los flujos de gases y velocidad de
avance de la maacutequina de conformidad con el procedimiento especiacutefico de cada
maacutequina y se procede a cortar el material En esta etapa se define dentro del
proceso de corte el tipo de bisel que se deja en el filo de las planchas para el
posterior proceso de soldadura todos los biseles tienen que estar detallados en
los planos de fabricacioacuten Una vez cortadas las piezas se realiza una limpieza
mecaacutenica de los bordes de la laacutemina especialmente los biseles de soldadura se
inspecciona y libera el material para el siguiente proceso
22-Conformado- Dependiendo de la parte de la torre que esteacute en proceso las
bandejas perforadas se las fabricara con este procedimiento Adicionalmente
todas las partes conformadas seraacuten pre-ensambladas en taller para verificar su
correcto dimensionamiento y agilizar el proceso de ensamble final en campo
23-Soldadura- Se realizaraacute soldadura en faacutebrica par elementos como patas
soportes de la cuba colectora de agua tuberiacuteas de carga y descarga conexiones
para instrumentacioacuten de acuerdo con el requerimiento del cliente Todas las
258
soldaduras de faacutebrica deben estar definidas en los planos de fabricacioacuten
indicando el proceso de soldadura y paraacutemetros generales que seraacuten ejecutados
Todas las soldaduras se realizaraacuten con procedimientos y soldadores calificados
de conformidad con coacutedigo ASME uacuteltima edicioacuten Los principales procesos a ser
utilizados son SAW GMAW SMAW
Toda soldadura deberaacute ser inspeccionada y verificada cumpliendo los
requerimientos del coacutedigo ASME y condiciones particulares del Cliente si
existieran
24-Tratamiento de Superficies- Tanto las laacuteminas de cuerpo como tuberiacuteas
soportes plataformas seraacuten preparadas y recubiertas de acuerdo con las
especificaciones del cliente En taller se realizaraacute aplicaraacute la primera capa de
revestimiento y en campo se completara el sistema luego del montaje
y pruebas del tanque El procedimiento a seguir es el siguiente
Se prepararaacute la superficie utilizando chorro de granalla metaacutelica hasta obtener un
acabado SSPC - SP 10 metal casi blanco con un perfil de anclaje de 2 a 3 mils
que garantice la adherencia y resistencia mecaacutenica del sistema de pintura a
aplicar Se dispone con los equipos y condiciones adecuadas para garantizar una
buena limpieza
La pintura seraacute aplicada conforme las recomendaciones y especificaciones de la
hoja teacutecnica del fabricante de pintura Durante el proceso de aplicacioacuten se
controla y registran los paraacutemetros externos y condiciones de aplicacioacuten como
temperatura ambiente temperatura de la pieza humedad relativa punto de
rociacuteo espesor huacutemedo y espesor seco
25 Factibilidad de construccioacuten- Se quiere resaltar las ventajas de la
fabricacioacuten de la torre de enfriamiento en Ecuador ya que ademaacutes del arancel
que tendraacute que pagarse sobre el tanque importado cuando se trata de proyectos
de intereacutes puacuteblico de acuerdo a la Ley la Armada del Ecuador puede requerir la
259
aprobacioacuten de la importacioacuten de bienes de capital El Ministerio encargado
certificaraacute si hay manufactura local o no para los bienes a ser importados El
producto local debe ser similar al importado debe tener la misma funcioacuten precio
competitivo igual calidad y tiempo de entrega Si los productos locales cumplen
con los estaacutendares de los productos importados deben entonces ser comprados
localmente caso contrario el Ministerio no autorizaraacute su importacioacuten
513 Montaje del Sistema de Enfriamiento
El Supervisor de montaje seraacute responsable de la eficiente
coordinacioacuten del Proyecto la Armada del Ecuador seraacute informado
continuamente de todas las acciones a tomar
ERMARLO SA dispondraacute de todos los equipos y herramientas
necesarios para enfrentar adecuadamente los trabajos
incluyendo gruacuteas compresores generadores soldadoras equipo
para prueba hidrostaacutetica etc
El montaje del sistema de enfriamiento obedece a una secuencia establecida en los
procedimientos y normas aplicables para este tipo de trabajos
En resumen las actividades principales que es necesario cumplir son las siguientes
Revisioacuten de la fundacioacuten de las estructuras deslizantes y la torre de enfriamiento
Antes del montaje del sistema de guiacuteas para la estructura
deslizante y para la torre de enfriamiento se verificaraacuten
260
cuidadosamente la topografiacutea e integridad estructural de las
fundaciones Tambieacuten se comprobaraacute que el terreno esteacute
adecuado para los diferentes movimientos de los equipos de
montaje
FIGURA 53 ALINEACION DE PISO DONDE SE ASENTARA LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Montaje de la estructura de soporte del sistema deslizante
Una vez revisada y aprobada las estructuras donde se va a montar el sistema
deslizante la cual llevara las tuberiacuteas de agua destilada a las bateriacuteas por parte de
ERMARLO SA se procederaacute a la instalacioacuten de cada una de las vigas transversales
donde se delizara el sistema de tuberiacuteas
261
FIGURA 52 SISTEMA DE DESLIZAMIENTO
Soldadura en obra
Las vigas del sistema de deslizamiento la torre y sus estructuras seraacuten soldados por
cualquiera de los procesos SMAW y SAW utilizando los equipos adecuados La
soldadura puede ser manual semi-automaacutetica o automaacutetica de conformidad a lo que
establezca del procedimiento de soldadura correspondiente
Se tendraacute una revisioacuten estricta de las condiciones de los biseles eliminacioacuten de escoria
antes de efectuar el siguiente cordoacuten inspecciones visuales de la soldadura
inspecciones radiograacuteficas de acuerdo al Coacutedigo se es necesario
Las laacuteminas del cuerpo en juntas de tope seraacuten alineadas en su posicioacuten antes de
soldar las mismas
514 Preparacioacuten de Superficie y Pintura en Sitio
262
Con el fin de asegurar la culminacioacuten del proyecto dentro del tiempo especificado asiacute
como para minimizar los dantildeos ambientales y proteger los materiales prefabricados
durante su transporte se ha considerado realizar la preparacioacuten y pre pintura de
superficies exterior e interior de las estructuras en taller
Las capas finales de pintura seraacuten aplicadas en el campo de acuerdo a las
especificaciones establecidas propuestas por ERMARLO SA Las aacutereas de pintura que
deban reparase o terminarse en se las repararaacute en obra
515 Prueba Hidrostaacutetica del Sistema de Tuberiacuteas e Intercambiador de Calor
Una vez instalado y pintado la torre de enfriamiento con el intercambiador de calor
sumergido en la piscina recolectora de la torre se procederaacute a realizar la prueba
hidrostaacutetica y la posterior desinfeccioacuten del mismo de acuerdo a lo especificaciones en
las bases de licitacioacuten entregada por la Armada del Ecuador
516 Bombas de agua
Existen dos bombas a ser montadas veacutease la figura 53 La bomba 1 para el sistema
de agua destilada de circulacioacuten por las bateriacuteas y al intercambiador de calor la bomba
2 figura 54 para la recirculacioacuten del agua en la torre de enfriamiento Las
caracteriacutesticas de todas ellas han sido ya establecidas en capiacutetulos anteriores
263
FIGURA 53 BOMBA PARA AGUA DESTILADA QUE ENTRA EN LAS BATERIA
FIGURA 54 BOMBA DE AGUA PARA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Para el montaje se deben respetar las especificaciones dadas ya sea por las normas
respectivas o seguir recomendaciones teacutecnicas En este caso se haraacute lo posible por
cumplir las recomendaciones dadas[12] Para el caso de la tuberiacutea de succioacuten se da la
figura 55
264
FIGURA 55 TUBERIA DE SUCCION [12]
Otra recomendacioacuten dada radica en que se debe evitar para el transporte el uso de
tuberiacuteas de igual diaacutemetro al de ingreso o salida del agua de la bomba deben ser
las inmediatas superiores Esto se cumple con los caacutelculos solo cuando la bomba
estaacute bien dimensionada pero no en el caso de la bomba 2 debido a que esta se
encuentra sobredimensionada Por ello el diaacutemetro de la tuberiacutea de salida es igual
diaacutemetro de la tuberiacutea de transporte de agua en el ingreso caso igual se usa una
tuberiacutea de 2rdquo
516 Instalacioacuten Eleacutectrica
Se ha contemplado el disentildeo instalacioacuten suministro y pruebas de
un sistema eleacutectrico el mismo que tendraacute los controles y mandos
para activar ventilador de la torre activacioacuten de las bombas de
agua control de ventiladores del cuarto de activacioacuten
265
FIGURA 56TABLERO DE CONTROL ELECTRICO
Toda tuberiacutea eleacutectrica se aseguraraacute con abrazaderas o soportes
de acero a la estructura de la torre o a las paredes por donde
crucen los cables
517 Graficas Representativas del Montaje de la Torre de
Enfriamiento
266
FIGURA 57 INTERCAMBIADOR SUMERGIDO EN COLECTOR
DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
FIGURA 58 BANDEJAS PERFORADAS INSTALADAS EN LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
267
FIGURA 59 TORRE DE ENFRIAMIENTO INSTALADA
52 Lista de materiales y equipos requeridos para el montaje
En las siguientes tablas se listan los materiales y equipos requeridos para el montaje
realizado adicionalmente se indica si se empleoacute algo usado o nuevo asiacute como su cantidad
268
EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
Equipoherramienta Tamantildeoespecificacioacuten Condicioacuten
01 Arco para sierra Estaacutendar de 12rdquo En bodega
02 Broca para acero HSS Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
03 Broca para cemento Percusioacuten Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
04 Broca para cemento Percusioacuten Oslash frac12 rdquo x 6rdquo En bodega
06 Cepillo de acero 6 hileras En bodega
07 Destornillador plano 5 mm x 150 mm En bodega
08 Emulsioacuten lubricante Proporcioacuten 120 En bodega
09 Flexoacutemetro 8 m x 25 mm En bodega
10 Guantes de cuero Par manga corta (10rdquo) En bodega
11 Hoja de sierra 12rdquo x frac12rdquo x 132rdquo Comprada
12 Hoja de sierra 24rdquo x 1frac14rdquo x 116rdquo Comprada
13 Llave mixta ⅜rdquo En bodega
14 Llave mixta 916rdquo En bodega
15 Llave mixta 58rdquo En bodega
16 Llave para tubo Largo 12rdquo abre hasta 2rdquo En bodega
17 Llave para tubo Largo 24rdquo abre hasta 3frac12rdquo En bodega
18 Llave para tubo Largo 36rdquo abre hasta 5rdquo En bodega
19 Nivel Aluminio largo 24rdquo En bodega
20 Pie de amigo De 24rdquo de aacutengulo de frac34rdquo Construido
21 Piola de algodoacuten Rollo de 50 gramos Comprado
22 Prensa para tubo De tornillo para Oslash 4rdquo En bodega
23 Sierra alternativa Para aserrar acero En taller
269
24 Taladro de mano Capacidad frac12rdquo asymp 13 mm En bodega
25 Taco Fisher F10 Comprado
26 Tarraja para tubo Manual para Oslash frac12rdquo a 2rdquo En bodega
27 Tefloacuten Rollo 19mmx15mx02mm Comprado
29 EPP Comprado
30 Material de aporte E6011 E6013 etc Comprado
31 Equipo de oxicorte Acetileno oxigeno manom En bodega
32 extintores Polvo quiacutemico seco En taller
33 tecle 2 Ton En bodega
34 Maq De soldar En bodega
TABLA 51 LISTA DE EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
53 RESUMEN DE COSTOS
ITEM MATERIALES Cantidad unid mater peso V Unitario V Venta
Soportariacutea fija y estructura moacutevil
Correa G 125 x 50 x 15 x 3 6 unid 3324 3291 19745
plancha 4 1 unid 9334 9241 9241
aacutengulo laminado 40 x 3 9 unid 1100 1089 9801
aacutengulo laminado 50 x 4 3 unid 2355 2331 6994
Correa G 80 x 50 x 15 x 3 9 unid 2406 2382 21437
malla electro ARMEX R- 131 (515) 52 mc 100 200 10400
perno expansioacuten 58 x 3 24 unid 012 060 1440
270
Pintura 4 galoacuten 100 1500 6000
ruedas para correas 12 unid 100 2500 30000
aacutengulo laminado 25 x 3 6 unid 706 699 4194
Materiales estructura 119252
Mano de obra estructura 71551
Total estructura 190803
Sistema de tuberiacuteas y accesorios
tubo PVC 2 20 unid 100 1400 28000
accesorio T 2 2 unid 030 240 480
tapoacuten 2 4 unid 020 160 640
unioacuten 2 10 unid 020 160 1600
bushing 2 x 14 4 unid 020 160 640
manguera 2 6 m 100 3500 21000
acople para manguera 2 x 2 4 unid 200 1600 6400
abrazaderas 2 8 unid 100 600 4800
manguera 14 300 m 100 250 75000
abrazadera 14 480 unid 100 030 14400
tubo galvanizado 1 14 7 unid 100 3360 23520
codo pvc 2 4 unid 020 160 640
codo galvanizado 1 14 4 Unid 020 180 720
nudo 2 4 unid 030 240 960
acoples para manguera 14 240 unid 100 24000
Materiales sistema distribucioacuten agua
enfriamiento aire 202800
Mano de obra sistema distribucioacuten agua 81120
271
enfriamiento
Total sistema distribucioacuten 283920
Torre de enfriamiento
tubo cuadrado 80 x 3 4 unid 4521 4476 17903
aacutengulo laminado 50 x 3 8 unid 1430 1416 11326
ventilador axial para torre enfriamiento 1 unid 120000 120000
plancha 3 para deposito de agua torre 2 unid 7040 6970 13939
control nivel de agua torre 1 global 1500 1500
plancha galvanizada para bandejas 8 unid 4224 5914 47309
plancha galvanizada para paredes 8 unid 3285 4599 36792
bomba de circulacioacuten 80 gpm ndash 30 psi 1 unid 120000 120000
arrancador para bomba de circulacioacuten y
ventilador 1 global 32000 32000
difusores y encausadores de torre 1 global 35000 35000
tuberiacutea y vaacutelvulas de control de circulacioacuten 1 global 23500 23500
Material torre 459269
Mano de obra torre 156151
Total torre 615420
EQUIPOS SUMINISTRADOS POR ARMADA DEL ECUADOR
Intercambiador de calor de haz tubular 000
Bomba PN 50 ndash 32 ndash 145 para agua des-ionizada 000
NOTA no se encuentra agregado el valor del IVA
272
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
61 Conclusiones
1 El meacutetodo usado por el texto de Procesos de transferencia de calor de Kern y al
comparar con el programa computacional para la seleccioacuten del intercambiador de calor
son similares concluyendo que el programa funciona correctamente y este caso el
intercambiador disponible cumple con los requerimientos para reducir la temperatura
requerida para el sistema
2 El equipo disentildeado cumple con lo establecido en el anaacutelisis del problema y las
restricciones
3 El meacutetodo de construccioacuten utilizado especialmente los procesos de soldadura garantizan
el buen funcionamiento del equipo
4 Se ha adquirido mas conocimientos sobre las torres de enfriamiento y sobre su valor
caracteriacutestico KaVL A mayor valor mayor dificultad para lograr el enfriamiento deseado
Adicionalmente se ratifico los conocimientos adquiridos
273
5 Se ha utilizado varios sistemas computacionales para comprobar los resultados
adquiridos e implementar estos programas en el trabajo diario dentro del departamento de
proyectos de ERMARLO SA
6 Se ha utilizado tablas normas y coacutedigos de seleccioacuten y disentildeo de esta manera logrando
un meacutetodo de seleccioacuten maacutes raacutepida para la ejecucioacuten de un proyecto
7 El control de calidad dentro del proceso de construccioacuten y montaje es muy importante en
la entrega final del trabajo para la satisfaccioacuten del cliente y realzar el nombre de la
empresa constructora
8 Una gran experiencia de trabajo en equipo tanto con el personal encargado de la
construccioacuten como la interaccioacuten con el personal de la Armada del Ecuador
62 Recomendaciones
1 Cuando se desee realizar la evaluacioacuten de un intercambiador de calor o una torre de
enfriamiento se debe seguir un sin nuacutemero de especificaciones para tenerlas a mano
Personalmente me parecioacute muy buena la guiacutea del texto Procesos de Transferencia de
Calor
2 Se requiere implementar un estudio detallado para el manejo de todos los desechos
generados
3 Se tendriacutea que hacer un plan de mantenimiento para los equipos constitutivos del sistema
de enfriamiento
4 Revisar permanentemente las instalaciones eleacutectricas ya que se tiene un ambiente
explosivo por las emanaciones de hidrogeno de las bateriacuteas al estar activaacutendose
274
5 La pintura de la torre de enfriamiento deberiacutea estar en control para evitar corrosioacuten en la
estructura
6 En la construccioacuten y el montaje se recomienda el correcto uso del Equipo de Proteccioacuten
Personal asiacute como los implementos para realizar trabajos en altura trabajos en caliente o
lugares confinados para evitar lesiones por parte de los integrantes del proyecto
7 Tener en consideracioacuten todas las normas de seguridad que tiene la institucioacuten (Armada
del Ecuador) para evitar sanciones al personal que estaacute ejecutando el proyecto
8 Implementar un mejor sistema de ventilacioacuten en el cuarto de activacioacuten de bateriacuteas ya que
este tiene demasiados contaminantes en el ambiente
275
BIBLIOGRAFIA
1 Gonzalez Jorge ldquoAplicacioacuten de la Investigacion de Operaciones al
Diseno Optimo de un Intercambiador de Calorrdquo (Tesis Facultad de
Ingenieria en Mecanica y Ciencias de la Produccion Escuela Superior
Politecnica del Litoral 1970)
2 Kern Donald Procesos de Transferencia de Calor Editorial CECSA
1995
3 Hickstyler Manual de Calculos para las Ingenierias Tercera Edicion
Tomo II McGraw Hill 1998
4 Torres Alberto ldquoDiseno de una Torre de Enfriamiento de Agua para Uso
Industrialrdquo (Tesis Facultad de Ingenieria Mecanica y Ciencias de la
Produccion Escuela Superior Politecnica del Litoral 1973)
5 Andrade Francisco Ing Ventilacioacuten Industrial Diplomado en Manejo
Ambiental ESPOL julio 2001
6 Manual Praacutectico de Ventilacioacuten Catalogo Teacutecnico Salvador Escoda
SA
7 Perry Robert-Green Don PERRY Manual del Ingeniero Quiacutemico
Seacuteptima Edicioacuten Volumen II Mc Graw Hill
8 Load amp Resistance Factor Design Manual of Steel Construction AISC
First Edition
9 Incropera P Frank-De Witt P David Fundamentos de Transferencia de
Calor Cuarta Edicioacuten Prentice Hall
10 Granet Irving Termodinaacutemica Tercera Edicioacuten Editorial Prentice Hall
1998
11 Goulds Pump Manual Sexta Edicioacuten Goulds Pumps Inc 1995
276
12 McNaughton Kenneth Bombas Seleccioacuten Uso y Mantenimiento
Editorial Mc Graw Hill 1992
13 David Linden Thomas B Reddy Handbook of Batteries McGraw Hill
Third Edition 1995
14 Pedro Fernaacutendez Diez Bombas Centrifugas y Volumeacutetricas 2002
15 Eugene F Megyesy Pressure Vessel Handbook Publishing Inc Sexta
edicioacuten
16 Holman J P Transferencia de Calor Octava edicioacuten Prentice Hall
2001
17 Dpto Ingenieria Quiacutemica y Textil Disentildeo de Equipos e Instalaciones
(Facultad de Ciencias Quiacutemicas Universidad de Salamanca)
18 Peters and Timmerhaus Plant Design and Economics For Chemical
Engineers McGraw Hill
19 Introduccioacuten al Programa ANSYS
20 Avallone Eugene A Baumeister III Theodore MARKS Manual del
Ingeniero Mecaacutenico Novena Edicioacuten Tomos I y II Mc Graw Hill
21 httpwwwipacesacerofabricacionasp
22 httpwwwevapcocom
23 httpwwwcasalscom
24 httpwwwamcotcom
25 httpwwwmonografiastrabajos10toentoenzip
277
106
DECLARACIOacuteN EXPRESA
ldquoLa responsabilidad del contenido de esta
Tesis de Grado me corresponden
exclusivamente y el patrimonio intelectual de
la misma a la ESCUELA SUPERIOR
POLITEacuteCNICA DEL LITORALrdquo
(Reglamento de Graduacioacuten de la ESPOL)
Luis Gonzalo Laverde Naranjo
107
TRIBUNAL DE GRADUACIOacuteN
Ing Francisco Andrade S
DECANO DE LA FIMCP
PRESIDENTE
Ing Ernesto Martiacutenez L
DIRECTOR DE TESIS
Ing Manuel Helguero
VOCAL
Ing Jorge Duque R
VOCAL
108
DECLARACIOacuteN EXPRESA
ldquoLa responsabilidad del contenido de esta
Tesis de Grado me corresponden
exclusivamente y el patrimonio intelectual de
la misma a la ldquoESCUELA SUPERIOR
POLTEacuteCNICA DEL LITORALrdquo
(Reglamento de Graduacioacuten de la ESPOL)
109
Luis G Laverde Naranjo
AGRADECIMIENTO
A todas las personas que
de uno u otro modo
colaboraron en la
realizacioacuten de este
trabajo y especialmente
en el Ing Juliaacuten Pentildea
Director de Tesis por
su invaluable ayuda
A DIOS porque El es Bueno y Excelso al permitirme tener eacutexito en mis
estudios
A mi familia especialmente mis padres hermanos mis sobrinos en especial
Daniel por su ayuda en todo momento de mi vida
A mi director de Tesis Ing Ernesto Martiacutenez por su mano de apoyo siempre
presta e incondicional dispuesta a brindar su amistad y ayuda como
formador de los futuros profesionales
A la compantildeiacutea ERMARLO SA y todo su personal empresa en la cual me
he forjado y me ha permitido desarrollar este tema de tesis
A todos mis familiares amigos y personas que me ayudaron y apoyaron
para alcanzar mi objetivo
110
DEDICATORIA
A DIOS
A MIS PADRES
GONZALO E ISABEL
111
A MI FAMILIA
RESUMEN
El presente trabajo consiste en dar una solucioacuten real a la necesidad actual y futura del enfriamiento de
las bateriacuteas que se utilizan en los submarinos de la Armada Nacional del Ecuador en el proceso de
activacioacuten de eacutestas en tierra
En el Capiacutetulo Uno se plantea las generalidades detallando las partes constitutivas de los submarinos
caracteriacutesticas de las bateriacuteas que se utilizan en los submarinos meacutetodos de carga de las bateriacuteas y
administracioacuten de la temperatura en el proceso de activacioacuten de eacutestas
El Capiacutetulo Dos trata de la descripcioacuten del problema en esta seccioacuten se describe los requerimientos
dados por el fabricante de las bateriacuteas para que estas puedan entrar en funcionamiento se plantea
varias alternativas de solucioacuten que permita solucionar el problema planteado
El Capiacutetulo Tres se realiza el anaacutelisis teacutermico de acuerdo a datos teacutecnicos dados por los fabricantes
de las bateriacuteas que aplicando conocimientos de termodinaacutemica y transferencia de calor se podraacute
plantear las ecuaciones adecuadas para tener resultados y poder dimensionar los equipos necesarios
para lograr el objetivo planteado
112
En el Capiacutetulo Cuatro conocidos los paraacutemetros teacutermicos actuantes en el sistema se procede a
realizar la seleccioacuten y disentildeo mecaacutenico de los componentes involucrados en el funcionamiento del
sistema de enfriamiento
El Capiacutetulo Cinco realiza una evaluacioacuten teacutecnica para la construccioacuten y montaje de los equipos la
evaluacioacuten econoacutemica del proyecto y actividades de taller
El Capiacutetulo Seis se da conclusiones y recomendaciones a las que se llega como consecuencia del
desarrollo de este trabajo Ademaacutes recomendaciones para que se implemente en un proceso de
mejora continua
IacuteNDICE GENERAL
Paacuteg
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I
IacuteNDICE GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip III
ABREVIATURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VII
SIacuteMBOLOGIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XI
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XII
IacuteNDICE DE PLANOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XIV
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XV
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
CAPIacuteTULO 1
1 GENERALIDADEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
11 Descripcioacuten del sistema de poder de los submarinoshelliphelliphellip 4
113
12 Caracteriacutesticas generales del submarino U - 209helliphelliphelliphelliphellip 6
13 Proceso de activacioacuten de las bateriacuteas para submarinohelliphellip
131 Anaacutelisis del sistema operativohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
132 Caracteriacutesticas de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
133 Capacidad de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
134 Autodescargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
135 Almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
136 Principales meacutetodos de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
137 Control de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
138 Control de la temperatura en las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphellip
7
7
14
16
21
23
24
27
29
CAPIacuteTULO 2
2 DESCRIPCION DEL PROBLEMAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
21 Requerimientos para el proceso de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 36
22 Consideraciones teacutecnicas para la activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
23 Alternativas de solucioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
37
38
231 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
232 Sistema de enfriamiento con intercambiador enfriado por
airehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
233 Sistema de enfriamiento utilizando chillerhelliphelliphelliphelliphelliphellip
234 Sistema de enfriamiento utilizando intercambiador de calor y torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
42
43
45
24 Seleccioacuten mejor alternativahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
25 Torres de enfriamiento y su clasificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
26 Seleccioacuten de la torre a utilizarsehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
114
CAPIacuteTULO 3
3 ANAacuteLISIS TEacuteRMICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
31 Descripcioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
32 Datos de operacioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 64
33 Seleccioacuten del intercambiador de calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
331 Meacutetodo FLMTDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
332 Uso de software para seleccioacuten del intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
34 Disentildeo teacutermico de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
351 Fundamento del enfriamiento por evaporacioacutenhelliphelliphellip 87
352 Caacutelculoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89
CAPIacuteTULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 105
41Componentes de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 104
42 Determinacioacuten de la seccioacuten transversal de la torrehelliphelliphelliphellip 108
43 Seleccioacuten de la columna de contactohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 112
431 Altura de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
432 Aacuterea perforadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
433 Dimensiones de las perforacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
434 Espesor de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 117
44 Disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de la torre de enfriamiento 121
441 Seleccioacuten del espesor de planchahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 123
442 Carga en las paredes del depoacutesitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
444 Momento de inercia miacutenimo requeridohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
433 Distancia entre soportes del colectorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
115
44 Seleccioacuten del ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 129
45 Seleccioacuten de diaacutemetro de la tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 135
46 Seleccioacuten de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 137
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
51 Diagrama de Gantthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
511 Preparacioacuten de documentos planos de taller y
movilizacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 139
512 Fabricacioacuten en el tallerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
513 Montaje del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
514 Preparacioacuten de superficie y pintura en sitiohelliphelliphelliphelliphellip 148
515 Pruebas hidrostaacuteticas de tuberiacuteas e intercambiadorhellip 149
516 Bombas de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
517 Instalacioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
52 Materiales y equipos requeridoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
53 Resumen de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 156
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
61 Conclusioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
62 Recomendacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 160
APEacuteNDICES
BIBLIOGRAFIacuteA
116
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 11 Partes constitutivas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
Figura 12 Estado de descarga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Figura 13 Estado de carga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
117
Figura 14 Variacioacuten de la capacidad seguacuten reacutegimen de descargahelliphellip 17
Figura 15 Variacioacuten de la capacidad seguacuten la temperaturahelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Variacioacuten de la capacidad seguacuten nuacutemero de cicloshelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Variacioacuten de la vida uacutetil en funcioacuten de la descargahelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Variacioacuten de la capacidad por autodescarga 22
Figura 19 Reaccioacuten exoteacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 21 Trabajos preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 22 Esquema de enfriamiento de bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 23 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Figura 24 Enfriamiento utilizando intercambiador enfriado por aire 43
Figura 25 Sistema de enfriamiento utilizando un chiller 44
Figura 26 Sistema de enfriamiento utilizando torre de enfriamiento e intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
Figura 27 Torre de enfriamiento de tiro forzadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
Figura 28 Torre de flujo a contracorriente y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
Figura 29 Torre de flujo cruzado y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
Figura 31 Disposicioacuten de las bateriacuteas en el cuarto de activacioacutenhelliphelliphellip 61
Figura 32 Disposicioacuten de tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
Figura 33 Sistema de desplazamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 34 Bateriacuteas en cuarto de activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 35 Sistema moacutevil para llevar el fluido de enfriamiento a las
bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
Figura 36 Disentildeo de forma del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
Figura 37 Distribucioacuten de temperaturas en un intercambiador de calor de doble tubo en
paralelohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 69
Figura 38 Ventana de inicio del programahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
Figura 39 Ventana de seleccioacuten de tipo de intercambiador a utilizarse y definicioacuten de
fluidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
Figura 310 Datos del material del intercambiadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 80
118
Figura 311 Ventana de ingreso de datos de intercambiador de calorhellip 81
Figura 312 Ventana de resultados en la presioacuten de disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphellip 82
Figura 313 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 83
Figura 314 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 84
Figura 315 Disposiciones del haz de tuboshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
Figura 316 Idealizacioacuten del fenoacutemeno de transferenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
Figura 317 Flujo Especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
Figura 318 Diagrama del sistema para el disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
Figura 319 Relaciones de agua y aire de una torre a contra flujohelliphelliphellip 93
Figura 320 Diagrama de operacioacuten de enfriamiento del aguahelliphelliphelliphelliphellip 101
Figura 41 Disentildeo de Forma de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 108
Figura 42 Diagrama de operacioacuten de una bandeja perforadahelliphelliphelliphellip 114
Figura 43 Disposicioacuten de agujeros en las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
Figura 44 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 45 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 46 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 47 Valores de alfahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
Figura 48 Dimensionamiento del depoacutesito de coleccioacuten de aguahelliphelliphellip 123
Figura 49 Cargas hidrostaacuteticashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
Figura 410 Distancia entre soporteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
Figura 412 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 413 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 414 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 415 Diagrama para seleccionar modelo de ventiladorhelliphelliphelliphelliphellip 131
Figura 416 Ventilador seleccionadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 132
Figura 417 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 418 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 419 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 51 Diagrama de Gantt 138
119
Figura 52 Sistema de deslizamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 171
Figura 53 Alineacioacuten de piso donde se asentaraacute la torrehelliphelliphelliphelliphelliphellip 172
Figura 54 Bomba de agua para torrehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 175
Figura 55 Tuberiacutea de succioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 176
Figura 56 Tablero de control eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 177
Figura 57 Intercambiador sumergido en colector de la torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 58 Bandejas perforadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 59 Torre de enfriamiento instaladahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 179
120
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphellip 6
Tabla 12 Paraacutemetros de almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
Tabla 21 Programa de carga eleacutectrica para la activacioacuten de las bateriacuteas de los
submarinoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
Tabla 22 Impurezas maacutes comunes en el agua que afectan los sistemas de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 23 Matriz de decisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
Tabla 24 Clasificacioacuten de las torres de enfriamiento 49
Tabla 25 Matriz de decisioacuten para seleccionar el tipo de torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
Tabla 31 Escala de presioacuten y valor U para tipos de intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Tabla 32 Aacuterea transversal de flujo y superficie para intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Tabla 33 Valores de entalpiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 102
Tabla 34 Caracteriacutesticas de humidificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103
Tabla 41 Dimensiones de zona sin perforarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
Tabla 42 Informe de resultados del anaacutelisis de la bandeja perforadahellip 119
Tabla 43 Informe de resultados del colector de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 127
Tabla 44 Informe de resultados de la campana de extraccioacutenhelliphelliphelliphellip 133
Tabla 45 Velocidades y caiacutedas de presioacuten permisibles 135
Tabla 46 Densidad del fluido en funcioacuten de la velocidadhelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
Tabla 51 Lista de equipos y herramientashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
121
IacuteNDICE DE PLANOS
Plano 1 Torre de enfriamiento y sus partes
Plano 2 Bandejas perforadas
Plano 3 Campana de extraccioacuten
Plano 4 Tanque colector
Plano 5 Placa soporte
Plano 6 Dimensiones de estructura de torre de enfriamiento
122
ABREVIATURAS
ordmC Grados centiacutegrados
Mg Magnesio
Si Silicio
m Metros
cm Centiacutemetros
mm Miliacutemetros
kg Kilogramos
t Toneladas meacutetricas
MVA Mega voltamperios
kwh Kilovatio hora
tkwh Kilovatio hora por tonelada
Nm3
Metro cuacutebico normalizado
FeMn Ferromanganeso
MgO Oacutexido de magnesio
m Microacutemetro
NO2 Dioacutexido de nitroacutegeno
3Nmg
Gramos por metro cuacutebico de aire normalizado
ht Toneladas por hora
3mg
Gramos por metro cuacutebico
123
3mmg
Miligramos por metro cuacutebico
3pieg
Gramos por pieacute cuacutebico
min
3pie Pieacute cuacutebico por minuto
gal galoacuten
CFM Pies cuacutebicos por minuto
t
Kg Kilogramos por tonelada
hm3
Metros cuacutebicos por hora
th
m3
Metros cuacutebicos por hora por tonelada
s Densidad del soacutelido
3mg
Microgramos por metro cuacutebico
3mkg
Kilogramo por metro cuacutebico
sm Metros por segundo
OHmmCol 2 Miliacutemetros de columna de agua
atm atmoacutesferas
Pa Pascales
FPM Pies cuacutebicos por minuto
A Aacuterea
V Velocidad
Q Caudal
sm3
Metros cuacutebicos por segundo
124
SP Presioacuten estaacutetica
VP Presioacuten dinaacutemica
kPa Kilopascales
MPa Megapascales
2lgpulb Libras por pulgadas cuadradas
antildeomm Miliacutemetro por antildeo
hmm
2
3
Metros cuacutebicos por metro cuadrado por hora
psi Libras por pulgada cuadrada
diaacutemetro
ppm Partes por milloacuten
M Momento
mpy Mileacutesimas de pulgada por antildeo
Mw Megavatios
T Diferencia de temperaturas
CkgJ
ordm Joules por kilogramo por grado centiacutegrado
k Conductividad
h Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
R Sumatoria de resistencias
f Factor de friccioacuten
St Nuacutemero de stanton
KmW
2 Vatios por metro cuadrado por grados kelvin
125
INTRODUCCIOacuteN
La Armada del Ecuador a cargo de la Direccioacuten de Mantenimiento de la
institucioacuten con el propoacutesito de brindar mantenimiento al escuadroacuten de
submarinos nacionales SS ndash 11 ldquoShyrirdquo y SS ndash 12 ldquoHuancavilcardquo tipo U ndash 209
de fabricacioacuten alemana considera el cambio inmediato de las bateriacuteas de
propulsioacuten instaladas en dichos submarinos por haber cumplido su ciclo de
vida
Las unidades submarinas son de propulsioacuten diesel ndash eleacutectricas las bateriacuteas
son las encargadas de suministrar la energiacutea necesaria para propulsar y
alimentar la red abordo
Las bateriacuteas operan desde el antildeo 1997 tiempo de operacioacuten hasta la fecha
de 11 antildeos que sobrepasan el tiempo de vida uacutetil que es de 10 antildeos lo que
requiere un reemplazo inmediato de las bateriacuteas
Es por eso que las bateriacuteas de propulsioacuten fueron adquiridas a traveacutes de la
Junta de Defensa Nacional a la compantildeiacutea alemana Hawker GMBH una
126
remesa de 960 bateriacuteas estas son del tipo plomo ndash aacutecido las bateriacuteas se
someten a un proceso de carga y descarga cuando estaacuten montadas en el
submarino este proceso genera calor y produccioacuten de hidroacutegeno en el
ambiente
Para controlar la generacioacuten de calor existe en el submarino un sistema de
enfriamiento utilizando agua del mar las bateriacuteas nuevas adquiridas no
vienen activadas de fabrica para evitar problemas de danos y eliminar
riesgos durante el viaje hasta las instalaciones de la Armada Nacional es por
eso que la institucioacuten a dispuesto un lugar estrateacutegico donde se va a
proceder a la construccioacuten del sistema de activacioacuten de las bateriacuteas lo que
conlleva a realizar trabajos preliminares para la puesta en marcha de estos
equipos
Como este proceso tiene que ser realizado en tierra la Armada del Ecuador
convoca a diferentes empresas para licitar en el disentildeo construccioacuten y
montaje de un sistema de enfriamiento de agua que va a ser utilizada en la
activacioacuten de 120 bateriacuteas a la vez
ERMARLO SA empresa en la cual me desenvolviacutea en el departamento de
proyectos fue adjudicada la licitacioacuten y fue asignado el proyecto de disentildeo y
construccioacuten del sistema de enfriamiento el cual es el objetivo de esta tesis
127
Se utilizaran varios programas computacionales como Inventor 10 ESP plus
con el fin de utilizarlos en la praacutectica con mayor destreza para solucionar
problemas
CAPITULO 1
1 GENERALIDADES 11 Descripcioacuten del Sistema de Poder de los Submarinos
A fin de clarificar ciertos aspectos importantes para comprender el sistema de
propulsioacuten de los submarinos se realizaraacute una breve descripcioacuten generalizada de
este tipo de buque
El submarino tipo U ndash 209 es un buque disentildeado exclusivamente para
operar bajo el agua esta afirmacioacuten puede parecer redundante pero
es necesaria para diferenciar los submarinos modernos de los usados
durante la primera y segunda guerras mundiales que era propiamente
128
ldquosumergiblesrdquo es decir los buques con capacidad de permanecer
periodos relativamente cortos bajo la superficie esto explica el disentildeo
de estos con cantildeones en cubierta para la defensa aeacuterea y de
superficie
Hasta la llegada de la propulsioacuten nuclear marina la mayoriacutea de los submarinos del
siglo XX usaron bateriacuteas eleacutectricas para la navegacioacuten subacuaacutetica y motores de
combustioacuten interna para la superficie y recargar las bateriacuteas Los primeros modelos
usaban gasolina como combustible pero pronto se sustituyoacute por parafina y luego
gasoacuteleo gracias a su menor inflamabilidad La combinacioacuten diesel-eleacutectrico se
convertiriacutea en el medio de propulsioacuten estaacutendar Inicialmente el motor diesel o gasolina
y el eleacutectrico separados por embragues estaban en el mismo eje e impulsaban el
propulsor Esto permitiacutea que el primero usase al segundo como generador para
recargar las bateriacuteas e impulsar tambieacuten al submarino si era necesario Cuando el
submarino se sumergiacutea se desembragaba el motor diesel de forma que se usase el
eleacutectrico para girar la heacutelice El motor eleacutectrico puede tener maacutes de un inducido sobre
el eje estando eleacutectricamente acoplados en serie para velocidades bajas y en
paralelo para velocidades altas
129
12 Caracteriacutesticas Principales del Submarino U ndash 209
Desplazamiento
(sumergidos)
1285 Ton
Dimensiones 559 6355 m
Propulsioacuten 4 MTU MD 12V992 Tb 90
diesel de 600 CV un
Siemens eleacutectrico de
5000 CV y 4
generadores eleacutectricos
de 405 Kw
Tipo Submarino diesel
eleacutectrico de ataque SSK
Astillero de origen Howaldtswerke Kiel
Alemania
Desplazamiento 1265 ton (superficie)
1396 ton (inmersioacuten)
Casco Acero naval reforzado
Celdas 480 de 11500 Amp ndash h y
un peso total de 257 ton
Combustible 108 ton
Profundidad
maacutexima
500 metros
Armamento 553 mm torpedos en
tubos (14) misil Sub-
130
Harpoon
Tripulacioacuten 33
TABLA 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U ndash 209
El submarino posee 4 bateriacuteas de 120 celdas cada una
Cada celda estaacute disentildeada para almacenar cargas con voltajes que no
exceden los 275 voltios de corriente continua Las 120 celdas estaacuten
conectadas en serie esto para cada bateriacutea
FIGURA 11 PARTES CONSTITUTIVAS DEL SUBMARINO U -209
13 Proceso de Carga y Descarga de las Bateriacuteas en el Submarino
131
Para activar las bateriacuteas antes de ser puestas en operacioacuten se
requiere que se cumpla un determinado procedimiento el cual
implica periodos de carga y descarga de acuerdo a un plan
establecido
131 Anaacutelisis del Sistema Operativo de las Bateriacuteas
El suministro de energiacutea eleacutectrica dentro del buque tiene un solo
responsable estas son las celdas del buque
Primeramente entieacutendase por celdas al elemento unitario de
energiacutea eleacutectrica del buque que baacutesicamente es un acumulador de
plomo y aacutecido o pila secundaria que puede recargarse invirtiendo
la reaccioacuten quiacutemica
La celda electroliacutetica que describiremos a continuacioacuten el
acumulador de plomo
Estos acumuladores constan de una serie de placas de plomo
dispuestas una al lado de la otra y separadas entre siacute por medio de
los separadores
Las placas son unas rejillas rectangulares en las que se efectuacutea
una transformacioacuten de energiacutea quiacutemica en eleacutectrica o viceversa
seguacuten se descargue o cargue repetidamente el acumulador
132
Existen dos clases de placas las positivas constituidas a base de
peroacutexido de plomo cuyo color es negruzco y las negativas
constituidas de plomo combinado con materiales inertes que no
intervienen en la transformacioacuten generalmente antimonio Al
peroacutexido de plomo y al plomo que componen las placas se les
denomina materia activa del acumulador
Las placas positivas estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute
mediante una barra o laacutemina metaacutelica denominada puente de
unioacuten Lo mismo ocurre para las placas negativas Sobre ambos
puentes se hallan los bornes del acumulador uno positivo y otro
negativo
El conjunto de placas positivas y negativas alternadas se
encuentran sumergidas en agua acidulada que es una mezcla de
acido sulfuacuterico y agua que hace las veces de electrolito
En las condiciones hasta ahora descritas el acumulador se halla
cargado es decir que si entre sus bornes conectamos un
consumidor por ejemplo una laacutempara por ella circula corriente y
por tanto se encenderaacute ello es debido a que entre sus placas de
peroacutexido de plomo y de plomo existe una diferencia de potencial
capaz de producir corriente eleacutectrica cuando circula esta corriente
a traveacutes de un consumidor el acumulador se estaacute descargando
133
Durante dicha descarga para la corriente desde la placa positiva a
la negativa por el por el receptor o consumidor exterior a la bateriacutea
y por el interior desde la placa negativa a traveacutes del electrolito a la
placa positiva
Al pasar la corriente por el electrolito se descompone la moleacutecula
del aacutecido sulfuacuterico en dos iones (SO4-) y (2H+) con cargas
negativas y positivas respectivamente que reaccionan formando
en la placa positiva peroacutexido de plomo (PbO2) mas agua en el
recipiente Esta agua se genera porque el oxiacutegeno liberado de la
placa positiva del peroacutexido de plomo se combina con el hidroacutegeno
descompuesto del aacutecido sulfuacuterico
De la misma manera se forma sulfato plumboso en la placa
negativa y agua en el recipiente La reaccioacuten de la descarga la
podriacuteamos resumir asiacute
134
A medida que se va descargando la concentracioacuten de aacutecido
sulfuacuterico en el electrolito va disminuyendo lo que origina que sea
menos conductor provocando este fenoacutemeno un aumento de la
resistencia interior en el elemento lo que produce una caiacuteda de
tensioacuten tan grande que deja la bateriacutea fuera del servicio uacutetil
Cuando ha sido atacado todo el peroacutexido de plomo y todo el plomo
cesa la transformacioacuten y con ella la corriente eleacutectrica el
acumulador descargado incapaz de producir maacutes corriente
eleacutectrica
Si estando el acumulador descargado aplicamos en sus bornes
una diferencia de potencial se produciraacute la electroacutelisis del agua
contenida en el recipiente y las transformaciones que habraacuten
tenido lugar durante la descarga se invertiraacuten es decir en las
placas positivas se transformara el sulfato plumboso en peroacutexido
de plomo y aacutecido sulfuacuterico y en las negativas en plomo y aacutecido
sulfuacuterico con lo que el acumulador quedara nuevamente cargado y
con la facultad de poder suministrar de nuevo corriente eleacutectrica
La reaccioacuten de carga se habraacute efectuado asiacute
135
Estos fenoacutemenos quiacutemicos se llevan a cabo en el interior del
acumulador se va intentar representarlos por una serie de figuras
Por ejemplo en la Figura 12 Se tiene una aproximacioacuten a un
esquema de reaccioacuten quiacutemica durante la descarga del acumulador
La laacutempara representa el aparato consumidor que estaacute recibiendo
energiacutea eleacutectrica en este momento En el interior del acumulador
se estaacuten descomponiendo del modo que indican las flechas las
moleacuteculas de cada uno de los componentes de las placas
conjuntamente y en colaboracioacuten con el electrolito y su
composicioacuten quiacutemica
Obseacutervese como en la parte baja de las placas se produce la
presencia del sulfato de plomo (PbSO4) que es el indicio claro de la
descarga (En este esquema se mantiene el sentido electroacutenico de
la corriente es decir el paso del negativo al positivo tal como
ocurre en la realidad aunque se ha aceptado convencionalmente la
inversa)
136
La descarga total del acumulador llegariacutea a producirse cuando
ambas placas se hallaran saturadas de sulfato de plomo y el
electrolito fuera praacutecticamente formado por agua destilada La luz
dejara de brillar en sentildeal evidente de la falta de energiacutea eleacutectrica
FIGURA 12 ESTADO DE DESCARGA DE UN ACUMULADOR
El proceso de carga podemos verlo en la Figura 13 La colocacioacuten
de un generador de corriente continua entre los bornes del
acumulador hace que la corriente circule entre placas y electrolito
Tal como puede verse en la parte alta de las placas la presencia
del sulfato plumboso (PbSO4) es general lo que indica su estado
descarga pero al paso de la corriente eleacutectrica proveniente del
generador activa una reaccioacuten quiacutemica en la que de nuevo acido
sulfuacuterico se recompone Poco a poco la placa negativa recobra su
137
plomo inicial y la positiva su peroacutexido de plomo mientras el
electrolito aumenta su densidad por encima de los valores casi del
agua que teniacutea en el estado totalmente descargado debido a su
enriquecimiento de acido sulfuacuterico [13]
Estas son pues las transformaciones quiacutemicas mediante las
cuales es posible convertir energiacutea eleacutectrica en energiacutea quiacutemica y
viceversa
FIGURA 13 ESTADO DE CARGA DE UN ACUMULADOR [13]
132 Caracteriacutesticas de las Bateriacuteas
138
A pesar de su diversa constitucioacuten todas las bateriacuteas pueden
ser definidas mediante unas caracteriacutesticas comunes que se
consideran seguidamente
Resistencia interna- Formada por la resistencia oacutehmica
de sus componentes (terminales electrodos soportes y
electrolito) y por una resistencia virtual variable en funcioacuten
del estado de carga y de las distintas polarizaciones y
concentraciones Aumenta con las bajas temperaturas
con la descarga de la bateriacutea y con el envejecimiento
Rendimiento- Es la relacioacuten entre la energiacutea
suministrada durante la descarga y la que se necesita
para cargar plenamente la bateriacutea Las peacuterdidas en una
bateriacutea se deben sobre todo a una produccioacuten de energiacutea
caloriacutefica en los procesos quiacutemicos que tienen lugar
durante la carga y descarga
Velocidad de carga y descarga - Las corrientes de
carga y descarga a menudo se especifican con unos
teacuterminos que indican la descarga completa en un periacuteodo
continuo de una hora Estos teacuterminos son los regiacutemenes C
y sus muacuteltiples y submuacuteltiplos son un medio muy coacutemodo
para especificar las velocidades de carga y descarga Por
tanto 10C es la corriente que descarga la bateriacutea en seis
139
minutos mientras que C10 es la corriente que descarga
la bateriacutea en diez horas
Vida uacutetil - La vida uacutetil de una bateriacutea no se mide en antildeos
sino por la cantidad de ciclos de carga - descarga que es
capaz de realizar Asiacute si se la somete a un reacutegimen de
trabajo de muchos ciclos diarios probablemente soacutelo
duraraacute unos meses mientras que si el reacutegimen es de un
ciclo al diacutea o incluso maacutes lento (como ocurre en el caso de
iluminacioacuten de viviendas con energiacutea solar) la bateriacutea
puede durar al menos diez antildeos
133 Capacidad de una Bateriacutea
Es la cantidad de electricidad que puede entregar cuando se
descarga antes de que su tensioacuten disminuya por debajo de un
nivel miacutenimo Su siacutembolo es C y se expresa en A - h Otro
factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una bateriacutea
es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten quiacutemica
que tiene lugar en el acumulador se acelera demasiado y la
vida se acorta Si la temperatura es baja la vida se prolonga
pero si baja demasiado puede correr el riesgo de congelacioacuten
En este caso lo mejor seraacute mantener la bateriacutea en un nivel de
140
carga alto ya que cuanto mayor sea la concentracioacuten del
electrolito el punto de congelacioacuten seraacute maacutes bajo
La capacidad de una bateriacutea variacutea seguacuten el reacutegimen de
descarga aumenta a medida que la descarga es maacutes lenta y
disminuye cuando esta es maacutes raacutepida
Por esta razoacuten el valor de C debe venir referenciado con el
tiempo de descarga
FIGURA 14 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
REGIMEN DE DESCARGA [13]
Un incremento de la temperatura dentro de unos liacutemites
aumenta la actividad de los procesos quiacutemicos y por lo tanto
la capacidad de la bateriacutea Por el contrario a bajas
temperaturas la actividad quiacutemica es menor y la capacidad
disminuye considerablemente
141
FIGURA 15 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN LA
TEMPERATURA [13]
La historia de la bateriacutea afecta tambieacuten a la capacidad Si una
bateriacutea lleva un largo periacuteodo sin ser recargada en toda su
capacidad se produce un efecto memoria que impide que
recupere su capacidad nominal siendo necesarios varios
ciclos de carga y descarga para recuperarla El
envejecimiento de una bateriacutea merma su capacidad y va
disminuyendo a lo largo de su vida en funcioacuten del servicio de
carga - descarga a que sea sometida Para el caacutelculo de la
capacidad nominal necesaria hay que tener en cuenta la vida
uacutetil que se desea para la bateriacutea si se desea una vida uacutetil de
142
3 antildeos y el fabricante indica que al final de este periacuteodo soacutelo
se mantiene el 50 de la capacidad habraacute que utilizar una
bateriacutea de capacidad doble a la estimada necesaria
FIGURA 16 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
NUacuteMERO DE CICLOS [13]
Ademaacutes de los ciclos de carga - descarga tambieacuten hay que
considerar la profundidad de la descarga media que se
produce en cada uno de ellos Si dicha descarga es
moderada y soacutelo de vez en cuando se alcanza una
profundidad elevada el nuacutemero de ciclos que soportaraacute las
bateriacuteas seraacute elevado A medida que se la someta a
descargas maacutes profundas el nuacutemero de ciclos que podraacute
realizar y por tanto su vida uacutetil iraacute disminuyendo En
143
cualquier caso la profundidad de descarga maacutexima admisible
para un acumulador plomo - aacutecido es del 80
FIGURA 17 VARIACION DE LA VIDA UTIL EN FUNCION
DE LA DESCARGA [13]
Con un reacutegimen de descarga diaria del 25 de su capacidad
y un 80 de descarga 2 veces al antildeo (condiciones que
normalmente se dan en una instalacioacuten fotovoltaica) la
bateriacutea solar puede alcanzar una vida uacutetil de maacutes de 11 antildeos
Otro factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una
bateriacutea es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten
quiacutemica que tiene lugar en el acumulador se acelera
demasiado y la vida se acorta Si la temperatura es baja la
144
vida se prolonga pero si baja demasiado puede correr el
riesgo de congelacioacuten En este caso lo mejor seraacute mantener
la bateriacutea en un nivel de carga alto ya que cuanto mayor sea
la concentracioacuten del electrolito el punto de congelacioacuten seraacute
maacutes bajo
Las mayores formas de acortar la vida uacutetil de un acumulador
son
someterlos a cargas y descargas violentas y repetidas
descargarlo hasta el agotamiento
trabajar a temperaturas extremas
134 Autodescarga
La autodescarga de una bateriacutea consiste en la peacuterdida de
energiacutea por reaccioacuten entre los materiales que forman los
elementos de la bateriacutea en condiciones de circuito abierto es
decir cuando no hay carga alguna conectada al circuito de la
bateriacutea Depende del tipo de bateriacutea y muy directamente de la
temperatura aumentando con esta Por ello y dado que los
valores estaacutendar suelen venir referidos a una temperatura
145
media (unos 20 oacute 25ordmC) es preciso tener en cuenta que este
factor puede alterarse en algunos casos
FIGURA 18 VARIACION DE LA CAPACIDAD POR
AUTODESCARGA [13]
La autodescarga hay que considerarla como un consumo
adicional que demanda un cierto porcentaje de energiacutea
almacenada Su valor es aproximadamente de un 05 a un
1 diario en bateriacuteas plomo - aacutecido
146
135 Almacenamiento
Los fabricantes suelen dar recomendaciones para el almacenamiento
Mostramos las condiciones recomendadas para aplicaciones solares
en la tabla siguiente
TABLA 12 PARAMETROS DE ALMACENAMIENTO [18]
Las bateriacuteas almacenadas llenas y cargadas requieren un periodo de
recarga antes de su instalacioacuten El fabricante debe proporcionar las
instrucciones acerca de los intervalos y meacutetodos en los que debe
efectuarse
La exposicioacuten a alta temperatura y humedad durante el
almacenamiento puede ocasionar una peacuterdida de capacidad La
temperatura de una bateriacutea guardada en un recipiente expuesto a la
luz directa del sol puede subir a 60 degC o maacutes durante el diacutea
147
136 Principales Meacutetodos de Carga
La vida uacutetil de una bateriacutea y sus prestaciones dependen
directamente de los procesos de carga a los que es sometida
Por esta razoacuten hay que seguir en cada caso las
recomendaciones que da el fabricante
Los principales meacutetodos de carga son
1 Tensioacuten constante
2 Corriente constante
3 Corriente descendente
4 Dos niveles de tensioacuten constante
Tensioacuten constante
El meacutetodo de carga a tensioacuten constante es el maacutes usado para
cargar bateriacuteas de plomo - aacutecido Consiste en aplicar una
tensioacuten constante de 23 24 oacute 25 Velemento limitando la
corriente inicial de carga a 01C oacute 02 C amperios siendo C la
capacidad de la bateriacutea en amperios - hora El tiempo de
carga va de 40 horas a 10 horas y la tensioacuten debe regularse
seguacuten la temperatura ambiente si la temperatura es alta la
tensioacuten de carga debe ser baja y viceversa
148
Algunos fabricantes admiten la utilizacioacuten de este meacutetodo sin
limitacioacuten de corriente pues sus bateriacuteas estaacuten
dimensionadas para fuertes corrientes En este caso si se
inicia el proceso con 23Velemento la corriente inicial
despueacutes de una descarga profunda seraacute de 3C amperios y de
un 05C durante un periacuteodo largo
Corriente constante
El meacutetodo de carga a corriente constante es recomendado
por algunos fabricantes para las bateriacuteas de niacutequel - cadmio
limitando la corriente entre 025C y 005C amperios En el
caso de carga profunda se admiten corrientes de 1C
amperios pero vigilando la tensioacuten de la bateriacutea o la
temperatura
La carga a corriente constante se utiliza como carga de
igualacioacuten en bateriacuteas plomo - aacutecido para corregir diferencias
de capacidad entre las bateriacuteas de un mismo grupo Para
evitar una sobrecarga que destruya la bateriacutea es necesario
terminar cuando la bateriacutea alcance su maacutexima capacidad
149
Corriente descendente
Es el sistema de carga maacutes econoacutemico y es utilizado por
algunos fabricantes para sus bateriacuteas niacutequel - cadmio
Consiste en una carga sin regulacioacuten limitada por una
resistencia serie que en algunos casos es la propia
resistencia del devanado del transformador de alimentacioacuten
A medida que la bateriacutea se va cargando la corriente de carga
va descendiendo gradualmente Es un meacutetodo antiguo y muy
peligroso porque la tensioacuten y corriente de carga dependen de
las fluctuaciones de la corriente de la red con lo que existe
riesgo impliacutecito de sobrecarga
Dos niveles de tensioacuten constante
Es el meacutetodo recomendado para cargar una bateriacutea de plomo
- aacutecido hermeacutetica en un periacuteodo corto de tiempo y mantener la
bateriacutea en plena carga en situacioacuten de flotacioacuten Inicialmente
se carga a un nivel alto de tensioacuten (245Velemento)
limitando la corriente A partir de que esta disminuya por
debajo de un nivel se pasa a tensioacuten constante permanente o
de flotacioacuten Este meacutetodo es el maacutes eficiente pues minimiza el
tiempo de carga y la bateriacutea queda protegida de sobrecargas
150
Despueacutes de una descarga profunda es necesario un tiempo
de carga maacutes largo de lo normal Inicialmente la corriente que
admite la bateriacutea es baja ya que la resistencia interna tiene
un valor elevado y no adquiere su valor normal hasta pasados
unos 30 minutos Por este motivo es necesario inhibir el
control durante este periacuteodo de tiempo pues el cargador
podriacutea suponer que la bateriacutea estaacute cargada y dejarla en
flotacioacuten
137 Control de Carga
Para mantener el rendimiento oacuteptimo de una bateriacutea es esencial que
su carga se controle adecuadamente Al comienzo del ciclo de carga la
corriente deberiacutea limitarse para asegurar que no se produzca
generacioacuten de gases a causa de un voltaje excesivo aplicado al vaso
mientras la capacidad se recupera la corriente de carga debe
limitarse para mantener el voltaje de los vasos en el umbral requerido
para la generacioacuten de gases o ligeramente inferior una vez
recuperada la plena capacidad se deberiacutea aplicar una carga final a
corriente constante por un periacuteodo de tiempo fijo (carga de
igualacioacuten) Aunque estas condiciones no puedan lograrse
praacutecticamente en los sistemas de energiacutea fotovoltaica hay ciertas
151
circunstancias que se necesitan para minimizar el mantenimiento y
mantener la vida de la bateriacutea Los paraacutemetros del regulador tendraacuten
en cuenta los efectos del disentildeo del generador fotovoltaico la carga
la temperatura y los valores liacutemite recomendados para proteger la
bateriacutea Las de plomo-aacutecido o de niacutequel-cadmio tendraacuten el electrolito
suficiente para cubrir el periacuteodo entre por lo menos las visitas de
mantenimiento planificadas [13]
La sobrecarga excesiva no aumenta la energiacutea almacenada en la
bateriacutea En cambio la sobrecarga afecta al intervalo de servicio
debido al consumo de agua destilada en las bateriacuteas aacutecidas como
resultado de la generacioacuten de gases Para minimizar este efecto el
voltaje de regulacioacuten de la carga debe compensarse con los cambios
en la temperatura del electrolito ya que esto afecta directamente al
umbral de voltaje de generacioacuten de gases Contrariamente a esto la
estratificacioacuten puede ocurrir en bateriacuteas de electrolito liacutequido
particularmente en sistemas fotovoltaicos doacutende la insolacioacuten es a
menudo insuficiente para proporcionar generacioacuten de gases durante
el funcionamiento normal La estratificacioacuten se produce cuando capas
menos densas de electrolito se depositan sobre capas maacutes densas
situadas en el fondo de los vasos lo que produce una reduccioacuten de
152
capacidad Esto puede corregirse con la agitacioacuten que se produce
durante el proceso de gasificacioacuten Por consiguiente el proceso de
regulacioacuten de carga debe disentildearse para promover la generacioacuten de
gases a intervalos regulares Esto puede lograrse elevando el voltaje
de control de carga durante un periacuteodo y restablecieacutendolo una vez
que se ha producido la generacioacuten de gases
138 Administracioacuten de la Temperatura en las Bateriacuteas
Limites de temperatura de operacioacuten
Todas las bateriacuteas dependen para su funcionamiento de un proceso electroquiacutemico
ya sea en carga o descarga y sabemos que estas reacciones quiacutemicas son en alguna
manera dependientes de la temperatura La capacidad nominal de una bateriacutea se
especifica usualmente en alguacuten punto dentro del rango de trabajo entre +20ordmC hasta
+30ordmC (+68ordmF ~ +86ordmF) sin embargo la capacidad real puede desviarse
substancialmente del valor nominal si la bateriacutea es forzada a trabajar a mayores o
menores temperaturas (Figura 18) La Ley de Arrhenius dice que la velocidad a la
cual una reaccioacuten quiacutemica se produce incrementa exponencialmente seguacuten la
temperatura aumenta Esto permite que se extraiga mayor potencia de la bateriacutea en
un instante a mayores temperaturas que la de trabajo Al mismo tiempo las mayores
temperaturas aumentan la movilidad de los electrones o iones reduciendo asiacute la
impedancia interna de la celda por consiguiente aumentando su capacidad Sin
embargo en el extremo superior de la escala las altas temperaturas pueden
tambieacuten iniciar reacciones quiacutemicas no deseadas o irreversibles yo peacuterdida de
electrolito lo cual puede causar un dantildeo permanente o falla completa de la bateriacutea
En el extremo inferior de la escala el electrolito se puede congelar fijando un liacutemite
153
para la capacidad a bajas temperaturas Por debajo del punto de congelamiento del
electrolito la capacidad de la bateriacutea comienza a deteriorarse seguacuten la velocidad de
la reaccioacuten quiacutemica se reduce Auacuten cuando una bateriacutea esteacute especificada para
trabajar bajo los -20ordmC oacute -30ordmC la capacidad a 0ordmC y por debajo de este punto de
disminuye considerablemente Debemos tomar en cuenta que el liacutemite inferior de
temperatura de trabajo de una bateriacutea puede depender de su estado de carga Un
sistema real puede por lo tanto necesitar ambos calentamiento y enfriamiento
ambiental forzado para mantenerlo no soacutelo dentro de los rangos liacutemite de trabajo
especificado por el fabricante sino dentro de un rango maacutes limitado para alcanzar
desempentildeo oacuteptimo
FIGURA 18 CAPACIDAD DE CARGA DE BATERIAS PLOMO ndash ACIDO A
DIFERENTES TEMPERATURAS
Efectos teacutermicos externos
154
Efectos teacutermicos externos La condicioacuten teacutermica de la bateriacutea es tambieacuten dependiente
de su ambiente Si su temperatura estaacute sobre la temperatura ambiente perderaacute calor
por efecto de la conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten Si la temperatura ambiente es
mayor la bateriacutea absorberaacute calor de sus alrededores
Cuando la temperatura ambiente es muy alta el sistema de manejo de la
temperatura debe trabajar muy duro para mantener la temperatura bajo control Una
sola celda puede trabajar muy bien a la temperatura ambiente de una sala por siacute
sola pero si es parte de un paquete de bateriacuteas rodeada de celdas similares todas
generando calor auacuten si la carga es la misma para todas podriacutea exceder sus liacutemites
de temperatura
FIGURA 19 REACCION EXOTERMICA
155
CAPITULO 2
2 DESCRIPCIOacuteN DEL PROBLEMA
Las unidades navales de la Armada del Ecuador dentro de los escenarios
en tiempo de paz y conflicto una de sus principales funciones es de
mantener los equipos y sistemas operativos como parte fundamental en
la operatividad como parte de estas funciones la Direccioacuten de
Mantenimiento de la institucioacuten es la encargada de realizar el cambio de
las bateriacuteas del Escuadroacuten de submarinos de que son las encargadas
suministrar energiacutea eleacutectrica a todo el submarino
156
Se adquiere una remesa de 960 bateriacuteas nuevas para eacutel los submarinos
a la empresa alemana Hawker GMBH ya que es necesario se efectuacutee la
remocioacuten de las bateriacuteas por cuanto su tiempo de vida uacutetil fue alcanzado
en el antildeo 2006 estos equipos vienen realizados sus pruebas de control
de calidad pero no vienen eleacutectricamente cargadas por lo que se
requiere realizar la operacioacuten de activacioacuten en tierra antes de ser puestas
en los submarinos
Para esto se requiere construir un sistema que permita la carga de 120
bateriacuteas a la vez Como se analizoacute en el Capitulo 1 existen tres
paraacutemetros que se debe controlar en el momento de carga o activacioacuten
de estos elementos que son
Voltaje
Corriente
Temperatura
El paraacutemetro de voltaje es necesario conocerlo para saber cuando las
celdas necesitan recargarse o cuando una de las celdas esta averiada y
tomar las acciones necesarias para continuar con el procedimiento de
activacioacuten de los elementos
157
El paraacutemetro de la corriente es necesario conocerlo para saber queacute
cantidad de energiacutea eleacutectrica estaacute entregando o recibiendo las celdas y
de esta manera conocer los amperios ndash hora que estaacute recibiendo las
celdas
El paraacutemetro de temperatura es criacutetico y es el paraacutemetro que esta tesis
estaacute encargada de controlar en este proceso de activacioacuten ya que se
desprende hidrogeno y sabiendo que el hidrogeno es un gas inflamable y
que al combinarse con el oxigeno en un determinado porcentaje es
detonante por este motivo se debe tener estricto control en la
temperatura de las celdas y de la concentracioacuten de hidrogeno en el aacuterea
de activacioacuten
El resultado de los efectos termo-eleacutectricos y termo-quiacutemicos posiblemente aumentados por las
condiciones ambientales es generalmente un aumento en la temperatura y como se dijo
anteriormente esto provocaraacute un incremento exponencial en la velocidad a la cual la reaccioacuten
quiacutemica se da Tambieacuten sabemos que si el aumento de temperatura es excesivo muchas cosas
desagradables pueden suceder
Los quiacutemicos activos se expanden causando que la celda se
ldquohincherdquo
Distorsiones mecaacutenicas en los componentes de la celda pueden
provocar corto circuitos o circuitos abiertos
158
Pueden darse reacciones quiacutemicas irreversibles las cuales
causaraacuten una reduccioacuten permanente en los quiacutemicos activos y por
lo tanto en la capacidad de la celda
Operacioacuten prolongada a altas temperaturas puede causar roturas
en partes plaacutesticas de la celda
Se expeleraacuten muchos gases de la celda debido a lo cual aumenta
la presioacuten dentro de esta lo que puede llevar eventualmente a una
ruptura o explosioacuten de la misma
Se podriacutean liberar quiacutemicos toacutexicos o inflamables
21 Requerimientos para el Proceso de Enfriamiento de las
Bateriacuteas de los Submarinos
Las bateriacuteas son colocadas en un cuarto de activacioacuten designado por la Armada del
Ecuador este cuarto debe ser adecuado para colocar 240 bateriacuteas colocadas sobre
plataformas de carga 4 unidades por plataforma en fila cada bateriacutea debe ser enfriada
de acuerdo a los paraacutemetros especificados por el fabricante
159
FIGURA 21 TRABAJOS PRELIMINARES
El enfriamiento de los elementos de la bateriacutea se consigue haciendo pasar el agua
destilada a traveacutes de los polos negativos y positivos que son huecos pasando desde
aquiacute a traveacutes de tuberiacuteas de salida hacia la tuberiacutea principal
Salida de agua
destilada caliente
Ingreso de agua
destilada friacutea
Salida de agua
destilada caliente
160
FIGURA 22 ESQUEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIA POR MEDIO DE AGUA
DESTILADA
22 Condiciones Teacutecnicas para la Activacioacuten de las Bateriacuteas de
Los Submarinos
Por lo que debe cumplirse con los programas de carga y descarga
siendo la temperatura un paraacutemetro a controlar principalmente en
el periodo de carga
Carga 10 h 590 A 5900 A-h
40 h 435 A 17400 A-h
Ingreso de agua
destilada friacutea
161
4 h Pausa
18 h 200 A 3600 A-h
Descarga 16 h 564 A
Carga aprox 31 h Carga Factor carga 125
27 Cargar 2h 200 A1h pausa
Descarga 20 h 564 A
Carga aprox 36 h Cargar IUI
TABLA 21 PROGRAMA DE CARGA ELECTRICA PARA LA ACTIVACION DE LAS
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
23 Alternativas de Solucioacuten
Los procesos de enfriamiento del agua se cuentan entre los maacutes antiguos que haya
desarrollado el hombre Por lo comuacuten el agua se enfriacutea exponiendo la superficie al aire
Algunos de estos procesos son lentos como el enfriamiento del agua en la superficie
de un estanque otros son comparativamente raacutepidos por ejemplo el rociado de agua
hacia el aire todos estos procesos implican la exposicioacuten de la superficie del agua al
aire en diferentes grados
Al enfriar agua es importante tener en cuenta consideraciones que mejoraran al modo
de enfriamiento del agua y que pueden significar un mayor rendimiento en el proceso
industrial Por esta razoacuten los meacutetodos de enfriamiento pueden ser mejorados en base a
estudios preliminares que cumplen con las normas existentes
162
El agua en estado puro no existe y dependiendo de la fuente de donde provenga
contiene un sin nuacutemero de impurezas a continuacioacuten enlistaremos solo las que nos
afectan en el tratamiento interno de los sistemas de enfriamiento
Constituyente Formula Quiacutemica
Dificultad de causa
Dureza Sales de Ca y Mg Fuente principal de incrustaciones en tuberiacuteas
Acidez mineral H2SO4
Libre HCl Corrosioacuten
Dioacutexido de carbono CO2 Corrosioacuten en las liacuteneas de agua
Sulfatos
SO4
Aumenta el contenido de soacutelidos en el agua Se combina con calcio para formar sales incrustantes de sulfato de calcio
Cloruros
Cl como NaCl
Aumento el contenido de soacutelidos e incrementa el caraacutecter corrosivo del agua
Siacutelice
SiO2
Incrustacioacuten en sistemas de agua de enfriamiento
Hierro Fe +2 ferroso
Fe +3 feacuterrico
Fuente de depoacutesitos en las tuberiacuteas
Oxigeno O2 Oxidacioacuten en tuberiacuteas
Sulfuro de hidrogeno H2S Corrosioacuten
Soacutelidos disueltos Elevadas concentraciones de soacutelidos son indeseables debido a que originan formacioacuten de lodos
Soacutelidos suspendidos Originan depoacutesitos en equipos intercambiadores de calor y tuberiacuteas ocasionan formacioacuten de lodos o incrustaciones
Microorganismos Algas limo y hongos
Formacioacuten de adherencia suciedad bioloacutegica corrosioacuten olores desagradables
TABLA 22 IMPUREZAS MAS COMUNES EN EL AGUA QUE AFECTAN LOS
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
De acuerdo a las especificaciones indicadas anteriormente
principalmente se requiere remocioacuten de calor de las bateriacuteas
163
mientras estas se encuentran en el proceso de activacioacuten en tierra
para la cual se plantea algunas alternativas de varios sistemas de
enfriamiento para posteriormente escoger la maacutes oacuteptima
231 Sistema de enfriamiento directo
Las instalaciones donde se van a colocar las bateriacuteas para ser
activadas estaacuten cerca del estero para lo cual se analizaran
ventajas y desventajas de utilizar este sistema
E-1
Agua de mar
Cuarto de
activacion de
baterias
FIGURA 23 ESQUEMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
DIRECTO
Ventajas
Se tiene agua permanente y en gran cantidad tomada desde
el estero
164
No se requiere instalaciones hidraacuteulicas complicadas
Desventajas
El agua que debe ingresar al sistema de enfriamiento de las
bateriacuteas debe ser esteacuteril pero el agua del estero contiene
cantidades apreciables de sales disueltas lo que implica el
que se tendriacutea que pensar en una planta de tratamiento de
agua
El agua caliente que sale como producto de la remocioacuten de
calor retorna al estero se presenta el problema de
contaminacioacuten teacutermica que puede ser tan grave como
cualquier otra forma de contaminacioacuten ya que el agua tibia
estimula el crecimiento anormal de algas que en cierto modo
consume el oxigeno de uso animal
232 Sistema de enfriamiento para Bateriacuteas de Submarino
utilizando Intercambiadores Enfriados por Aire
Consiste en una serie de tubos situados en una corriente de
aire que puede ser forzada con ayuda de un ventilador
Ventajas
Los tubos suelen tener aletas para aumentar el aacuterea de
transferencia de calor
165
Pueden ser de hasta 12 m de largo y 25 a 5 m de ancho
Un intercambiador de aire tiene una diferencia de
temperatura de unos 12 oC
Desventajas
En un intercambiador de calor enfriado por aire hay que
considerar gastos de enfriamiento del agua es
relativamente caro
E-1
Cuarto de activacion de
baterias
E-2
FIGURA 24 ESQUEMA DE SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
UTILIZANDO INTERCAMBIADORES ENFRIADOS POR AIRE
233 Sistema de Enfriamiento de Bateriacuteas de Submarino
Utilizando Chiller
Un Chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea
para el enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor
generado en un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que
el proceso finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su
temperatura y el agua durante el paso por el proceso la eleva
El agua ahora caliente retorna al chiller donde nuevamente se reduce su
temperatura para ser enviada nuevamente al proceso
166
Ventajas
El chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten
Alimentacioacuten al sistema con diferentes caudales y presiones y temperaturas
de agua
Alto rango de enfriamiento inclusive temperaturas de congelacioacuten con
adicioacuten de anticongelantes
Desventajas
Mantenimiento costoso ya que incluye un compresor un condensador
evaporador vaacutelvula de expansioacuten refrigerante y tuberiacuteas
Consumo de energiacutea
CHILLER
ENFRIADOR DE AGUA
DESTILADA
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
FIGURA 25 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIAS PARA
SUBMARINO UTILIZANDO UN CHILLER
234 Sistema de Enfriamiento Utilizando Intercambiador de
Calor y Torre de Enfriamiento
167
Ventajas
Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para
enfriar un fluido que esta maacutes caliente de lo deseado
transfiriendo este calor a otro fluido que esta frio y
necesita ser calentado
La transferencia de calor se realiza a traveacutes de una
pared metaacutelica o de un tubo que separa ambos fluidos
Las torres para enfriamiento de agua son dispositivos
cuya finalidad es extraer calor del agua a traveacutes del
contacto directo con el aire
Las torres tienen muacuteltiples aplicaciones desde
pequentildeas instalaciones de aire acondicionado hasta en
grandes complejos de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
Se puede decir que su uso estaacute justificado en sistemas
que utilizan agua como medio refrigerante donde sea
necesario disipar grandes cantidades de calor a bajo
costo y el salto de temperatura requerido sea del orden
de 10degC
La Armada del Ecuador proporcionara el banco de
tubos de un Intercambiador de Calor en desuso
Desventajas
Sistema ocupa mayor espacio fiacutesico
168
Tiempo de montaje relativamente largo
Sistemas sujetos a mayor corrosioacuten
Alcanza diferenciales de temperatura bajos en relacioacuten
a los otros sistemas
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
INTERCAMBIADOR
DE CALOR
AGUA DE TORRE CALIENTE (SALE
DEL INTERCAMBIADOR)
AGUA DESTILADA
CALIENTE SALE DE
BANCO DE BATERIAS
AGUA FRIA DE
TORRE ENTRA AL
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA FRIA
SALE DE
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA A
TEMPERATURA
ADECUADA (FRIA)
ENTRA A LAS BATERIAS
FIGURA 26 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO UTILIZANDO
INTERCAMBIADOR DE CALOR Y TORRE DE
ENFRIAMIENTO
24 Seleccioacuten de la Mejor Alternativa para el Sistema de
Enfriamiento de las Bateriacuteas
169
Para la seleccioacuten del sistema de enfriamiento para las bateriacuteas
de los submarinos se utilizaraacute una matriz de decisioacuten de
acuerdo a los paraacutemetros descritos anteriormente tomando en
cuenta las ventajas y las desventajas de cada sistema se ha
tomado en cuenta para esta operacioacuten los paraacutemetros maacutes
significativos en el proceso de la solucioacuten del problema
asignando a cada uno un porcentaje de acuerdo a la
importancia que este brinda para escoger la solucioacuten
Para ingresar a la matriz a las alternativas se les reconoceraacute
con sus iniciales
Sistema de enfriamiento directo SED
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador
enfriado por aire
SEIEA
Sistema de enfriamiento utilizando chiller SECh
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador de
calor y Torre de enfriamiento
SEICTE
170
Paraacutemetros
1 Costos de los sistemas de enfriamiento 3
2 Mantenimiento de equipos 4
3 Cumple con especificaciones y requerimientos de la
propuesta 2
4 Facilidad para adquisicioacuten de equipos 3
5 Durabilidad del sistema 1
1 2 3 4 5 Total
3 4 2 3 1
SED 25 2 0 15 05 65
SEIEA 15 10 10 10 05 50
SECh 05 10 10 10 10 45
SEICTE 15 15 15 15 10 70
TABLA 23 MATRIZ DE DECISION
De acuerdo a la matriz de decisioacuten planteada la solucioacuten maacutes
adecuada es la propuesta del sistema de enfriamiento con
intercambiador de calor y torre de enfriamiento
Existen varias torres de enfriamiento que se podriacutean adaptar al
sistema a continuacioacuten se mencionaran cada una de estas para
seleccionarla de por medio de otra matriz de decisioacuten
171
25 Torres de Enfriamiento y su Clasificacioacuten
251 Torres de circulacioacuten natural
Estas no hacen uso de ventiladores para la circulacioacuten de aire se clasifican en
torres atmosfeacutericas
torres de tiro natural
Torres atmosfeacutericas
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Utilizan las corrientes de aire de la atmoacutesfera (son de flujo cruzado)
2 Son abiertas
3 Deben instalarse en lugares muy despejados de forma que ninguacuten obstaacuteculo
pueda impedir la libre circulacioacuten de aire a traveacutes de la torre
4 Tienen un costo inicial alto debido a su gran tamantildeo pero el costo de
mantenimiento es reducido al no existir partes mecaacutenicas moacuteviles
5 Se debe garantizar que funcionaraacute habitualmente expuesta a vientos de
velocidades iguales o superiores a los 8 kmh
6 Si la velocidad promedio del viento es baja los costos fijos y de bombeo
aumentan mucho en relacioacuten a una torre de tiro mecaacutenico y no compensan el
ahorro del costo de ventilacioacuten Actualmente las torres atmosfeacutericas estaacuten en
desuso
172
Torres de tiro natural
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno
2 La diferencia de densidades entre el aire huacutemedo caliente y el aire atmosfeacuterico
es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a traveacutes de la torre
3 La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el
viento que circula por la parte superior de la chimenea tambieacuten ayuda a
establecer el flujo de aire
4 Son altas y deben tener una seccioacuten transversal grande para facilitar el
movimiento del aire ascendente
5 Tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes
caudales de agua
6 Al igual que las torres atmosfeacutericas no tienen partes mecaacutenicas
7 La velocidad media del aire a traveacutes de la torre suele estar comprendida entre 1
y 2 ms
8 No es posible conseguir un valor de acercamiento pequentildeo y es muy difiacutecil
controlar exactamente la temperatura del agua
9 En las torres de tiro -natural no se pueden utilizar rellenos de gran compacidad
debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo maacutes pequentildea posible
10 Estas torres son muy utilizadas en centrales teacutermicas muy pocas veces son
aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversioacuten inicial necesaria
252 Torres de tiro mecaacutenico
1 Proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado
2 Son torres compactas con una seccioacuten transversal y una altura de bombeo
pequentildeas en comparacioacuten con las torres de tiro natural
3 Valores de acercamiento muy pequentildeos (hasta de 1 a 2 ordmC aunque en la
praacutectica acostumbra a ser de 3 a 4 ordmC)
4 Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire el tiro es forzado
173
5 Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire se habla de tiro
inducido
Torres de tiro forzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre
2 Son casi siempre de flujo a contracorriente
3 Son maacutes eficientes que las torres de tiro inducido puesto
que la presioacuten dinaacutemica convertida a estaacutetica realiza un
trabajo uacutetil El aire que se mueve es aire friacuteo de mayor
densidad que en el caso de tiro inducido
4 El ventilador trabaja con aire friacuteo y no saturado
5 El equipo mecaacutenico tendraacute una duracioacuten mayor que en el caso de tiro inducido
6 El inconveniente radica en la posibilidad de recirculacioacuten del
aire de salida hacia la zona de baja presioacuten creada por el
ventilador en la entrada de aire En la siguiente figura se
puede observar la distribucioacuten de sus partes constituyentes
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
174
Flujo de aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 27 TORRE DE ENFRIAMIENTO DE TIRO FORZADO
Torres de tiro inducido
Estas torres son de gran importancia a nivel industrial son solucioacuten econoacutemica
a los requerimientos de enfriamiento pueden ser de dos tipos
De flujo a contracorriente
De flujo cruzado
Torres de tiro inducido y flujo a contracorriente
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Tanto el agua como el aire van en la misma direccioacuten pero en
sentidos opuestos
2 El agua maacutes friacutea se pone en contacto con el aire maacutes seco
lograacutendose un maacuteximo rendimiento
3 El aire puede entrar a traveacutes de una o maacutes paredes de la torre
4 Altura de entrada de aire reducida en comparacioacuten con las de tiro
inducido y flujo cruzado Existe el riesgo de arrastre de suciedad y
cuerpos extrantildeos dentro de la torre debido a la velocidad de
entrada de aire
5 La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se
traduce en un aumento de la potencia de ventilacioacuten en
comparacioacuten con otras torres En la siguiente figura se observa la
distribucioacuten de las partes constituyentes de este tipo de torre
175
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Ducto de salida de aire
Ventilador
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
Bandeja colectora de agua friacutea
Agua friacutea
Acceso de aire friacuteo no saturado
FIGURA 28 TORRE DE FLUJO A CONTRACORRIENTE Y TIRO
INDUCIDO
Torres de tiro inducido y flujo cruzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
176
1 El aire circula en direccioacuten perpendicular respecto al
agua que desciende
2 Tienen una altura menor que las torres de flujo a
contracorriente ya que la altura total de la torre es
praacutecticamente igual a la del relleno Pero su
diaacutemetro o seccioacuten transversal es relativamente
mayor a las de tiro inducido y flujo a contracorriente
3 El mantenimiento de estas torres es menos
complicado que en el caso de las torres a
contracorriente
4 Facilidad de inspeccioacuten de los distintos
componentes internos de la torre
5 La principal desventaja de estas torres es que no
son recomendables para aquellos casos en los que
se requiera un gran salto teacutermico y un valor de
acercamiento pequentildeo puesto que ello significaraacute
maacutes superficie transversal y maacutes potencia de
ventilacioacuten que en el caso de una torre de flujo a
contracorriente
En la siguiente figura se observan sus partes
177
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Depoacutesito
surtidor de agua caliente
Aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 29 TORRE DE FLUJO CRUZADO Y TIRO INDUCIDO
253 Especificacioacuten del Tipo de Torre de Enfriamiento a Usarse
Para seleccionar el tipo de torre de enfriamiento adecuado empleo una matriz de
decisioacuten en la que en la primera fila pondero al costo inicial costo de operacioacuten
tamantildeo compacto facilidad de mantenimiento y sobre todo al espacio requerido
para el montaje como las caracteriacutesticas requeridas para solucionar el problema
Las alternativas de solucioacuten son las 5 clases de torre de enfriamiento a las que
asigno una jerarquiacutea del 1 al 10 en funcioacuten de las caracteriacutesticas dadas en la
anterior clasificacioacuten de las torres de enfriamiento
De la sumatoria de los valores resultantes de la multiplicacioacuten de ponderacioacuten y
jerarquiacutea de cada tipo de torre se elegiraacute al tipo que posea mayor resultado
178
TABLA 25 MATRIZ DE DECISION PARA SELECCIONAR EL TIPO DE TORRE
Es evidente que la mejor opcioacuten es el tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico
y flujo a contracorriente Esto debido a que comparativamente tiene menor tamantildeo
y aacuterea de montaje requerido aunque no posea los menores costos iniciales y de
operacioacuten tal es el caso del tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico forzado
Esta es relativamente maacutes difiacutecil de limpiar y realizar su montaje razoacuten por la que
se descarta
179
CAPITULO 3
3 ANALISIS TEacuteRMICO
31 Descripcioacuten del Sistema
A partir de la figura 26 implica algunos anaacutelisis para el disentildeo del sistema de enfriamiento y es asiacute
que
Las bateriacuteas como se indico en los requerimientos del sistema van a ser cargadas 120 a la vez esto se
lo va a realizar en el galpoacuten asignado por el personal encargado del proyecto por parte de la Armada
del Ecuador
En este sitio tiene capacidad para almacenar 240 bateriacuteas como se vio en los requerimientos
eleacutectricos las bateriacuteas tienen periodos de tiempo de carga y descarga por lo que se requiere realizar
primeramente un disentildeo de un sistema que permita enfriar primeramente a 120 bateriacuteas por un tiempo
y en el periodo de descarga llevar a cargar las 120 bateriacuteas que se encuentran a continuacioacuten
180
FIGURA 31 DISPOCISION DE LAS BATERIAS EN EL CUARTO DE ACTIVACION
Para ello se disentildeo un sistema moacutevil que consta de parrillas suspendidas en ruedas en esta parrilla se
colocara las tuberiacuteas de circulacioacuten de agua destilada friacutea y saldraacute de las bateriacuteas agua destilada
caliente se indica esta disposicioacuten en el Plano 1 la parte del disentildeo de la estructura moacutevil no seraacute
parte de esta tesis
FI
GURA 32 DISPOSICION DE TUBERIA
FIGURA 33 SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO
181
FIGURA 34 DISPOSICION DE BATERIAS EN CUARTO DE ACTIVACION CON SISTEMA DE
DESPLAZAMIENTO
FIGURA 35 SISTEMA MOVIL PARA LLEVAR FLUIDO DE ENFRIAMIENTO A LAS BATERIAS
CONSTRUIDO
182
Una vez que se ha descrito el sistema el cual va a llevar el agua destilada para el enfriamiento de las
bateriacuteas se tiene que describir el sistema de enfriamiento en si del agua destilada para ello la Armada
del Ecuador doto de un intercambiador de calor que por el interior circulara agua destilada caliente para
que por su exterior circule agua friacutea proveniente de la torre de enfriamiento cerrando de esta manera el
circuito cabe notar que el intercambiador de calor es del tipo tubo coraza pero el intercambiador
adquirido no posee su coraza
Antes de hacer el disentildeo se hizo un anaacutelisis de la factibilidad de construir este sistema en nuestro
medio se consulto en el mercado el costo de una torre de enfriamiento adquirida en una empresa
importadora de estos equipos frente al anaacutelisis de una torre que se pueda construir en ERMARLO SA
resultando maacutes conveniente la construccioacuten de la torre y el acondicionamiento en el sistema de
enfriamiento este anaacutelisis se demostrara en el capiacutetulo de costos
32 Datos de Operacioacuten
A) FLUJO
1) Agua destilada
15 m3h
2) Agua de mar
15 m3h
B) PRESION
1) Agua destilada
25 kgcm2
2) Agua de mar
de la torre
C) TEMPERATURA DE
ENTRADA
183
1) Agua destilada
38 0C
2) Agua de mar
28 0C
D) TEMPERATURA DE
SALIDA
1) Agua destilada
3310C
2) Agua de mar
329 0C
E) DATOS DEL AIRE
1) Temperatura de bulbo seco
322 0C
2) Temperatura de bulbo
huacutemedo 788
33 Consideraciones del
Sistema
El sistema se instalara en un
patio al aire libre
El intercambiador de calor
debe permitir facilidades de limpieza y mantenimiento
El agua a usarse para la
torre seraacute agua potable
184
La velocidad del viento en Guayaquil es variable asiacute que el disentildeo de la torre no debe
depender de la velocidad del viento
El intercambiador de calor
dotado por parte de la Armada del Ecuador del tipo de haz de tubos y coraza este
dispositivo no posee la coraza
Para lo cual el
intercambiador de calor se analizara sumergiendo eacutel en la piscina de la torre de
enfriamiento esta disposicioacuten arrancara calor de los tubos del intercambiador para por el
meacutetodo de conduccioacuten teacutermica pasar calor al agua de la torre y hacerla circular
El agua destilada y el agua
de la torre no deben mezclarse
FIGURA 36 DISENO DE FORMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
185
34 Seleccioacuten del
Intercambiador de Calor
Un intercambiador de calor es un dispositivo que efectuacutea la transferencia de calor de un fluido a otro
que se encuentran a diferentes temperaturas y separados por una frontera solida
En forma muy general se pueden clasificar los intercambiadores de calor de acuerdo al tipo de
superficie
FIGURA 36 INTERCAMBIADOR DE HAZ DE TUBOS
186
En la primera etapa se toman en cuenta consideraciones referidas al tipo de intercambio de calor que
se produce En la segunda etapa se obtienen las propiedades de los fluidos en funcioacuten de las variables
conocidas y se calcula el coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A En la tercera etapa se elige
un intercambiador adecuado para este servicio teniendo en cuenta el coeficiente global U el aacuterea de
intercambio A y las caracteriacutesticas de los fluidos y de las corrientes En la cuarta se vuelve a calcular el
coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A Si no coinciden con el intercambiador previamente
elegido se vuelve al paso tres Si coinciden se da por terminado el proceso [2]
341 Meacutetodo F ndash LMTD para Seleccionar el Intercambiador de Calor
El balance de energiacutea da como resultado
[Energiacutea perdida por el flujo caliente]= [Energiacutea ganada por el flujo friacuteo]
O bien
mh ch(Thi ndash Th0) =mc cc(Tci ndash Tc0) Ec1
Donde
m h Flujo maacutesico del fluido caliente
c h Calor especiacutefico del fluido caliente
Thi Temperatura de entrada del fluido caliente
T h0 Temperatura de salida del fluido caliente
m c Flujo maacutesico del fluido friacuteo
c c Calor especiacutefico del fluido friacuteo
T c i Temperatura de entrada del fluido friacuteo
T c0 Temperatura de salida del fluido friacuteo
El producto (mc) aparece con frecuencia en el anaacutelisis de intercambiadores de calor y
es denominado Capacidad caloriacutefica C
C (mc)
Existen dos metodologiacuteas de anaacutelisis teacutermico de intercambiadores de calor
187
1 Meacutetodo F-LMTD
2 Meacutetodo - NTU
A continuacioacuten se presentara el anaacutelisis F-LMTD para la seleccioacuten del intercambiador de
calor
FIGURA 37 DISTRIBUCION DE TEMPERATURAS EN UN INTERCAMBIADOR DE
DOBLE TUBO EN TUBO PARALELO[1]
Se propone calcular el flujo de calor mediante
Ec 2
Donde
q Flujo de calor [W]
U Coeficiente global de transferencia de calor [Wm2K]
A Aacuterea de transferencia de calor consistente con U
Diferencia de temperatura media
188
En la figura 37 se muestra la historia de las temperaturas de los fluidos friacuteos y calientes
de este modo un balance de energiacutea nos da como resultado
Ec 3
Incorporando la capacidad caloriacutefica y arreglando la ecuacioacuten tenemos
= Ec4
Ec5
Restando ambas ecuaciones
Ec6
Sustituyendo la expresioacuten de calor expresada por
Ec7
Se obtiene la siguiente ecuacioacuten diferencial
Ec8
Integrando la ecuacioacuten anterior entre el punto 1 y el 2 se obtiene
Ec9
Si
Ec10
Ec 11
De manera que sustituyendo las ecuaciones anteriores en la ecuacioacuten previamente
integrada S
189
Ec12
Que al despejar de la ecuacioacuten anterior q se tiene
Ec13
De la uacuteltima ecuacioacuten se reconoce
Donde LMTD son las siglas en ingles de Logarithm Mean Temperature Difference
(Diferencia de temperatura logariacutetmica media)
Esta ecuacioacuten se aplica la misma expresioacuten para LMTD tanto en flujo paralelo como en
contra corriente[1]
Asignacioacuten de flujos
Las reglas aplicables para determinar que fluido va por el casco y cual por los tubos son
1- El fluido a mayor presioacuten va en los tubos
2- El fluido maacutes corrosivo va en los tubos
3- Los fluidos maacutes sucios van en los tubos
4- El fluido con menor peacuterdida de presioacuten va en el casco
5- El fluido a condensar en el casco
Diagramas Teacutermicos
Un diagrama teacutermico es la representacioacuten de la temperatura de las corrientes en funcioacuten
del calor transferido o de la longitud Si existe cruce de temperaturas seraacute necesario
utilizar varios intercambiadores en serie
Diferencia de temperatura media corregida
La diferencia media de temperaturas MTD en un intercambiador de calor de tubo coraza
es la diferencia media logariacutetmica de temperaturas multiplicada por un factor F
MTD = F LMTD Ec 14
De la ecuacioacuten 13 tenemos que
190
= Ec15
Siendo T temperatura de fluido caliente t temperatura de fluido frio
1 entrada 2 salida
El factor F se obtiene de las graficas que se daraacuten en el apeacutendice 1 Un valor de F lt 08
no es admisible por disentildeo hay que calcular P y R seguacuten las condiciones
Ec 16
Ec17
SELECCIOacuteN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Se tiene que obtener primeramente el calor removido por el intercambiador de calor para
lo cual se utilizara la ec1
q=mhch∆T Ec 11
Ch=1BTUlb 0F
∆T=88 0F
mh=Qρ Ec 12
donde
Q=15 m3h = 5297 ft
3h
ρ=6199 lbft3 Para 100
oF (ver anexo 1)
Sustituyendo en la ec12
mh=5297 ft3h6199 lbft
3 = 32836103 lbh
por lo tanto sustituyendo valores en la ec 12
q=27182539 BTUh
q=796599 W
191
Con los datos suministrados se seleccionara el intercambiador de calor adecuado
Thi = 1004
T h0 = 9158
m c = 15 h = 6605 GPM
T c i = 824
T c0 = 912
q = 27182539 BTUh
U = 150 BTUpie2
obtenido de la tabla 31
TABLA 31 ESCALA DE PRESION Y VALOR U PARA TIPOS DE
INTERCAMBIADORES DE CALOR[16]
De la Ec 2 obtenemos el aacuterea de transferencia del intercambiador
Ec 18
192
MTD = LMTD F diferencia de temperaturas medias corregidas
LMTD = 918 este valor es obtenido de la Ec 15
Para encontrar el factor de correccioacuten F utilizamos el Apeacutendice C Ingresando los valores
P y R dadas en las ecuaciones 16 y 17 obtenemos
P = 055
R = 117
F = 09
Por lo tanto
MTD = 918 09 = 82
Por la Ec 18 el aacuterea de transferencia de calor es
A = 2209 pie2 = 2052 m
2
Para calcular el nuacutemero de tubos del intercambiador tubo coraza se plantea la siguiente
ecuacioacuten
Ec 19
ardquo es un factor obtenido para el tubo frac34 obtenido del Apeacutendice E y es 0193 piepie2
por
el aacuterea de disponibilidad donde se construiraacute el sistema tiene una longitud de 8 pie
Por lo tanto el nuacutemero de tubos requeridos para el intercambiador de calor es
Nt = 14072 tubos de frac34rdquo
193
TABLA 32 AREA TRANSVERSAL DE FLUJO Y SUPERFICIE PARA
INTERCAMBIADORES DE CALOR [16]
35 Uso de Software para
Seleccioacuten de Intercambiador de Calor
En este punto se pretende realizar un anaacutelisis comparativo de los resultados obtenidos
mediante el meacutetodo analiacutetico frente al uso de un software mediante el cual se
seleccionara el intercambiador de calor requerido para el sistema de enfriamiento que se
trata
El software que se utilizara es el ESP ndash PLUS V 20 HEAT EXCAHANGER este software
daraacute como resultados el tipo de intercambiador de calor que existe comercialmente
FIGURA 38 VENTANA DE INICIO DEL PROGRAMA
194
FIGURA 38 VENTANA DE SELECCIOacuteN DE TIPO DE INTERCAMBIADOR A UTILIZARSE Y LOS
TIPOS DE FLUIDOS
195
FIGURA 39 VENTANA INGRESO DE DATOS TANTO PARA INTERCAMBIADOR COMO PARA EL
FLUIDO CIRCUNDANTE DA COMO RESULTADO LA TAZA DE FLUJO EN GPM
196
FIGURA 310 SE INTRODUCE LOS DATOS DE MATERIALES DEL INTERCAMBIADOR DE
CALOR
197
FIGURA 311 VENTADA EN LA QUE SE INTRODUCE DATOS DE LONGITUD DEL
INTERCAMBIADOR PRESION INTERNA EN LOS TUBOS Y FACTOR DE FRICCION DENTRO DE
LOS TUBOS
198
FIGURA 312 VENTANA RESULTADOS EN LA PRESION DE DISENO MATERIAL DE TAPAS
DEL INTERCAMBIADOR MATERIAL DE LOS TUBOS Y TUBERIA DE INGRESO AL MATERIAL
199
FIGURA 313 VENTANA DE RESULTADOS
200
FIGURA 314 VENTANA DE RESULTADOS
De acuerdo a este software el intercambiador que se va a seleccionar es el WU16 7 ndash 2 4 que es la
denominacioacuten comercial del constructor ITT Bell amp Gosset creador de este software
La denominacioacuten WU 16 7 ndash 2 4 cada letra y nuacutemero tiene su significado teacutecnico que a continuacioacuten se
detalla
WU Serie de intercambiador de calor
16 Diaacutemetro de la coraza del intercambiador en unidades inglesas
7 Longitud de tubo
2 Numero de pasos del intercambiador de calor
201
4 Espaciamiento de bafles
Al realizar el anaacutelisis comparativo con los meacutetodos de seleccioacuten se tiene que por el meacutetodo analiacutetico se
tiene un aacuterea de 221 ft2 frente al software que nos arroja un aacuterea de 274 ft
2 este valor diferencia
notoriamente a que la seleccioacuten del factor U en el meacutetodo analiacutetico se lo selecciono 150 BTUpie2
el
software utiliza y factor de 137 BTUpie2
notando este paraacutemetro relativamente la diferencia de aacuterea
de los dos anaacutelisis serian casi indiferentes con lo que estariacuteamos en capacidad de decidir si el
intercambiador dotado por la Armada Nacional esta dentro de los paraacutemetros requeridos dado que este
consta de 160 tubos en disposicioacuten triangular dando un aacuterea de transferencia de calor de 24707 ft2
certificando de esta manera que el intercambiador que se posee entra en el rango requerido para el
sistema por lo tanto se lo utilizara para el proceso requerido de enfriamiento del fluido caliente extraiacutedo
del banco de bateriacuteas que estaacuten en el proceso de activacioacuten
FIGURA 315 DISPOSICIONES DEL HAZ DE TUBOS [9]
Los resultados obtenidos del software se presentaran en el Anexo 3
36 Disentildeo de la Torre de
Enfriamiento
El proceso de termotransferencia que se produce en una torre para
enfriamiento de agua cualquiera fuese su tipo es el resultado de la
202
interaccioacuten entre el medio gaseoso refrigerante (aire) y el fluido a
enfriar (agua)
En las torres el agua se encuentra en contacto directo con el aire que
la enfriacutea y el proceso de transferencia de calor se realiza en parte por
intercambio de calor sensible entre la fase liacutequida y la gaseosa pero
en mayor medida por la formacioacuten de vapor de agua en la interfase
liacutequidogas y su posterior difusioacuten en el aire que la circunda
El proceso de transferencia de masa entre el liacutequido y el aire estaacute
iacutentimamente conectado con el de transferencia de calor En efecto
con el cambio de fase desde liacutequido a vapor se absorbe calor lo cual
da lugar a gradientes de temperatura en el aire adyacente a la
superficie liacutequida En muchos casos praacutecticos las condiciones en
que se desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse
que la difusividad teacutermica y el coeficiente de difusioacuten maacutesico son
iguales
203
FIGURA 316 IDEALIZACION DEL FENOMENO DE
TRANSFERENCIA [10]
361 Fundamento del Enfriamiento por Evaporacioacuten
El principio fundamental en que se basa el enfriamiento del
agua por evaporacioacuten es en el que el agua para transformarse
en vapor necesita calor (calor latente de vaporizacioacuten) cuyo
valor el alrededor de 1000 BTU lb de agua evaporada valor
que pone en manifiesto que pequentildeas cantidades de agua
evaporada producen altos efectos de enfriamiento
Este calor es tomado principalmente del liacutequido remanente lo
que produce un descenso de su temperatura
La evaporacioacuten se produce poniendo en contacto directo agua
caliente con aire atmosfeacuterico ambiente de humedad relativa
204
baja en dispositivos especiales que variacutean en complejidad
desde piscinas o lagunas abiertas hasta las torres de
enfriamiento de tiro mecaacutenico
Cuando se requiere enfriar raacutepidamente y continuamente
grandes cantidades de agua las torres de enfriamiento son las
teacutecnicas maacutes ventajosas y su funcioacuten principal es la de reducir
la temperatura del agua circulante a los valores maacutes
adecuados seguacuten el tipo de operacioacuten que tenga
Baacutesicamente el funcionamiento de una torre de enfriamiento
convencional es el siguiente
El agua caliente llega por tuberiacuteas a un distribuidor situado en la
parte superior de la unidad a una temperatura Tho luego es
distribuida en forma de pequentildeas gotas a traveacutes de una
instalacioacuten compleja de material de relleno de diferentes tipos y
calidades variando desde madera incorruptible materiales de
fribrocemento PVC ceraacutemica etc los cuales son ubicados en
forma de mallas o enrejados que dispersan la corriente
descendente del liquido y de esta forma obtener una aacuterea
maacutexima de transferencia con el aire atmosfeacuterico el cual entra
por parte inferior de la torre con una temperatura Tci de bulbo
205
seco y una humedad absoluta Yrsquo1 expresada en lb de vapor de
agua lb de aire seco
362 Caacutelculos
Datos para realizar el caacutelculo de la torre de enfriamiento
Flujo a ser enfriado L
66 GPM
Calor removido por el
intercambiador q 27182539 BTUh
Temperatura que
sale del intercambiador de calor para entrar en la torre tL2
9120 0F
Temperatura del
agua requerida luego del enfriamiento en la torre de
enfriamiento tL1 8240 0F
Temperatura de
bulbo huacutemedo tbh 7880 0F
Temperatura de
bulbo seco del aire que entra tG1 7900 0F
Temperatura del
agua de la tuberiacutea de alimentacioacuten a la torre de enfriamiento
tm 8500 0F
206
Con los datos suministrados se desea obtener los siguientes valores
a Valor teoacuterico del coeficiente total de transferencia de masa Kya
b Calculo de la seccioacuten transversal de la torre A
c Calculo del flujo de aire que circula por la torre Gs
d Calculo de la zona empaquetada Z
e Calculo de agua de compensacioacuten M
Para realizar el disentildeo de la torre de enfriamiento se debe seguir
ciertos pasos que daraacuten la pauta para disentildear una torre de
enfriamiento para cualquier necesidad o requerimiento
1 Capacidad de la
Torre de Enfriamiento
q=27182539 BTUh
Este es el calor que remueve el intercambiador de calor y que
es transmitido al agua de la torre
La capacidad de la torre se mide en Toneladas de
Refrigeracioacuten TR que es una unidad de potencia
207
Es asiacute que se tiene las siguientes relaciones para poder saber
en teacuterminos de TR la capacidad de disentildeo para la torre de
enfriamiento
1TR=3517 W = 3024 Kcalh = 3024 Frigh Ec 20
De donde
27182539 BTUh 1 TR12000 BTUh = capacidad de la torre
Capacidad de la torre = 2262 TR
Flujo especifico Lrsquo
L es flujo de agua y Lrsquo es el flujo especifico de agua que se en
encuentra en la figura 318 este valor se encuentra en
funcioacuten del rango de enfriamiento del agua (Tho ndash Thi) y la
temperatura de bulbo huacutemedo Tbh
FIGURA 317 FLUJO ESPECIFICO Lrsquo [7]
208
El valor de flujo especifico de agua que nos da la figura 317
es Lrsquo=20 galmin ft2
L= 66 GPM
Datos para las condiciones de disentildeo de la torre de
enfriamiento
E-1
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
AIREAGUA
q=27182539 BTUh
L=33000 lbh
tL2=9120 FHrsquo2=
Yrsquo2=
tL1=8240 F
Gs=
tG1=79 F
Tw1=788 F
Yrsquo1=002
Hrsquo1=
tM=85 F
M(lbh)
FIGURA 318 DIAGRAMA DEL SISTEMA PARA EL
DISENtildeO
209
Anaacutelisis de la curva de equilibrio
La teoriacutea del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento es la
que desarrolloacute el Dr Merkel Se basa en la diferencia del potencial de entalpiacutea
entonces se supone que cada partiacutecula de agua estaacute rodeada por una peliacutecula de
aire y que la diferencia de entalpiacutea entre la misma y el aire circundante
proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento
A continuacioacuten se ilustran las relaciones del agua aire y el potencial impulsor que
existe en una torre de contra flujo
FIGURA 319 RELACIONES DE AGUA Y AIRE DE UNA TORRE A
CONTRA FLUJO [25]
De la figura anterior la operacioacuten del agua estaacute representada por la liacutenea AB y se
especifica por medio de las temperaturas del agua de la torre en la entrada y
salida La liacutenea de operacioacuten del aire inicia en C verticalmente por debajo de B y
en un punto que tiene una entalpiacutea correspondiente a la temperatura de entrada
de bulbo huacutemedo La liacutenea BC representa la fuerza impulsora inicial (hrsquo- h) El
aire que sale de la torre se representa por medio del punto D y la gama de
210
enfriamiento es la longitud proyectada de la liacutenea CD sobre la escala de
temperaturas
Resumiendo la teoriacutea del Dr Merkel como se observa en la figura 319
considera el flujo de masa y energiacutea del agua a la interfase y de la interfase a la
masa gaseosa Cuando el flujo cruza estas dos fronteras cada una ofrece una
resistencia a la transferencia de materia y energiacutea que resulta en gradientes de
temperatura entalpiacutea y de humedades
El Dr Merkel demostroacute que
Q = KS(hw - ha) Ec21
S = aV Ec22
Donde
Q Calor total transferido en Btuh oacute kJh
K Coeficiente total de transferencia en lbh pie2 oacute kgh m
2
S Aacuterea de transferencia en pie2 oacute m
2 caracteriacutestica fiacutesica
a Aacuterea de transferencia equivalente por unidad de volumen 1pie oacute 1m
V Volumen efectivo de la torre pie3 oacute m
3
hw Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura del agua Btulb oacute kJkg
ha Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura de bulbo huacutemedo Btulb oacute kJkg
Existen paraacutemetros citados en la Ec21 que no son constantes tanto entalpiacuteas
como temperaturas cambian a lo largo de la torre luego derivaacutendola
dQ = d[KS(hw-ha)] = K(hw-ha)dS Ec23
Para la transferencia de calor del lado del agua
Q = CwL(thw ndash tcw) Ec24
dQ = CwLdtw Ec25
211
donde
Cw Calor especiacutefico del agua kJ(kg ordmK) BTUlb F
L Flujo maacutesico del agua que ingresa a la torre kgs lbh
tw Temperatura del agua en contacto con el relleno ordmK 0F
thw Temperatura del agua caliente que ingresa a la torre ordmK 0F
tcw Temperatura del agua friacutea que sale de la torre ordmK 0F
Para la transferencia de calor del lado del aire
Q = G(hoa ndash hia) Ec26
dQ = Gdha Ec27
Donde
G Flujo maacutesico del aire que ingresa a la torre lbh oacute kgs
hia Entalpiacutea de mezcla gaseosa que ingresa a la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
hoa Entalpiacutea de mezcla gaseosa que sale de la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
Haciendo uso de las ecuaciones 23 25 y 27 se puede obtener el calor total por
medio de las siguientes ecuaciones
K(hw-ha)dS = CwLdtw Ec28
K(hw-ha)dS = Gdha Ec29
Que se puede rescribir de la siguiente manera
aw
a
hh
dhGdSK
Ec30
aw
ww
hh
dtC
L
dSK
Ec31
Integrando las Ecuaciones 30 y 31 se tiene
hoa
hia aw hh
dh
L
G
L
KaV
L
KS Ec32
212
thw
tcw aw
ww
hh
dtC
L
KaV
L
KS Ec33
ldquoAl teacutermino KaVL se lo denomina la caracteriacutestica de la torrerdquo
La curva caracteriacutestica es utilizada para determinar el buen funcionamiento de la
torre KaVL es una medida del grado de dificultad para los requerimientos de
enfriamiento del liquido Esta curva tambieacuten puede llamarse ldquoCurva de
Requerimientos de Disentildeordquo puesto que es una medida del grado de dificultad para
alcanzar los requerimientos de disentildeo
2 Calculo de la
humedad absoluta Yrsquo1y entalpia del aire entrando Hrsquo1
para la temperatura tbh
De la carta psicomeacutetrica que se encuentra en el Apeacutendice H
se puede construir la siguiente tabla mostrada en la tabla 33
esta tabla nos indica valores de entalpias y humedades para
mezclas de aire ndash agua a 147 lbplg2
Interpolando se obtiene valores para
Yrsquo1=0022 lb de vapor de agualb de aire seco
De las relaciones psicomeacutetricas para el sistema aire ndash agua
se obtiene que
Hrsquo1= (024+045Yrsquo1)(tG1 - 32) + 10758 Yrsquo1 Ec 34
213
Hrsquo1= 249 BTUlb de aire seco
Con los datos de las temperaturas entalpias encontradas se
puede construir el diagrama de operacioacuten para esta torre de
enfriamiento representada en la figura 320 con los valores
de entalpia de la mezcla aire ndash vapor de agua como
ordenadas y los valores de temperatura como abscisas aquiacute
se representa la curva de entalpia para el aire saturado dado
en la carta psicomeacutetrica H la cual es construida con los datos
de la tabla ubicada en el Apeacutendice H
Para obtener la liacutenea de operacioacuten sobre este diagrama se
ubica el punto N que representa las condiciones de entrada
de la torre esto es tL1=8240 0F y Hrsquo1= 249 BTUlb de aire
seco
La liacutenea de operacioacuten pasara por el punto N y terminara en
alguacuten punto sobre la ordenada trazada por el punto
tL2 = 91200F Para el miacutenimo valor de Gs la liacutenea de
operacioacuten tendraacute la mayor pendiente y tocara
tangencialmente a la curva de equilibrio por lo tanto pasara a
traveacutes del punto Orsquo en donde Hrsquo2= 52 BTU por lb de aire seco
214
Seguacuten lo anterior la pendiente de la liacutenea OrsquoN seraacute por lo
tanto
L CGs min = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1 Ec35
=
Gs min = 1071586 lb de aire seco h
Para que la torre no sea muy alta se considera 15 veces Gs
min
Gs real = 15 1071586 lb de aire seco h
Gs real = 1607380 lb de aire seco h
Una vez determinado el valor Gs real se puede hallar el valor
de la relacioacuten de flujos liacutequido ndash aire
L Gs real = 33000 lbh 1607380 lbh
L Gs real = 205
Como ya se tiene el valor de la pendiente de la liacutenea de
operacioacuten LG que se va a utilizar para el disentildeo faltariacutea
determinar el valor de la ordenada del punto de interseccioacuten
entre la liacutenea de operacioacuten y la vertical trazada por el punto
tL2=912 0F
215
Calculo de la entalpia del aire que sale Hrsquo2
De la ec22 tenemos que
L CGs real = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1
Despejando el valor Hrsquo2 se tiene
Hrsquo2 = (L CGs real (t L2 ndash t L1)) + Hrsquo1
Hrsquo2 = 4294 BTUlb de aire seco
Con los valores obtenidos se puede representar el punto O y
finalmente la liacutenea de operacioacuten seraacute la liacutenea ON
representada en la figura 320
216
FIGURA 320 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE
ENFRIAMIENTO DEL AGUA
3 Calculo de la altura de la
zona empaquetada Z
Utilizando el teacutermino KaVL que nos representa la ldquoCurva de Requerimientos de
Disentildeordquo dado en al ec 33 se procede a calcular la altura de la zona empaquetada
=
Para determinar el valor del integral de la ecuacioacuten propuesta
el cual puede ser calculado por tres formas
a Analiacuteticamente si se conoce la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo
b Integracioacuten grafica
c Integracioacuten numeacuterica
Como se tiene la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo dado en la figura 320 se
usara el meacutetodo de integracioacuten numeacuterica a intervalos de 2 0F
t H Hrsquo H ndash Hrsquo (H ndash Hrsquo)2 At(H ndashHrsquo)2
80 251 185 66
82 272 2217 503 58 034
84 323 2703 527 515 038
217
86 375 3109 641 584 034
88 415 3480 67 655 030
90 487 4120 75 710 028
92 542 4480 94 845 023
= 187
TABLA 33 VALORES DE ENTALPIA
= 187
El valor de kya se obtiene de la tabla 34 interpolando entre
los valores de L 500 ndash 1000 y G 250 por lo tanto tenemos un
Kya=347
Lrsquo=2GPM =`1000 lb de aguah ft2
Por lo tanto el valor de Z es
Z = 538 ft = 163 m
218
TABLA 34 CARACTERISTICAS DE HUMIDIFICACION [4]
4 Calculo de la
Cantidad de Agua de Compensacioacuten M
Realizando un balance de entalpias de acuerdo a la figura
318 se tiene
q + M Cw (tM ndash t0) = Gs (Hrsquo2 ndash Hrsquo1) Ec336
donde
q = 27182539 BTUh
Cw = 1 BTUlb 0F
tM = 85 0F
t0 = 32 0F
Hrsquo2 = 4294 BTU lb de aire seco
219
Hrsquo1 = 2490 BTUlb de aire seco
Reemplazando valores se tiene
27182539 + M (53) = Gs (1804)
De donde
M = Gs(1804) - 27182539 53 Ec 336-1
Haciendo un balance de liquido de acuerdo a la figura 318 se
tiene
M = Gs(Yrsquo2 ndash Yrsquo1) Ec337
Yrsquo2 no es conocido para determinarlo es necesario asumir
que el aire que sale de la torre estaacute saturado y su humedad
Yrsquo2 deberaacute ser la del aire saturado para Hrsquo2 = 4294 BTU lb
de aire seco
Entrando a la curva psicomeacutetrica dada en el Apeacutendice H se
tiene que
Yrsquo2 = 0024 lb de vapor de agualb de aire seco
M = Gs(0024 ndash 002) = 0004 Gs
Sustituyendo la ec 337 en la ec 336 ndash 1 se tiene que
0004 Gs 53 = Gs(1804) - 27182539
1804 Gs ndash 0004 Gs = 27182539
Gs = 1507126 lb de aireh
Reemplazando en la ec 337 el valor Gs
220
M = 6028 lb de aguah = 274 lth
CAPITULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS
CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
41 Partes Componentes de las Torres de Enfriamiento
Ya se ha definido que el mejor disentildeo para el sistema de enfriamiento
requerido de acuerdo a los paraacutemetros de evaluacioacuten es una Torre de
Enfriamiento de Tiro Inducido Flujo en Contracorriente
Este tipo de elementos ademaacutes del cuerpo vertical consta de los
siguientes elementos
Empaquetaduras sistemas de distribucioacuten deposito de coleccioacuten
eliminadores de arrastre ventilador motor y estructura
221
Empaquetaduras
Su funcioacuten es generar una mayor aacuterea de contacto entre el aire y el
agua como sea posible con una miacutenima presioacuten de aire
Existe variedad de empaquetaduras que van desde soacutelidos muy
faacuteciles de adquirir como piedras botellas rotas trozos de porcelana
hasta formas geomeacutetricas complejas y de alto costo econoacutemico
Sistemas de Distribucioacuten
Tiene como funcioacuten principal distribuir el agua caliente en la parte alta
de la torre se recomienda atomizarla para facilitar el contacto con el
aire
La importancia de adecuado sistema de distribucioacuten sobre las
empaquetaduras de una torre es indispensable para una buena
eficiencia en el enfriamiento
Depoacutesito de Coleccioacuten
Se trata de un recipiente donde es colectada el agua friacutea que sale de
la torre
Su construccioacuten deberaacute ser tal que elimine el peligro de que la bomba
absorba aire cuando opera con un miacutenimo de agua y accesible para
remover la suciedad acumulada en el fondo
222
Estructura
Es el soporte de la torre de enfriamiento
Su forma y solidez dependen de las caracteriacutesticas de disentildeo de la
torre que tiene que ser con normas especificas que dependen de su
capacidad de enfriamiento
Ventilador
Tiene como objetivo mantener el flujo constante de aire atreves de la
torre Para la torre seleccionada este aditamento se encontrara en la
parte superior
Motor
Es el que impulsara el ventilador La transmisioacuten se efectuara en
forma directa
Los elementos anteriores forman parte de la construccioacuten interna de la
torre de enfriamiento
Sin embargo existen otros componentes externos a la torre que juntos
constituyen el sistema de enfriamiento deseado Estos son
Bomba de Agua
223
Es el equipo que adicionara energiacutea al agua para hacerla re circular a
traveacutes de todo el sistema
Su capacidad dependeraacute del sistema de operacioacuten en el que va a
utilizar
Tuberiacuteas y Vaacutelvulas
Son los conductos ndash reguladores por los cuales fluiraacute el agua
El material de la tuberiacutea y los tipos especiacuteficos de vaacutelvulas estaraacuten
sujetos al aspecto teacutecnico econoacutemico y esteacutetico del sistema en
cuestioacuten
224
FIGURA 41 DISENO DE FORMA DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTO
42 Determinacioacuten de la Seccioacuten Transversal de la Torre de
Enfriamiento
Datos
Densidad del agua ρL 6222 lbft3 = 1010 Kgm3
Densidad del aire ρa 0077 lbft3 = 125 Kgm3
Relacioacuten de flujos LG 205
Flujo de aire Greal 446 lbs = 2027 Kgs
Tensioacuten superficial del agua σ 2 dinacm
Factor liquido - vapor FLV
Caacutelculos
Una aproximacioacuten para estimar las velocidades maacuteximas permisibles
ha sido presentada por Fair la cual se basa en datos obtenidos con
platos perforados y otros tipos de contactores de etapas finitas y toma
en cuenta el efecto de la tensioacuten superficial del liquido en la columna
la razoacuten de flujo de liquido a flujo de gas las densidades del aire y el
liquido y dimensiones y arreglo del contactor En este meacutetodo la
225
ecuacioacuten baacutesica para velocidad del vapor maacutexima permisible
equivalente a la Ec (41) es
Ec 41
donde
Vrsquom = velocidad de vapor maacutexima permisible basada en aacuterea neta
para el flujo de vapor la cual usualmente es el aacuterea de seccioacuten
transversal activa en fts
Krsquov = constante empiacuterica fts
σ = tensioacuten superficial del liquido en la torre dinascm
Krsquov
226
FIGURA 41 VALORES DE Kv EN FUNCION DEL
ESPACIADO
] Ec42
Sustituyendo valores en la ec 42 se tiene que
FLV = 0090
Se asume un espaciado entre platos de 740 plg = 188 mm
A partir de la fig 41 Kv = 017 fts
De la ec 41
Vrsquom = 3047 fts
Velocidad maacutesica del vapor Gm
Gm = Vrsquom ρa = (3047)(0077) = 023 lbs pie2 Ec43
227
Aacuterea de seccioacuten transversal de la torre A
A = Greal Gm Ec 44
Sustituyendo valores en la ec 44 se tiene que el aacuterea de la seccioacuten
transversal de la torre de enfriamiento es
A = 192 ft2
A = 8ft 24ft = 2430 mm 731 mm
43 Seleccioacuten de la Columna de Contacto de la Torre de Enfriamiento
En esta seccioacuten se tratara de decidir el tipo de columna a utilizar ya
sea de bandejas perforadas o de relleno en funcioacuten de las
caracteriacutesticas de la operacioacuten deseada y de los componentes en
contacto en este caso liquido - aire tomando para la decisioacuten algunos
aspectos
La seleccioacuten entre una columna de bandejas perforadas o una de
relleno depende de conceptos econoacutemicos Sin embargo en un estudio
228
preliminar podemos basar su seleccioacuten en las siguientes ventajas e
inconvenientes de cada una de ellas
1- La eficiencia de una torre de relleno se basa en datos
experimentales para cada tipo de relleno La eficiencia variacutea no solo
por el tipo y tamantildeo del relleno sino tambieacuten por las propiedades del
fluido caudales diaacutemetro de columna etc
2- Si el flujo de liacutequido es pequentildeo comparado con el del aire es
preferible utilizar columnas de platos pues necesitan menores
factores de seguridad en el disentildeo por causa de la dispersioacuten del
liacutequido
3- Las columnas de bandejas perforadas pueden manejar un rango
maacutes amplio de caudales sin inundacioacuten
4- Si los liacutequidos tienen soacutelidos en suspensioacuten se prefieren torres de
bandejas perforadas por la facilidad de limpieza
5- Si se necesita enfriamiento intermedio de la columna es preferible
que sean de bandejas perforadas por la facilidad de la instalacioacuten
del sistema de enfriamiento
6- El peso total de una columna de bandejas perforadas es menor que
en una de relleno si estaacuten vaciacuteas en cambio llenas tienen un peso
similar
229
7- La informacioacuten de disentildeo de una columna de bandejas perforadas
es maacutes accesible que en una de relleno
8- Si hay grandes cambios de temperatura son preferibles las
columnas de bandejas perforadas pues el incremento de
temperatura puede romper el relleno
10-Las columnas de rellenos son maacutes faacuteciles de construir y mas
baratas si se trabaja con fluidos corrosivos
11-Si se tiene liacutequidos con gran tendencia a formar espuma se deben
utilizar torres empaquetadas
12-El almacenamiento de liacutequido en la columna es muy inferior para
las torres de relleno
13-Las torres de relleno tienen menos peacuterdida de carga que las
bandejas perforadas y el relleno previene contra el colapso por lo
que se utilizan en operaciones a vaciacuteo
Por lo expuesto anteriormente se utilizara en el disentildeo de la
empaquetadura de la torre de enfriamiento el sistema de bandejas
perforadas
230
FIGURA 42 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE UNA BANDEJA
PERFORADA
431 Altura de la las Paredes de la Bandeja
La altura de la bandeja determina el volumen de liacutequido sobre la
bandeja y es un importante factor para determinar la eficiencia de
la bandeja con orificios Una mayor altura incrementaraacute la
eficiencia de la bandeja pero a expensas de un alta caiacuteda de
presioacuten en la bandeja Para columnas operando alrededor de la
presioacuten atmosfeacuterica la altura de las paredes de la bandeja variacutea
entre 40 a 90 mm (15 a 35 pulg) [7]
Para el disentildeo de estos elementos se tomara una altura de 90
mm para obtener una buena eficiencia de la bandeja ya que el
231
volumen de agua colocada en la bandeja por mayor tiempo
tendraacute mayor tiempo de contacto con el aire
Aacuterea Perforada
El aacuterea disponible para perforacioacuten se deduciraacute por la obstruccioacuten
causada por las partes estructurales (tales como soportes anillos
y vigas) y por el uso de zonas libres Las zonas libres son
espacios no perforados de la bandeja en los lados de salida y
entrada El ancho de cada zona es usualmente la misma valores
recomendados son
Ancho de la columna Ancho de la zona sin perforar
lt 15 m 75 mm
gt15 m 100 mm
TABLA 41 DIMENSIONES DE ZONA SIN PERFORAR [17]
De acuerdo a la tabla 41 se tomara una franja sin perforar de 75m
Dimensiones de las perforaciones
Los platos perforados tienen perforaciones de 25 mm a 12 mm
(18 a 12 pulg) de diaacutemetro siendo el tamantildeo comuacuten de 5 mm
(316 pulg) las perforaciones se hacen siguiendo un arreglo
232
triangular o cuadrado con una distancia entre centros entre 2 a 5
veces el diaacutemetro de las perforaciones (el oacuteptimo es 38) [17]
Se toma el valor recomendado del agujero de 316rdquo por lo tanto el
espaciamiento entre centros de los agujeros seria
D= 90 mm
Se escogeraacute un arreglo triangular para los orificios
De acuerdo al aacuterea de la seccioacuten transversal de la torre 2430
mm731 mm y la disposicioacuten del disentildeo de forma se tiene unas
dimensiones en las bandejas de
Bandeja = 2000 mm 731 mm
Al dejar una franja por los cuatro lados sin perforar de 75 mm
FIGURA 43 DISPOSICION DE AGUJEROS EN LAS
BANDEJAS
Por lo planteado en el capiacutetulo 3 se obtuvo que la altura de la zona
empaquetada es de
Z = 538 ft = 2044 mm
233
Para hallar el aacuterea de la seccioacuten transversal en el inciso 42 de
este capiacutetulo se asumioacute un espaciamiento entre bandejas de
e = 740 plg = 188 mm
Por lo tanto se necesitariacutea 5 bandejas perforadas en la disposicioacuten
dada en el disentildeo de forma de la fig 41
Para calcular el nuacutemero de agujeros en la bandeja se recurre a la
ecuacioacuten siguiente
Nh = 4Ahπd2h
Nh = 112 orificios en la bandeja
Espesor de las Bandejas
Se considera un espesor del material para la bandeja de 14 mm
Se considerara la presioacuten que ejerceriacutea el agua asumiendo la
bandeja llena al 100 la carga que ejerce el agua en el volumen
de la bandeja es de 42453 N
Se utilizara el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad
234
Anaacutelisis de Resistencia mediante el Meacutetodo de Elementos
Finitos
ANSYS en INVENTOR 10 analiza concentradores de esfuerzos
mecaacutenicas de fracturas bajo cargas estaacuteticas y dinaacutemicas asiacute
como frecuencias naturales y estabilidad El programa ofrece
distintos materiales a seleccionar para el anaacutelisis con
asunciones sobre su comportamiento Lineal (la tensioacuten es
directamente proporcional a la presioacuten) Constante (la
temperatura de todas las propiedades es independiente)
Homogeacutenea (las propiedades no cambian en todo el volumen de
la pieza) Isotroacutepica (las propiedades de los materiales son
ideacutenticas en todas las direcciones) El factor de seguridad se
calcula utilizando el equivalente maacuteximo de la teoriacutea de falla de
tensioacuten para materiales duacutectiles A continuacioacuten se muestran los
informes de los anaacutelisis practicados a las bandejas perforadas
las figuras indican en su parte superior izquierda la escala
colorida con sus respectivos valores de Tensioacuten Equivalente y
Factores de seguridad mayores a 13 Aceptables [19]
235
TABLA 42 INFORME DE RESULTADOS DEL
ANALISIS DE LA BANDEJA PERFORADA
INFORME DE ANALISIS DE BANDEJA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935 Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 934e-4 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 8688 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
236
FIGURA 44 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 45 DEFORMACION
FIGURA 46 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 2 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
237
Disentildeo del Depoacutesito de Coleccioacuten de la Torre de Enfriamiento
Para determinar las dimensiones del depoacutesito de coleccioacuten de agua
para la torre de enfriamiento se debe conocer el tiempo que demora
el agua en circular a traveacutes del sistema
Se asume que el ciclo demora un minuto y se parte del dato que el
depoacutesito deberiacutea tener una capacidad mayor a la cantidad de agua
que debe fluir por el sistema en un minuto y asi evitar que esta se
quede sin liquido ademaacutes el mismo colector debe soportar el peso de
la torre con sus accesorios
Entonces el problema consiste en seleccionar dimensiones para la
piscina que provean mayor economiacutea y aseguren un buen
funcionamiento Por lo general se establece el aacuterea transversal del
depoacutesito un poco mas grande que el aacuterea transversal de la torre de
enfriamiento que permita el montaje de la tuberiacutea de succioacuten o alguacuten
otro accesorio necesario
Para el disentildeo de la piscina se basara en el coacutedigo ASME para
recipientes a presioacuten seccioacuten Div 1 para tanques rectangulares que
trabajan bajo presioacuten atmosfeacuterica [15]
Notacioacuten
238
α Factor que depende del largo y ancho del tanque HL fig47
E Modulo de elasticidad 30000000 psi para aceros al carbono
G Gravedad especifica del liacutequido Agua=1
I Momento de Inercia plg4
l Maacutexima distancia entre soportes plg
L Largo del tanque plg
R Reaccioacuten con subiacutendices indicando el lugar de aplicacioacuten lbplg
S Esfuerzo del material
t Espesor requerido de la plancha plg
w Carga por unidad de longitud lbplg
FIGURA 47 VALORES DE α
Seleccioacuten del espesor de plancha
239
Ec 45
El espesor se incrementara con el factor de corrosioacuten para este
caso se le aumentara 00645 plg o 163 mm
FIGURA 48 DIMENSIONES DEL DEPOSITO DE COLECCIOacuteN DE
AGUA
L=8 ft
H=2 ft
B=4 ft
Relacioacuten HL = 025
De la figura 47 se obtiene el valor α = 00010
S=23200 lbplg2 para el acero estructural A ndash 36
G=1 para el agua
Sustituyendo valores en la ec 45 se tiene un espesor de
plancha
240
t=000109 plg
A este valor se le suma el factor de corrosioacuten 00626 plg
Por lo tanto
t=0063 plg o t=161mm se utilizara plancha de 2mm de
espesor
Carga en las paredes del depoacutesito
FIGURA 49 CARGAS HIDROSTATICAS
Ec 46
Sustituyendo valores se tiene que
w=162 lbplg
R1=03w Ec 47
R1=03162=486
R2=07w Ec 48
241
R2=07162=1134
442 Momento de Inercia miacutenimo requerido
Ec 49
Sustituyendo valores
Imin=0003 plg4 = 12486 mm4
443 Distancia entre soportes de la piscina
FIGURA 410 DISTANCIA ENTRE SOPORTES
Ec 410
Si el numero de soportes es 4 entonces = 26 plg = 6604mm
Sustituyendo en la ecuacioacuten 410
t=0141 plg
Despejando el valor de la ecuacioacuten 410 se tiene
242
Sustituyendo valores
Por lo tanto
11968 plg 2583 plg = Numero de soportes = N
N=463 es decir se fiacutesicamente se necesitan 5 soportes con un
espaciamiento de 2583 plg
E=656 mm
El disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de agua se encuentra en el
Plano N 3
Se utilizaraacute el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad del colector sometido a
toda la carga de la torre con su peso propio y la carga de agua
contenida en las bandejas
243
TABLA 43 INFORME DE RESULTADOS DEL
COLECTOR DE AGUA
INFORME DE ANALISIS DEL COLECTOR DE AGUA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1976Kg
Volumen de la pieza 2517+007 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 47950
Elementos 26630
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Fuerza 1481 N
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 5455e-005 MPa 2437 MPa
Deformacioacuten 0 mm 0102 mm
Factor de seguridad 15 NA
244
FIGURA 412 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 413 DEFORMACION
FIGURA 414 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 3 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
245
44 Seleccioacuten del Ventilador
Para la seleccionar el ventilador para la torre de enfriamiento es
necesario conocer los siguientes datos
1 Flujo de aire que circulara por la torre en ft3min
2 La presioacuten estaacutetica o presioacuten de resistencia contra la que debe
operar el ventilador expresada en plg de agua
Flujo de aire que circula por la torre Gs = 16056 lbh
Gs=2676 lbmin
Para determinar los pies cuacutebicos por minuto (pcm) de aire que salen
a traveacutes del extractor se divide las libras de aire seco por minuto
para la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
pcm = Gs (lbmin) densidad de la temperatura de operacioacuten Ec411
Para determinar la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
es necesario calcular la temperatura a la que sale el aire de la torre
Para esto conociendo el valor de la humedad absoluta Yrsquo2 lb de
vapor de agua por lb de aire seco con que sale el aire y asumiendo
que el aire se encuentra cercanamente saturado 95 se puede
246
entrar en la carta psicomeacutetrica Apeacutendice H y determinar dicha
temperatura
Yrsquo2= 0024
Con una temperatura de salida de la torre
T=84 0F
Con este valor dado en la figura se encuentra que la relacioacuten de
densidad del aire (RDA) a 84 0F y a nivel del mar es
RDA= densidad del aire en condiciones estaacutendar densidad del aire en condiciones de operacioacuten
Ec 412
RDA=105
De la ec411
105=0077lbft3 densidad del aire que opera a 84 0F
ρ84 F= 0075 lbft3
De la ec 412 se tiene
pcm=354483 ft3min = 116707 m3h
Con respecto a la caiacuteda de presioacuten estaacutetica contra la que debe
operar el ventilador se vio que en torres de este tipo era
ordinariamente menor que una pulgada de agua por lo tanto
tomando en consideracioacuten la resistencia ofrecida al paso del aire por
247
la zona empaquetada y los separadores de gotas se considera
suficiente utilizar el valor de 05 pulH20 o 127 mmH2O valores que
estaacuten dentro del rango de caiacuteda de presiones para este tipo de
ventiladores
Se ha escogido la curva del fabricante de la marca Ventiladores
Casals y sus caracteriacutesticas se indican en el Apeacutendice K
FIGURA 415 DIAGRAMA PARA SELELCCIONAR MODELO DE
VENTILADOR
Ingresando en el diagrama de la fig 415 con los datos planteados se
selecciona el ventilador modelo 56 T4 1 con las siguientes
caracteriacutesticas
Diaacutemetro = 650 mm
m3h = 12700
Peso = 36 Kg
248
RPM max = 1525
Potencia = 075 Kw
Ruido = 73 db
FIGURA 416 VENTILADOR SELECCIONADO
Con el peso del ventilador se disentildearaacute la campana de extraccioacuten de vapor de
agua se asumiraacute un espesor de 14 mm Se utilizara el programa
computacional INVENTOR 10 para analizar su deformacioacuten y el factor de
seguridad de la campana
249
TABLA 44 INFORME DE RESULTADOS DE LA
CAMPANA DE EXTRACCION
INFORME DE ANALISIS DE LA CAMPANA DE
EXTRACCION
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 9348+-5 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
250
FIGURA 417 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 418 DEFORMACION
FIGURA 419 FACTOR DE SEGURIDAD
251
45 Seleccioacuten de Diaacutemetro de la Tuberiacutea
Los criterios a utilizar para el caacutelculo del diaacutemetro de la tuberiacutea
son
1 Si la energiacutea
necesaria para el movimiento del fluido es gratis utilizar el
diaacutemetro miacutenimo que permita el caudal deseado
2 Si el fluido ha de ser
bombeado hay que calcular el tamantildeo que permita tener los
menores costes anuales (caacutelculo del diaacutemetro econoacutemico)
Velocidades tiacutepicas y caiacutedas de presioacuten permisibles que pueden
utilizarse para estimar el diaacutemetro de la tuberiacutea son
Velocidad (ms) ∆P(kPam)
Liacutequidos bombeados (no viscosos) 1 ndash 3 05
Liacutequidos flujo por gravedad - 0005
Gases y vapores 15 ndash 30 002 presioacuten de liacutenea
Flujos a alta presioacuten 30 - 60
TABLA 45 VELOCIDADES Y CAIDAS DE PRESION
PERMISIBLES [4]
Si se considera la densidad del fluido la velocidad oacuteptima es
252
Densidad del fluido
(Kgm3)
Velocidad del fluido
(ms)
1600 24
800 30
160 49
16 94
016 180
0016 340
TABLA 46 DENSIDAD DEL FLUIDO EN FUNCION DE LA
VELOCIDAD [4]
En la seleccioacuten de las tuberiacuteas se tiene que considerar el caudal
maacuteximo no el nominal (aumentar 20 a 50)
De acuerdo a la tablas 45 y 46 se tiene que
Flujo de agua = 15 m3h
Por lo tanto se escoge una velocidad
V = 2475 ms este valor es interpolado de la tabla 43 para
liacutequidos bombeados
Conocido el caudal y la velocidad se puede encontrar el
diaacutemetro
Q = A V Ec413
253
A = π4 D = QV
Donde D diaacutemetro de la tuberiacutea despejando D se tiene
D = 00508 m o tuberiacutea de 2rdquo
46 Seleccioacuten de la Bomba para la Torre de Enfriamiento
Se tiene los siguientes datos para la torre
Q = 15 m3h
Altura de la torre se la torre 12m
Considerando las tablas del Apeacutendice J del manual del
fabricante Golds Pumps se selecciona la siguiente bomba
Modelo 3196
STX 1x 1 frac12 - 6
Capacidad 70 GPM 3 frac12 ldquo 1 frac12 HP
Frecuencia 60 Hz
254
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
51 Diagrama de Gantt para la Ejecucioacuten del Proyecto
Diagrama de Gantt- Para la planificacioacuten de la construccioacuten montaje se contara con la
ayuda del software Microsoft Project
Que se lo muestra a continuacioacuten
255
FIGURA 51 DIAGRAMA DE GANTT
El diagrama de la figura anterior da los pasos que se siguieron describiendo todo el
proceso que se llevo a cabo en el proyecto utilizando oacuteptimamente el recurso humano
existente y el tiempo requerido para realizarlo
Levantamiento de planos del disentildeo de forma del sistema de enfriamiento- Este
procedimiento se hizo para obtener una referencia del espacio disponible y con ello ver
las posibles soluciones a implementar Este proceso no consta en el diagrama de Gantt
ya que lo hizo previo a la licitacioacuten ya que seria acreedora del contrato la empresa
participante que presente su mejor propuesta y cotizacioacuten sin embargo se tomo 5 diacuteas
para realizar este proceso
511 Preparacioacuten de Documentos Planos de Taller y Movilizacioacuten
Elaboracioacuten de planos de taller- Se procederaacute al disentildeo del sistema mas optimo en
este caso torre de enfriamiento certificacioacuten de intercambiador de calor disentildeo de
estructura moacutevil y de su estructura de soporte a ser ejecutado para la alternativa
seleccionada Asimismo se procederaacute al disentildeo eleacutectrico bajo la responsabilidad
ERMARLO SA Los planos seraacuten sometidos a la aprobacioacuten del departamento
encargado por parte de la Armada del Ecuador para iniciar los trabajos de
construccioacuten de acuerdo al cronograma presentado
256
Ninguacuten data sheet mostrado en la oferta podraacute ser utilizado como base para la
construccioacuten del sistema en mencioacuten por parte de la Armada del Ecuador o terceros si
la obra no se adjudica a ERMARLO SA con amparo a la ley de derechos de autor
Movilizacioacuten- Durante el periacuteodo de elaboracioacuten de planos se procederaacute con la
movilizacioacuten de equipos herramientas material a las instalaciones de la Armada
Nacional del Ecuador ubicada en la Base Sur Se utilizaraacuten bantildeos portaacutetiles con
mantenimiento perioacutedico Ademaacutes la logiacutestica del proyecto seraacute reforzada con el
apoyo de las oficinas e instalaciones de ERMARLO SA Ubicadas en la viacutea a Daule
Parque industrial Inmaconsa
512 Fabricacioacuten en el Taller
El disentildeo suministro de los materiales prefabricacioacuten y pre pintura interior y exterior
de las estructuras seraacuten ejecutados por ERMARLO SA En el taller se construiraacute
Rieles de movilizacioacuten para los soportes que llevaran la tuberiacutea de agua destilada
friacutea y caliente con sus respectivos acoples
Construccioacuten de la Torre de Enfriamiento y sus accesorios
Se ha contemplado la supervisioacuten de un teacutecnico de la Armada Nacional en los talleres
de ERMARLO SA asi mismo la supervisioacuten en campo de un teacutecnico durante la etapa
de montaje Para el efecto se ha considerado cubrir con todos los gastos relacionados
con esta visita salvo los honorarios de este teacutecnico los cuales correraacuten por cuenta de
la institucioacuten contratante
1 Materiales- De conformidad con los planos de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas para la construccioacuten de las rieles de deslizamiento y torre de
257
enfriamiento se selecciona el material a utilizar verificando calidad espesores y
dimensiones generales de laacuteminas y tuberiacuteas
Principalmente para laacuteminas de acero se verifican las marcas estampadas en
cada plancha contra los certificados emitidos por el fabricante de estar todo
conforme se libera el material para fabricacioacuten
2- Fabricacioacuten
21-Corte- Se posiciona la laacutemina seleccionada en la mesa de corte
procediendo al trazo y verificacioacuten conforme a medidas de plano de fabricacioacuten
Se transfieren las marcas originales de la laacutemina a cada parte y pieza a ser
cortada para mantener su identificacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten y en la
torre de enfriamiento terminada Se regulan los flujos de gases y velocidad de
avance de la maacutequina de conformidad con el procedimiento especiacutefico de cada
maacutequina y se procede a cortar el material En esta etapa se define dentro del
proceso de corte el tipo de bisel que se deja en el filo de las planchas para el
posterior proceso de soldadura todos los biseles tienen que estar detallados en
los planos de fabricacioacuten Una vez cortadas las piezas se realiza una limpieza
mecaacutenica de los bordes de la laacutemina especialmente los biseles de soldadura se
inspecciona y libera el material para el siguiente proceso
22-Conformado- Dependiendo de la parte de la torre que esteacute en proceso las
bandejas perforadas se las fabricara con este procedimiento Adicionalmente
todas las partes conformadas seraacuten pre-ensambladas en taller para verificar su
correcto dimensionamiento y agilizar el proceso de ensamble final en campo
23-Soldadura- Se realizaraacute soldadura en faacutebrica par elementos como patas
soportes de la cuba colectora de agua tuberiacuteas de carga y descarga conexiones
para instrumentacioacuten de acuerdo con el requerimiento del cliente Todas las
258
soldaduras de faacutebrica deben estar definidas en los planos de fabricacioacuten
indicando el proceso de soldadura y paraacutemetros generales que seraacuten ejecutados
Todas las soldaduras se realizaraacuten con procedimientos y soldadores calificados
de conformidad con coacutedigo ASME uacuteltima edicioacuten Los principales procesos a ser
utilizados son SAW GMAW SMAW
Toda soldadura deberaacute ser inspeccionada y verificada cumpliendo los
requerimientos del coacutedigo ASME y condiciones particulares del Cliente si
existieran
24-Tratamiento de Superficies- Tanto las laacuteminas de cuerpo como tuberiacuteas
soportes plataformas seraacuten preparadas y recubiertas de acuerdo con las
especificaciones del cliente En taller se realizaraacute aplicaraacute la primera capa de
revestimiento y en campo se completara el sistema luego del montaje
y pruebas del tanque El procedimiento a seguir es el siguiente
Se prepararaacute la superficie utilizando chorro de granalla metaacutelica hasta obtener un
acabado SSPC - SP 10 metal casi blanco con un perfil de anclaje de 2 a 3 mils
que garantice la adherencia y resistencia mecaacutenica del sistema de pintura a
aplicar Se dispone con los equipos y condiciones adecuadas para garantizar una
buena limpieza
La pintura seraacute aplicada conforme las recomendaciones y especificaciones de la
hoja teacutecnica del fabricante de pintura Durante el proceso de aplicacioacuten se
controla y registran los paraacutemetros externos y condiciones de aplicacioacuten como
temperatura ambiente temperatura de la pieza humedad relativa punto de
rociacuteo espesor huacutemedo y espesor seco
25 Factibilidad de construccioacuten- Se quiere resaltar las ventajas de la
fabricacioacuten de la torre de enfriamiento en Ecuador ya que ademaacutes del arancel
que tendraacute que pagarse sobre el tanque importado cuando se trata de proyectos
de intereacutes puacuteblico de acuerdo a la Ley la Armada del Ecuador puede requerir la
259
aprobacioacuten de la importacioacuten de bienes de capital El Ministerio encargado
certificaraacute si hay manufactura local o no para los bienes a ser importados El
producto local debe ser similar al importado debe tener la misma funcioacuten precio
competitivo igual calidad y tiempo de entrega Si los productos locales cumplen
con los estaacutendares de los productos importados deben entonces ser comprados
localmente caso contrario el Ministerio no autorizaraacute su importacioacuten
513 Montaje del Sistema de Enfriamiento
El Supervisor de montaje seraacute responsable de la eficiente
coordinacioacuten del Proyecto la Armada del Ecuador seraacute informado
continuamente de todas las acciones a tomar
ERMARLO SA dispondraacute de todos los equipos y herramientas
necesarios para enfrentar adecuadamente los trabajos
incluyendo gruacuteas compresores generadores soldadoras equipo
para prueba hidrostaacutetica etc
El montaje del sistema de enfriamiento obedece a una secuencia establecida en los
procedimientos y normas aplicables para este tipo de trabajos
En resumen las actividades principales que es necesario cumplir son las siguientes
Revisioacuten de la fundacioacuten de las estructuras deslizantes y la torre de enfriamiento
Antes del montaje del sistema de guiacuteas para la estructura
deslizante y para la torre de enfriamiento se verificaraacuten
260
cuidadosamente la topografiacutea e integridad estructural de las
fundaciones Tambieacuten se comprobaraacute que el terreno esteacute
adecuado para los diferentes movimientos de los equipos de
montaje
FIGURA 53 ALINEACION DE PISO DONDE SE ASENTARA LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Montaje de la estructura de soporte del sistema deslizante
Una vez revisada y aprobada las estructuras donde se va a montar el sistema
deslizante la cual llevara las tuberiacuteas de agua destilada a las bateriacuteas por parte de
ERMARLO SA se procederaacute a la instalacioacuten de cada una de las vigas transversales
donde se delizara el sistema de tuberiacuteas
261
FIGURA 52 SISTEMA DE DESLIZAMIENTO
Soldadura en obra
Las vigas del sistema de deslizamiento la torre y sus estructuras seraacuten soldados por
cualquiera de los procesos SMAW y SAW utilizando los equipos adecuados La
soldadura puede ser manual semi-automaacutetica o automaacutetica de conformidad a lo que
establezca del procedimiento de soldadura correspondiente
Se tendraacute una revisioacuten estricta de las condiciones de los biseles eliminacioacuten de escoria
antes de efectuar el siguiente cordoacuten inspecciones visuales de la soldadura
inspecciones radiograacuteficas de acuerdo al Coacutedigo se es necesario
Las laacuteminas del cuerpo en juntas de tope seraacuten alineadas en su posicioacuten antes de
soldar las mismas
514 Preparacioacuten de Superficie y Pintura en Sitio
262
Con el fin de asegurar la culminacioacuten del proyecto dentro del tiempo especificado asiacute
como para minimizar los dantildeos ambientales y proteger los materiales prefabricados
durante su transporte se ha considerado realizar la preparacioacuten y pre pintura de
superficies exterior e interior de las estructuras en taller
Las capas finales de pintura seraacuten aplicadas en el campo de acuerdo a las
especificaciones establecidas propuestas por ERMARLO SA Las aacutereas de pintura que
deban reparase o terminarse en se las repararaacute en obra
515 Prueba Hidrostaacutetica del Sistema de Tuberiacuteas e Intercambiador de Calor
Una vez instalado y pintado la torre de enfriamiento con el intercambiador de calor
sumergido en la piscina recolectora de la torre se procederaacute a realizar la prueba
hidrostaacutetica y la posterior desinfeccioacuten del mismo de acuerdo a lo especificaciones en
las bases de licitacioacuten entregada por la Armada del Ecuador
516 Bombas de agua
Existen dos bombas a ser montadas veacutease la figura 53 La bomba 1 para el sistema
de agua destilada de circulacioacuten por las bateriacuteas y al intercambiador de calor la bomba
2 figura 54 para la recirculacioacuten del agua en la torre de enfriamiento Las
caracteriacutesticas de todas ellas han sido ya establecidas en capiacutetulos anteriores
263
FIGURA 53 BOMBA PARA AGUA DESTILADA QUE ENTRA EN LAS BATERIA
FIGURA 54 BOMBA DE AGUA PARA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Para el montaje se deben respetar las especificaciones dadas ya sea por las normas
respectivas o seguir recomendaciones teacutecnicas En este caso se haraacute lo posible por
cumplir las recomendaciones dadas[12] Para el caso de la tuberiacutea de succioacuten se da la
figura 55
264
FIGURA 55 TUBERIA DE SUCCION [12]
Otra recomendacioacuten dada radica en que se debe evitar para el transporte el uso de
tuberiacuteas de igual diaacutemetro al de ingreso o salida del agua de la bomba deben ser
las inmediatas superiores Esto se cumple con los caacutelculos solo cuando la bomba
estaacute bien dimensionada pero no en el caso de la bomba 2 debido a que esta se
encuentra sobredimensionada Por ello el diaacutemetro de la tuberiacutea de salida es igual
diaacutemetro de la tuberiacutea de transporte de agua en el ingreso caso igual se usa una
tuberiacutea de 2rdquo
516 Instalacioacuten Eleacutectrica
Se ha contemplado el disentildeo instalacioacuten suministro y pruebas de
un sistema eleacutectrico el mismo que tendraacute los controles y mandos
para activar ventilador de la torre activacioacuten de las bombas de
agua control de ventiladores del cuarto de activacioacuten
265
FIGURA 56TABLERO DE CONTROL ELECTRICO
Toda tuberiacutea eleacutectrica se aseguraraacute con abrazaderas o soportes
de acero a la estructura de la torre o a las paredes por donde
crucen los cables
517 Graficas Representativas del Montaje de la Torre de
Enfriamiento
266
FIGURA 57 INTERCAMBIADOR SUMERGIDO EN COLECTOR
DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
FIGURA 58 BANDEJAS PERFORADAS INSTALADAS EN LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
267
FIGURA 59 TORRE DE ENFRIAMIENTO INSTALADA
52 Lista de materiales y equipos requeridos para el montaje
En las siguientes tablas se listan los materiales y equipos requeridos para el montaje
realizado adicionalmente se indica si se empleoacute algo usado o nuevo asiacute como su cantidad
268
EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
Equipoherramienta Tamantildeoespecificacioacuten Condicioacuten
01 Arco para sierra Estaacutendar de 12rdquo En bodega
02 Broca para acero HSS Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
03 Broca para cemento Percusioacuten Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
04 Broca para cemento Percusioacuten Oslash frac12 rdquo x 6rdquo En bodega
06 Cepillo de acero 6 hileras En bodega
07 Destornillador plano 5 mm x 150 mm En bodega
08 Emulsioacuten lubricante Proporcioacuten 120 En bodega
09 Flexoacutemetro 8 m x 25 mm En bodega
10 Guantes de cuero Par manga corta (10rdquo) En bodega
11 Hoja de sierra 12rdquo x frac12rdquo x 132rdquo Comprada
12 Hoja de sierra 24rdquo x 1frac14rdquo x 116rdquo Comprada
13 Llave mixta ⅜rdquo En bodega
14 Llave mixta 916rdquo En bodega
15 Llave mixta 58rdquo En bodega
16 Llave para tubo Largo 12rdquo abre hasta 2rdquo En bodega
17 Llave para tubo Largo 24rdquo abre hasta 3frac12rdquo En bodega
18 Llave para tubo Largo 36rdquo abre hasta 5rdquo En bodega
19 Nivel Aluminio largo 24rdquo En bodega
20 Pie de amigo De 24rdquo de aacutengulo de frac34rdquo Construido
21 Piola de algodoacuten Rollo de 50 gramos Comprado
22 Prensa para tubo De tornillo para Oslash 4rdquo En bodega
23 Sierra alternativa Para aserrar acero En taller
269
24 Taladro de mano Capacidad frac12rdquo asymp 13 mm En bodega
25 Taco Fisher F10 Comprado
26 Tarraja para tubo Manual para Oslash frac12rdquo a 2rdquo En bodega
27 Tefloacuten Rollo 19mmx15mx02mm Comprado
29 EPP Comprado
30 Material de aporte E6011 E6013 etc Comprado
31 Equipo de oxicorte Acetileno oxigeno manom En bodega
32 extintores Polvo quiacutemico seco En taller
33 tecle 2 Ton En bodega
34 Maq De soldar En bodega
TABLA 51 LISTA DE EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
53 RESUMEN DE COSTOS
ITEM MATERIALES Cantidad unid mater peso V Unitario V Venta
Soportariacutea fija y estructura moacutevil
Correa G 125 x 50 x 15 x 3 6 unid 3324 3291 19745
plancha 4 1 unid 9334 9241 9241
aacutengulo laminado 40 x 3 9 unid 1100 1089 9801
aacutengulo laminado 50 x 4 3 unid 2355 2331 6994
Correa G 80 x 50 x 15 x 3 9 unid 2406 2382 21437
malla electro ARMEX R- 131 (515) 52 mc 100 200 10400
perno expansioacuten 58 x 3 24 unid 012 060 1440
270
Pintura 4 galoacuten 100 1500 6000
ruedas para correas 12 unid 100 2500 30000
aacutengulo laminado 25 x 3 6 unid 706 699 4194
Materiales estructura 119252
Mano de obra estructura 71551
Total estructura 190803
Sistema de tuberiacuteas y accesorios
tubo PVC 2 20 unid 100 1400 28000
accesorio T 2 2 unid 030 240 480
tapoacuten 2 4 unid 020 160 640
unioacuten 2 10 unid 020 160 1600
bushing 2 x 14 4 unid 020 160 640
manguera 2 6 m 100 3500 21000
acople para manguera 2 x 2 4 unid 200 1600 6400
abrazaderas 2 8 unid 100 600 4800
manguera 14 300 m 100 250 75000
abrazadera 14 480 unid 100 030 14400
tubo galvanizado 1 14 7 unid 100 3360 23520
codo pvc 2 4 unid 020 160 640
codo galvanizado 1 14 4 Unid 020 180 720
nudo 2 4 unid 030 240 960
acoples para manguera 14 240 unid 100 24000
Materiales sistema distribucioacuten agua
enfriamiento aire 202800
Mano de obra sistema distribucioacuten agua 81120
271
enfriamiento
Total sistema distribucioacuten 283920
Torre de enfriamiento
tubo cuadrado 80 x 3 4 unid 4521 4476 17903
aacutengulo laminado 50 x 3 8 unid 1430 1416 11326
ventilador axial para torre enfriamiento 1 unid 120000 120000
plancha 3 para deposito de agua torre 2 unid 7040 6970 13939
control nivel de agua torre 1 global 1500 1500
plancha galvanizada para bandejas 8 unid 4224 5914 47309
plancha galvanizada para paredes 8 unid 3285 4599 36792
bomba de circulacioacuten 80 gpm ndash 30 psi 1 unid 120000 120000
arrancador para bomba de circulacioacuten y
ventilador 1 global 32000 32000
difusores y encausadores de torre 1 global 35000 35000
tuberiacutea y vaacutelvulas de control de circulacioacuten 1 global 23500 23500
Material torre 459269
Mano de obra torre 156151
Total torre 615420
EQUIPOS SUMINISTRADOS POR ARMADA DEL ECUADOR
Intercambiador de calor de haz tubular 000
Bomba PN 50 ndash 32 ndash 145 para agua des-ionizada 000
NOTA no se encuentra agregado el valor del IVA
272
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
61 Conclusiones
1 El meacutetodo usado por el texto de Procesos de transferencia de calor de Kern y al
comparar con el programa computacional para la seleccioacuten del intercambiador de calor
son similares concluyendo que el programa funciona correctamente y este caso el
intercambiador disponible cumple con los requerimientos para reducir la temperatura
requerida para el sistema
2 El equipo disentildeado cumple con lo establecido en el anaacutelisis del problema y las
restricciones
3 El meacutetodo de construccioacuten utilizado especialmente los procesos de soldadura garantizan
el buen funcionamiento del equipo
4 Se ha adquirido mas conocimientos sobre las torres de enfriamiento y sobre su valor
caracteriacutestico KaVL A mayor valor mayor dificultad para lograr el enfriamiento deseado
Adicionalmente se ratifico los conocimientos adquiridos
273
5 Se ha utilizado varios sistemas computacionales para comprobar los resultados
adquiridos e implementar estos programas en el trabajo diario dentro del departamento de
proyectos de ERMARLO SA
6 Se ha utilizado tablas normas y coacutedigos de seleccioacuten y disentildeo de esta manera logrando
un meacutetodo de seleccioacuten maacutes raacutepida para la ejecucioacuten de un proyecto
7 El control de calidad dentro del proceso de construccioacuten y montaje es muy importante en
la entrega final del trabajo para la satisfaccioacuten del cliente y realzar el nombre de la
empresa constructora
8 Una gran experiencia de trabajo en equipo tanto con el personal encargado de la
construccioacuten como la interaccioacuten con el personal de la Armada del Ecuador
62 Recomendaciones
1 Cuando se desee realizar la evaluacioacuten de un intercambiador de calor o una torre de
enfriamiento se debe seguir un sin nuacutemero de especificaciones para tenerlas a mano
Personalmente me parecioacute muy buena la guiacutea del texto Procesos de Transferencia de
Calor
2 Se requiere implementar un estudio detallado para el manejo de todos los desechos
generados
3 Se tendriacutea que hacer un plan de mantenimiento para los equipos constitutivos del sistema
de enfriamiento
4 Revisar permanentemente las instalaciones eleacutectricas ya que se tiene un ambiente
explosivo por las emanaciones de hidrogeno de las bateriacuteas al estar activaacutendose
274
5 La pintura de la torre de enfriamiento deberiacutea estar en control para evitar corrosioacuten en la
estructura
6 En la construccioacuten y el montaje se recomienda el correcto uso del Equipo de Proteccioacuten
Personal asiacute como los implementos para realizar trabajos en altura trabajos en caliente o
lugares confinados para evitar lesiones por parte de los integrantes del proyecto
7 Tener en consideracioacuten todas las normas de seguridad que tiene la institucioacuten (Armada
del Ecuador) para evitar sanciones al personal que estaacute ejecutando el proyecto
8 Implementar un mejor sistema de ventilacioacuten en el cuarto de activacioacuten de bateriacuteas ya que
este tiene demasiados contaminantes en el ambiente
275
BIBLIOGRAFIA
1 Gonzalez Jorge ldquoAplicacioacuten de la Investigacion de Operaciones al
Diseno Optimo de un Intercambiador de Calorrdquo (Tesis Facultad de
Ingenieria en Mecanica y Ciencias de la Produccion Escuela Superior
Politecnica del Litoral 1970)
2 Kern Donald Procesos de Transferencia de Calor Editorial CECSA
1995
3 Hickstyler Manual de Calculos para las Ingenierias Tercera Edicion
Tomo II McGraw Hill 1998
4 Torres Alberto ldquoDiseno de una Torre de Enfriamiento de Agua para Uso
Industrialrdquo (Tesis Facultad de Ingenieria Mecanica y Ciencias de la
Produccion Escuela Superior Politecnica del Litoral 1973)
5 Andrade Francisco Ing Ventilacioacuten Industrial Diplomado en Manejo
Ambiental ESPOL julio 2001
6 Manual Praacutectico de Ventilacioacuten Catalogo Teacutecnico Salvador Escoda
SA
7 Perry Robert-Green Don PERRY Manual del Ingeniero Quiacutemico
Seacuteptima Edicioacuten Volumen II Mc Graw Hill
8 Load amp Resistance Factor Design Manual of Steel Construction AISC
First Edition
9 Incropera P Frank-De Witt P David Fundamentos de Transferencia de
Calor Cuarta Edicioacuten Prentice Hall
10 Granet Irving Termodinaacutemica Tercera Edicioacuten Editorial Prentice Hall
1998
11 Goulds Pump Manual Sexta Edicioacuten Goulds Pumps Inc 1995
276
12 McNaughton Kenneth Bombas Seleccioacuten Uso y Mantenimiento
Editorial Mc Graw Hill 1992
13 David Linden Thomas B Reddy Handbook of Batteries McGraw Hill
Third Edition 1995
14 Pedro Fernaacutendez Diez Bombas Centrifugas y Volumeacutetricas 2002
15 Eugene F Megyesy Pressure Vessel Handbook Publishing Inc Sexta
edicioacuten
16 Holman J P Transferencia de Calor Octava edicioacuten Prentice Hall
2001
17 Dpto Ingenieria Quiacutemica y Textil Disentildeo de Equipos e Instalaciones
(Facultad de Ciencias Quiacutemicas Universidad de Salamanca)
18 Peters and Timmerhaus Plant Design and Economics For Chemical
Engineers McGraw Hill
19 Introduccioacuten al Programa ANSYS
20 Avallone Eugene A Baumeister III Theodore MARKS Manual del
Ingeniero Mecaacutenico Novena Edicioacuten Tomos I y II Mc Graw Hill
21 httpwwwipacesacerofabricacionasp
22 httpwwwevapcocom
23 httpwwwcasalscom
24 httpwwwamcotcom
25 httpwwwmonografiastrabajos10toentoenzip
277
107
TRIBUNAL DE GRADUACIOacuteN
Ing Francisco Andrade S
DECANO DE LA FIMCP
PRESIDENTE
Ing Ernesto Martiacutenez L
DIRECTOR DE TESIS
Ing Manuel Helguero
VOCAL
Ing Jorge Duque R
VOCAL
108
DECLARACIOacuteN EXPRESA
ldquoLa responsabilidad del contenido de esta
Tesis de Grado me corresponden
exclusivamente y el patrimonio intelectual de
la misma a la ldquoESCUELA SUPERIOR
POLTEacuteCNICA DEL LITORALrdquo
(Reglamento de Graduacioacuten de la ESPOL)
109
Luis G Laverde Naranjo
AGRADECIMIENTO
A todas las personas que
de uno u otro modo
colaboraron en la
realizacioacuten de este
trabajo y especialmente
en el Ing Juliaacuten Pentildea
Director de Tesis por
su invaluable ayuda
A DIOS porque El es Bueno y Excelso al permitirme tener eacutexito en mis
estudios
A mi familia especialmente mis padres hermanos mis sobrinos en especial
Daniel por su ayuda en todo momento de mi vida
A mi director de Tesis Ing Ernesto Martiacutenez por su mano de apoyo siempre
presta e incondicional dispuesta a brindar su amistad y ayuda como
formador de los futuros profesionales
A la compantildeiacutea ERMARLO SA y todo su personal empresa en la cual me
he forjado y me ha permitido desarrollar este tema de tesis
A todos mis familiares amigos y personas que me ayudaron y apoyaron
para alcanzar mi objetivo
110
DEDICATORIA
A DIOS
A MIS PADRES
GONZALO E ISABEL
111
A MI FAMILIA
RESUMEN
El presente trabajo consiste en dar una solucioacuten real a la necesidad actual y futura del enfriamiento de
las bateriacuteas que se utilizan en los submarinos de la Armada Nacional del Ecuador en el proceso de
activacioacuten de eacutestas en tierra
En el Capiacutetulo Uno se plantea las generalidades detallando las partes constitutivas de los submarinos
caracteriacutesticas de las bateriacuteas que se utilizan en los submarinos meacutetodos de carga de las bateriacuteas y
administracioacuten de la temperatura en el proceso de activacioacuten de eacutestas
El Capiacutetulo Dos trata de la descripcioacuten del problema en esta seccioacuten se describe los requerimientos
dados por el fabricante de las bateriacuteas para que estas puedan entrar en funcionamiento se plantea
varias alternativas de solucioacuten que permita solucionar el problema planteado
El Capiacutetulo Tres se realiza el anaacutelisis teacutermico de acuerdo a datos teacutecnicos dados por los fabricantes
de las bateriacuteas que aplicando conocimientos de termodinaacutemica y transferencia de calor se podraacute
plantear las ecuaciones adecuadas para tener resultados y poder dimensionar los equipos necesarios
para lograr el objetivo planteado
112
En el Capiacutetulo Cuatro conocidos los paraacutemetros teacutermicos actuantes en el sistema se procede a
realizar la seleccioacuten y disentildeo mecaacutenico de los componentes involucrados en el funcionamiento del
sistema de enfriamiento
El Capiacutetulo Cinco realiza una evaluacioacuten teacutecnica para la construccioacuten y montaje de los equipos la
evaluacioacuten econoacutemica del proyecto y actividades de taller
El Capiacutetulo Seis se da conclusiones y recomendaciones a las que se llega como consecuencia del
desarrollo de este trabajo Ademaacutes recomendaciones para que se implemente en un proceso de
mejora continua
IacuteNDICE GENERAL
Paacuteg
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I
IacuteNDICE GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip III
ABREVIATURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VII
SIacuteMBOLOGIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XI
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XII
IacuteNDICE DE PLANOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XIV
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XV
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
CAPIacuteTULO 1
1 GENERALIDADEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
11 Descripcioacuten del sistema de poder de los submarinoshelliphelliphellip 4
113
12 Caracteriacutesticas generales del submarino U - 209helliphelliphelliphelliphellip 6
13 Proceso de activacioacuten de las bateriacuteas para submarinohelliphellip
131 Anaacutelisis del sistema operativohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
132 Caracteriacutesticas de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
133 Capacidad de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
134 Autodescargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
135 Almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
136 Principales meacutetodos de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
137 Control de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
138 Control de la temperatura en las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphellip
7
7
14
16
21
23
24
27
29
CAPIacuteTULO 2
2 DESCRIPCION DEL PROBLEMAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
21 Requerimientos para el proceso de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 36
22 Consideraciones teacutecnicas para la activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
23 Alternativas de solucioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
37
38
231 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
232 Sistema de enfriamiento con intercambiador enfriado por
airehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
233 Sistema de enfriamiento utilizando chillerhelliphelliphelliphelliphelliphellip
234 Sistema de enfriamiento utilizando intercambiador de calor y torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
42
43
45
24 Seleccioacuten mejor alternativahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
25 Torres de enfriamiento y su clasificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
26 Seleccioacuten de la torre a utilizarsehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
114
CAPIacuteTULO 3
3 ANAacuteLISIS TEacuteRMICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
31 Descripcioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
32 Datos de operacioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 64
33 Seleccioacuten del intercambiador de calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
331 Meacutetodo FLMTDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
332 Uso de software para seleccioacuten del intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
34 Disentildeo teacutermico de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
351 Fundamento del enfriamiento por evaporacioacutenhelliphelliphellip 87
352 Caacutelculoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89
CAPIacuteTULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 105
41Componentes de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 104
42 Determinacioacuten de la seccioacuten transversal de la torrehelliphelliphelliphellip 108
43 Seleccioacuten de la columna de contactohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 112
431 Altura de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
432 Aacuterea perforadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
433 Dimensiones de las perforacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
434 Espesor de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 117
44 Disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de la torre de enfriamiento 121
441 Seleccioacuten del espesor de planchahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 123
442 Carga en las paredes del depoacutesitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
444 Momento de inercia miacutenimo requeridohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
433 Distancia entre soportes del colectorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
115
44 Seleccioacuten del ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 129
45 Seleccioacuten de diaacutemetro de la tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 135
46 Seleccioacuten de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 137
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
51 Diagrama de Gantthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
511 Preparacioacuten de documentos planos de taller y
movilizacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 139
512 Fabricacioacuten en el tallerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
513 Montaje del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
514 Preparacioacuten de superficie y pintura en sitiohelliphelliphelliphelliphellip 148
515 Pruebas hidrostaacuteticas de tuberiacuteas e intercambiadorhellip 149
516 Bombas de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
517 Instalacioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
52 Materiales y equipos requeridoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
53 Resumen de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 156
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
61 Conclusioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
62 Recomendacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 160
APEacuteNDICES
BIBLIOGRAFIacuteA
116
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 11 Partes constitutivas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
Figura 12 Estado de descarga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Figura 13 Estado de carga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
117
Figura 14 Variacioacuten de la capacidad seguacuten reacutegimen de descargahelliphellip 17
Figura 15 Variacioacuten de la capacidad seguacuten la temperaturahelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Variacioacuten de la capacidad seguacuten nuacutemero de cicloshelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Variacioacuten de la vida uacutetil en funcioacuten de la descargahelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Variacioacuten de la capacidad por autodescarga 22
Figura 19 Reaccioacuten exoteacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 21 Trabajos preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 22 Esquema de enfriamiento de bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 23 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Figura 24 Enfriamiento utilizando intercambiador enfriado por aire 43
Figura 25 Sistema de enfriamiento utilizando un chiller 44
Figura 26 Sistema de enfriamiento utilizando torre de enfriamiento e intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
Figura 27 Torre de enfriamiento de tiro forzadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
Figura 28 Torre de flujo a contracorriente y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
Figura 29 Torre de flujo cruzado y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
Figura 31 Disposicioacuten de las bateriacuteas en el cuarto de activacioacutenhelliphelliphellip 61
Figura 32 Disposicioacuten de tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
Figura 33 Sistema de desplazamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 34 Bateriacuteas en cuarto de activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 35 Sistema moacutevil para llevar el fluido de enfriamiento a las
bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
Figura 36 Disentildeo de forma del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
Figura 37 Distribucioacuten de temperaturas en un intercambiador de calor de doble tubo en
paralelohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 69
Figura 38 Ventana de inicio del programahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
Figura 39 Ventana de seleccioacuten de tipo de intercambiador a utilizarse y definicioacuten de
fluidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
Figura 310 Datos del material del intercambiadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 80
118
Figura 311 Ventana de ingreso de datos de intercambiador de calorhellip 81
Figura 312 Ventana de resultados en la presioacuten de disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphellip 82
Figura 313 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 83
Figura 314 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 84
Figura 315 Disposiciones del haz de tuboshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
Figura 316 Idealizacioacuten del fenoacutemeno de transferenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
Figura 317 Flujo Especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
Figura 318 Diagrama del sistema para el disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
Figura 319 Relaciones de agua y aire de una torre a contra flujohelliphelliphellip 93
Figura 320 Diagrama de operacioacuten de enfriamiento del aguahelliphelliphelliphelliphellip 101
Figura 41 Disentildeo de Forma de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 108
Figura 42 Diagrama de operacioacuten de una bandeja perforadahelliphelliphelliphellip 114
Figura 43 Disposicioacuten de agujeros en las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
Figura 44 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 45 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 46 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 47 Valores de alfahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
Figura 48 Dimensionamiento del depoacutesito de coleccioacuten de aguahelliphelliphellip 123
Figura 49 Cargas hidrostaacuteticashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
Figura 410 Distancia entre soporteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
Figura 412 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 413 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 414 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 415 Diagrama para seleccionar modelo de ventiladorhelliphelliphelliphelliphellip 131
Figura 416 Ventilador seleccionadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 132
Figura 417 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 418 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 419 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 51 Diagrama de Gantt 138
119
Figura 52 Sistema de deslizamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 171
Figura 53 Alineacioacuten de piso donde se asentaraacute la torrehelliphelliphelliphelliphelliphellip 172
Figura 54 Bomba de agua para torrehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 175
Figura 55 Tuberiacutea de succioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 176
Figura 56 Tablero de control eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 177
Figura 57 Intercambiador sumergido en colector de la torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 58 Bandejas perforadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 59 Torre de enfriamiento instaladahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 179
120
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphellip 6
Tabla 12 Paraacutemetros de almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
Tabla 21 Programa de carga eleacutectrica para la activacioacuten de las bateriacuteas de los
submarinoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
Tabla 22 Impurezas maacutes comunes en el agua que afectan los sistemas de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 23 Matriz de decisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
Tabla 24 Clasificacioacuten de las torres de enfriamiento 49
Tabla 25 Matriz de decisioacuten para seleccionar el tipo de torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
Tabla 31 Escala de presioacuten y valor U para tipos de intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Tabla 32 Aacuterea transversal de flujo y superficie para intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Tabla 33 Valores de entalpiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 102
Tabla 34 Caracteriacutesticas de humidificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103
Tabla 41 Dimensiones de zona sin perforarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
Tabla 42 Informe de resultados del anaacutelisis de la bandeja perforadahellip 119
Tabla 43 Informe de resultados del colector de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 127
Tabla 44 Informe de resultados de la campana de extraccioacutenhelliphelliphelliphellip 133
Tabla 45 Velocidades y caiacutedas de presioacuten permisibles 135
Tabla 46 Densidad del fluido en funcioacuten de la velocidadhelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
Tabla 51 Lista de equipos y herramientashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
121
IacuteNDICE DE PLANOS
Plano 1 Torre de enfriamiento y sus partes
Plano 2 Bandejas perforadas
Plano 3 Campana de extraccioacuten
Plano 4 Tanque colector
Plano 5 Placa soporte
Plano 6 Dimensiones de estructura de torre de enfriamiento
122
ABREVIATURAS
ordmC Grados centiacutegrados
Mg Magnesio
Si Silicio
m Metros
cm Centiacutemetros
mm Miliacutemetros
kg Kilogramos
t Toneladas meacutetricas
MVA Mega voltamperios
kwh Kilovatio hora
tkwh Kilovatio hora por tonelada
Nm3
Metro cuacutebico normalizado
FeMn Ferromanganeso
MgO Oacutexido de magnesio
m Microacutemetro
NO2 Dioacutexido de nitroacutegeno
3Nmg
Gramos por metro cuacutebico de aire normalizado
ht Toneladas por hora
3mg
Gramos por metro cuacutebico
123
3mmg
Miligramos por metro cuacutebico
3pieg
Gramos por pieacute cuacutebico
min
3pie Pieacute cuacutebico por minuto
gal galoacuten
CFM Pies cuacutebicos por minuto
t
Kg Kilogramos por tonelada
hm3
Metros cuacutebicos por hora
th
m3
Metros cuacutebicos por hora por tonelada
s Densidad del soacutelido
3mg
Microgramos por metro cuacutebico
3mkg
Kilogramo por metro cuacutebico
sm Metros por segundo
OHmmCol 2 Miliacutemetros de columna de agua
atm atmoacutesferas
Pa Pascales
FPM Pies cuacutebicos por minuto
A Aacuterea
V Velocidad
Q Caudal
sm3
Metros cuacutebicos por segundo
124
SP Presioacuten estaacutetica
VP Presioacuten dinaacutemica
kPa Kilopascales
MPa Megapascales
2lgpulb Libras por pulgadas cuadradas
antildeomm Miliacutemetro por antildeo
hmm
2
3
Metros cuacutebicos por metro cuadrado por hora
psi Libras por pulgada cuadrada
diaacutemetro
ppm Partes por milloacuten
M Momento
mpy Mileacutesimas de pulgada por antildeo
Mw Megavatios
T Diferencia de temperaturas
CkgJ
ordm Joules por kilogramo por grado centiacutegrado
k Conductividad
h Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
R Sumatoria de resistencias
f Factor de friccioacuten
St Nuacutemero de stanton
KmW
2 Vatios por metro cuadrado por grados kelvin
125
INTRODUCCIOacuteN
La Armada del Ecuador a cargo de la Direccioacuten de Mantenimiento de la
institucioacuten con el propoacutesito de brindar mantenimiento al escuadroacuten de
submarinos nacionales SS ndash 11 ldquoShyrirdquo y SS ndash 12 ldquoHuancavilcardquo tipo U ndash 209
de fabricacioacuten alemana considera el cambio inmediato de las bateriacuteas de
propulsioacuten instaladas en dichos submarinos por haber cumplido su ciclo de
vida
Las unidades submarinas son de propulsioacuten diesel ndash eleacutectricas las bateriacuteas
son las encargadas de suministrar la energiacutea necesaria para propulsar y
alimentar la red abordo
Las bateriacuteas operan desde el antildeo 1997 tiempo de operacioacuten hasta la fecha
de 11 antildeos que sobrepasan el tiempo de vida uacutetil que es de 10 antildeos lo que
requiere un reemplazo inmediato de las bateriacuteas
Es por eso que las bateriacuteas de propulsioacuten fueron adquiridas a traveacutes de la
Junta de Defensa Nacional a la compantildeiacutea alemana Hawker GMBH una
126
remesa de 960 bateriacuteas estas son del tipo plomo ndash aacutecido las bateriacuteas se
someten a un proceso de carga y descarga cuando estaacuten montadas en el
submarino este proceso genera calor y produccioacuten de hidroacutegeno en el
ambiente
Para controlar la generacioacuten de calor existe en el submarino un sistema de
enfriamiento utilizando agua del mar las bateriacuteas nuevas adquiridas no
vienen activadas de fabrica para evitar problemas de danos y eliminar
riesgos durante el viaje hasta las instalaciones de la Armada Nacional es por
eso que la institucioacuten a dispuesto un lugar estrateacutegico donde se va a
proceder a la construccioacuten del sistema de activacioacuten de las bateriacuteas lo que
conlleva a realizar trabajos preliminares para la puesta en marcha de estos
equipos
Como este proceso tiene que ser realizado en tierra la Armada del Ecuador
convoca a diferentes empresas para licitar en el disentildeo construccioacuten y
montaje de un sistema de enfriamiento de agua que va a ser utilizada en la
activacioacuten de 120 bateriacuteas a la vez
ERMARLO SA empresa en la cual me desenvolviacutea en el departamento de
proyectos fue adjudicada la licitacioacuten y fue asignado el proyecto de disentildeo y
construccioacuten del sistema de enfriamiento el cual es el objetivo de esta tesis
127
Se utilizaran varios programas computacionales como Inventor 10 ESP plus
con el fin de utilizarlos en la praacutectica con mayor destreza para solucionar
problemas
CAPITULO 1
1 GENERALIDADES 11 Descripcioacuten del Sistema de Poder de los Submarinos
A fin de clarificar ciertos aspectos importantes para comprender el sistema de
propulsioacuten de los submarinos se realizaraacute una breve descripcioacuten generalizada de
este tipo de buque
El submarino tipo U ndash 209 es un buque disentildeado exclusivamente para
operar bajo el agua esta afirmacioacuten puede parecer redundante pero
es necesaria para diferenciar los submarinos modernos de los usados
durante la primera y segunda guerras mundiales que era propiamente
128
ldquosumergiblesrdquo es decir los buques con capacidad de permanecer
periodos relativamente cortos bajo la superficie esto explica el disentildeo
de estos con cantildeones en cubierta para la defensa aeacuterea y de
superficie
Hasta la llegada de la propulsioacuten nuclear marina la mayoriacutea de los submarinos del
siglo XX usaron bateriacuteas eleacutectricas para la navegacioacuten subacuaacutetica y motores de
combustioacuten interna para la superficie y recargar las bateriacuteas Los primeros modelos
usaban gasolina como combustible pero pronto se sustituyoacute por parafina y luego
gasoacuteleo gracias a su menor inflamabilidad La combinacioacuten diesel-eleacutectrico se
convertiriacutea en el medio de propulsioacuten estaacutendar Inicialmente el motor diesel o gasolina
y el eleacutectrico separados por embragues estaban en el mismo eje e impulsaban el
propulsor Esto permitiacutea que el primero usase al segundo como generador para
recargar las bateriacuteas e impulsar tambieacuten al submarino si era necesario Cuando el
submarino se sumergiacutea se desembragaba el motor diesel de forma que se usase el
eleacutectrico para girar la heacutelice El motor eleacutectrico puede tener maacutes de un inducido sobre
el eje estando eleacutectricamente acoplados en serie para velocidades bajas y en
paralelo para velocidades altas
129
12 Caracteriacutesticas Principales del Submarino U ndash 209
Desplazamiento
(sumergidos)
1285 Ton
Dimensiones 559 6355 m
Propulsioacuten 4 MTU MD 12V992 Tb 90
diesel de 600 CV un
Siemens eleacutectrico de
5000 CV y 4
generadores eleacutectricos
de 405 Kw
Tipo Submarino diesel
eleacutectrico de ataque SSK
Astillero de origen Howaldtswerke Kiel
Alemania
Desplazamiento 1265 ton (superficie)
1396 ton (inmersioacuten)
Casco Acero naval reforzado
Celdas 480 de 11500 Amp ndash h y
un peso total de 257 ton
Combustible 108 ton
Profundidad
maacutexima
500 metros
Armamento 553 mm torpedos en
tubos (14) misil Sub-
130
Harpoon
Tripulacioacuten 33
TABLA 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U ndash 209
El submarino posee 4 bateriacuteas de 120 celdas cada una
Cada celda estaacute disentildeada para almacenar cargas con voltajes que no
exceden los 275 voltios de corriente continua Las 120 celdas estaacuten
conectadas en serie esto para cada bateriacutea
FIGURA 11 PARTES CONSTITUTIVAS DEL SUBMARINO U -209
13 Proceso de Carga y Descarga de las Bateriacuteas en el Submarino
131
Para activar las bateriacuteas antes de ser puestas en operacioacuten se
requiere que se cumpla un determinado procedimiento el cual
implica periodos de carga y descarga de acuerdo a un plan
establecido
131 Anaacutelisis del Sistema Operativo de las Bateriacuteas
El suministro de energiacutea eleacutectrica dentro del buque tiene un solo
responsable estas son las celdas del buque
Primeramente entieacutendase por celdas al elemento unitario de
energiacutea eleacutectrica del buque que baacutesicamente es un acumulador de
plomo y aacutecido o pila secundaria que puede recargarse invirtiendo
la reaccioacuten quiacutemica
La celda electroliacutetica que describiremos a continuacioacuten el
acumulador de plomo
Estos acumuladores constan de una serie de placas de plomo
dispuestas una al lado de la otra y separadas entre siacute por medio de
los separadores
Las placas son unas rejillas rectangulares en las que se efectuacutea
una transformacioacuten de energiacutea quiacutemica en eleacutectrica o viceversa
seguacuten se descargue o cargue repetidamente el acumulador
132
Existen dos clases de placas las positivas constituidas a base de
peroacutexido de plomo cuyo color es negruzco y las negativas
constituidas de plomo combinado con materiales inertes que no
intervienen en la transformacioacuten generalmente antimonio Al
peroacutexido de plomo y al plomo que componen las placas se les
denomina materia activa del acumulador
Las placas positivas estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute
mediante una barra o laacutemina metaacutelica denominada puente de
unioacuten Lo mismo ocurre para las placas negativas Sobre ambos
puentes se hallan los bornes del acumulador uno positivo y otro
negativo
El conjunto de placas positivas y negativas alternadas se
encuentran sumergidas en agua acidulada que es una mezcla de
acido sulfuacuterico y agua que hace las veces de electrolito
En las condiciones hasta ahora descritas el acumulador se halla
cargado es decir que si entre sus bornes conectamos un
consumidor por ejemplo una laacutempara por ella circula corriente y
por tanto se encenderaacute ello es debido a que entre sus placas de
peroacutexido de plomo y de plomo existe una diferencia de potencial
capaz de producir corriente eleacutectrica cuando circula esta corriente
a traveacutes de un consumidor el acumulador se estaacute descargando
133
Durante dicha descarga para la corriente desde la placa positiva a
la negativa por el por el receptor o consumidor exterior a la bateriacutea
y por el interior desde la placa negativa a traveacutes del electrolito a la
placa positiva
Al pasar la corriente por el electrolito se descompone la moleacutecula
del aacutecido sulfuacuterico en dos iones (SO4-) y (2H+) con cargas
negativas y positivas respectivamente que reaccionan formando
en la placa positiva peroacutexido de plomo (PbO2) mas agua en el
recipiente Esta agua se genera porque el oxiacutegeno liberado de la
placa positiva del peroacutexido de plomo se combina con el hidroacutegeno
descompuesto del aacutecido sulfuacuterico
De la misma manera se forma sulfato plumboso en la placa
negativa y agua en el recipiente La reaccioacuten de la descarga la
podriacuteamos resumir asiacute
134
A medida que se va descargando la concentracioacuten de aacutecido
sulfuacuterico en el electrolito va disminuyendo lo que origina que sea
menos conductor provocando este fenoacutemeno un aumento de la
resistencia interior en el elemento lo que produce una caiacuteda de
tensioacuten tan grande que deja la bateriacutea fuera del servicio uacutetil
Cuando ha sido atacado todo el peroacutexido de plomo y todo el plomo
cesa la transformacioacuten y con ella la corriente eleacutectrica el
acumulador descargado incapaz de producir maacutes corriente
eleacutectrica
Si estando el acumulador descargado aplicamos en sus bornes
una diferencia de potencial se produciraacute la electroacutelisis del agua
contenida en el recipiente y las transformaciones que habraacuten
tenido lugar durante la descarga se invertiraacuten es decir en las
placas positivas se transformara el sulfato plumboso en peroacutexido
de plomo y aacutecido sulfuacuterico y en las negativas en plomo y aacutecido
sulfuacuterico con lo que el acumulador quedara nuevamente cargado y
con la facultad de poder suministrar de nuevo corriente eleacutectrica
La reaccioacuten de carga se habraacute efectuado asiacute
135
Estos fenoacutemenos quiacutemicos se llevan a cabo en el interior del
acumulador se va intentar representarlos por una serie de figuras
Por ejemplo en la Figura 12 Se tiene una aproximacioacuten a un
esquema de reaccioacuten quiacutemica durante la descarga del acumulador
La laacutempara representa el aparato consumidor que estaacute recibiendo
energiacutea eleacutectrica en este momento En el interior del acumulador
se estaacuten descomponiendo del modo que indican las flechas las
moleacuteculas de cada uno de los componentes de las placas
conjuntamente y en colaboracioacuten con el electrolito y su
composicioacuten quiacutemica
Obseacutervese como en la parte baja de las placas se produce la
presencia del sulfato de plomo (PbSO4) que es el indicio claro de la
descarga (En este esquema se mantiene el sentido electroacutenico de
la corriente es decir el paso del negativo al positivo tal como
ocurre en la realidad aunque se ha aceptado convencionalmente la
inversa)
136
La descarga total del acumulador llegariacutea a producirse cuando
ambas placas se hallaran saturadas de sulfato de plomo y el
electrolito fuera praacutecticamente formado por agua destilada La luz
dejara de brillar en sentildeal evidente de la falta de energiacutea eleacutectrica
FIGURA 12 ESTADO DE DESCARGA DE UN ACUMULADOR
El proceso de carga podemos verlo en la Figura 13 La colocacioacuten
de un generador de corriente continua entre los bornes del
acumulador hace que la corriente circule entre placas y electrolito
Tal como puede verse en la parte alta de las placas la presencia
del sulfato plumboso (PbSO4) es general lo que indica su estado
descarga pero al paso de la corriente eleacutectrica proveniente del
generador activa una reaccioacuten quiacutemica en la que de nuevo acido
sulfuacuterico se recompone Poco a poco la placa negativa recobra su
137
plomo inicial y la positiva su peroacutexido de plomo mientras el
electrolito aumenta su densidad por encima de los valores casi del
agua que teniacutea en el estado totalmente descargado debido a su
enriquecimiento de acido sulfuacuterico [13]
Estas son pues las transformaciones quiacutemicas mediante las
cuales es posible convertir energiacutea eleacutectrica en energiacutea quiacutemica y
viceversa
FIGURA 13 ESTADO DE CARGA DE UN ACUMULADOR [13]
132 Caracteriacutesticas de las Bateriacuteas
138
A pesar de su diversa constitucioacuten todas las bateriacuteas pueden
ser definidas mediante unas caracteriacutesticas comunes que se
consideran seguidamente
Resistencia interna- Formada por la resistencia oacutehmica
de sus componentes (terminales electrodos soportes y
electrolito) y por una resistencia virtual variable en funcioacuten
del estado de carga y de las distintas polarizaciones y
concentraciones Aumenta con las bajas temperaturas
con la descarga de la bateriacutea y con el envejecimiento
Rendimiento- Es la relacioacuten entre la energiacutea
suministrada durante la descarga y la que se necesita
para cargar plenamente la bateriacutea Las peacuterdidas en una
bateriacutea se deben sobre todo a una produccioacuten de energiacutea
caloriacutefica en los procesos quiacutemicos que tienen lugar
durante la carga y descarga
Velocidad de carga y descarga - Las corrientes de
carga y descarga a menudo se especifican con unos
teacuterminos que indican la descarga completa en un periacuteodo
continuo de una hora Estos teacuterminos son los regiacutemenes C
y sus muacuteltiples y submuacuteltiplos son un medio muy coacutemodo
para especificar las velocidades de carga y descarga Por
tanto 10C es la corriente que descarga la bateriacutea en seis
139
minutos mientras que C10 es la corriente que descarga
la bateriacutea en diez horas
Vida uacutetil - La vida uacutetil de una bateriacutea no se mide en antildeos
sino por la cantidad de ciclos de carga - descarga que es
capaz de realizar Asiacute si se la somete a un reacutegimen de
trabajo de muchos ciclos diarios probablemente soacutelo
duraraacute unos meses mientras que si el reacutegimen es de un
ciclo al diacutea o incluso maacutes lento (como ocurre en el caso de
iluminacioacuten de viviendas con energiacutea solar) la bateriacutea
puede durar al menos diez antildeos
133 Capacidad de una Bateriacutea
Es la cantidad de electricidad que puede entregar cuando se
descarga antes de que su tensioacuten disminuya por debajo de un
nivel miacutenimo Su siacutembolo es C y se expresa en A - h Otro
factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una bateriacutea
es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten quiacutemica
que tiene lugar en el acumulador se acelera demasiado y la
vida se acorta Si la temperatura es baja la vida se prolonga
pero si baja demasiado puede correr el riesgo de congelacioacuten
En este caso lo mejor seraacute mantener la bateriacutea en un nivel de
140
carga alto ya que cuanto mayor sea la concentracioacuten del
electrolito el punto de congelacioacuten seraacute maacutes bajo
La capacidad de una bateriacutea variacutea seguacuten el reacutegimen de
descarga aumenta a medida que la descarga es maacutes lenta y
disminuye cuando esta es maacutes raacutepida
Por esta razoacuten el valor de C debe venir referenciado con el
tiempo de descarga
FIGURA 14 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
REGIMEN DE DESCARGA [13]
Un incremento de la temperatura dentro de unos liacutemites
aumenta la actividad de los procesos quiacutemicos y por lo tanto
la capacidad de la bateriacutea Por el contrario a bajas
temperaturas la actividad quiacutemica es menor y la capacidad
disminuye considerablemente
141
FIGURA 15 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN LA
TEMPERATURA [13]
La historia de la bateriacutea afecta tambieacuten a la capacidad Si una
bateriacutea lleva un largo periacuteodo sin ser recargada en toda su
capacidad se produce un efecto memoria que impide que
recupere su capacidad nominal siendo necesarios varios
ciclos de carga y descarga para recuperarla El
envejecimiento de una bateriacutea merma su capacidad y va
disminuyendo a lo largo de su vida en funcioacuten del servicio de
carga - descarga a que sea sometida Para el caacutelculo de la
capacidad nominal necesaria hay que tener en cuenta la vida
uacutetil que se desea para la bateriacutea si se desea una vida uacutetil de
142
3 antildeos y el fabricante indica que al final de este periacuteodo soacutelo
se mantiene el 50 de la capacidad habraacute que utilizar una
bateriacutea de capacidad doble a la estimada necesaria
FIGURA 16 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
NUacuteMERO DE CICLOS [13]
Ademaacutes de los ciclos de carga - descarga tambieacuten hay que
considerar la profundidad de la descarga media que se
produce en cada uno de ellos Si dicha descarga es
moderada y soacutelo de vez en cuando se alcanza una
profundidad elevada el nuacutemero de ciclos que soportaraacute las
bateriacuteas seraacute elevado A medida que se la someta a
descargas maacutes profundas el nuacutemero de ciclos que podraacute
realizar y por tanto su vida uacutetil iraacute disminuyendo En
143
cualquier caso la profundidad de descarga maacutexima admisible
para un acumulador plomo - aacutecido es del 80
FIGURA 17 VARIACION DE LA VIDA UTIL EN FUNCION
DE LA DESCARGA [13]
Con un reacutegimen de descarga diaria del 25 de su capacidad
y un 80 de descarga 2 veces al antildeo (condiciones que
normalmente se dan en una instalacioacuten fotovoltaica) la
bateriacutea solar puede alcanzar una vida uacutetil de maacutes de 11 antildeos
Otro factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una
bateriacutea es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten
quiacutemica que tiene lugar en el acumulador se acelera
demasiado y la vida se acorta Si la temperatura es baja la
144
vida se prolonga pero si baja demasiado puede correr el
riesgo de congelacioacuten En este caso lo mejor seraacute mantener
la bateriacutea en un nivel de carga alto ya que cuanto mayor sea
la concentracioacuten del electrolito el punto de congelacioacuten seraacute
maacutes bajo
Las mayores formas de acortar la vida uacutetil de un acumulador
son
someterlos a cargas y descargas violentas y repetidas
descargarlo hasta el agotamiento
trabajar a temperaturas extremas
134 Autodescarga
La autodescarga de una bateriacutea consiste en la peacuterdida de
energiacutea por reaccioacuten entre los materiales que forman los
elementos de la bateriacutea en condiciones de circuito abierto es
decir cuando no hay carga alguna conectada al circuito de la
bateriacutea Depende del tipo de bateriacutea y muy directamente de la
temperatura aumentando con esta Por ello y dado que los
valores estaacutendar suelen venir referidos a una temperatura
145
media (unos 20 oacute 25ordmC) es preciso tener en cuenta que este
factor puede alterarse en algunos casos
FIGURA 18 VARIACION DE LA CAPACIDAD POR
AUTODESCARGA [13]
La autodescarga hay que considerarla como un consumo
adicional que demanda un cierto porcentaje de energiacutea
almacenada Su valor es aproximadamente de un 05 a un
1 diario en bateriacuteas plomo - aacutecido
146
135 Almacenamiento
Los fabricantes suelen dar recomendaciones para el almacenamiento
Mostramos las condiciones recomendadas para aplicaciones solares
en la tabla siguiente
TABLA 12 PARAMETROS DE ALMACENAMIENTO [18]
Las bateriacuteas almacenadas llenas y cargadas requieren un periodo de
recarga antes de su instalacioacuten El fabricante debe proporcionar las
instrucciones acerca de los intervalos y meacutetodos en los que debe
efectuarse
La exposicioacuten a alta temperatura y humedad durante el
almacenamiento puede ocasionar una peacuterdida de capacidad La
temperatura de una bateriacutea guardada en un recipiente expuesto a la
luz directa del sol puede subir a 60 degC o maacutes durante el diacutea
147
136 Principales Meacutetodos de Carga
La vida uacutetil de una bateriacutea y sus prestaciones dependen
directamente de los procesos de carga a los que es sometida
Por esta razoacuten hay que seguir en cada caso las
recomendaciones que da el fabricante
Los principales meacutetodos de carga son
1 Tensioacuten constante
2 Corriente constante
3 Corriente descendente
4 Dos niveles de tensioacuten constante
Tensioacuten constante
El meacutetodo de carga a tensioacuten constante es el maacutes usado para
cargar bateriacuteas de plomo - aacutecido Consiste en aplicar una
tensioacuten constante de 23 24 oacute 25 Velemento limitando la
corriente inicial de carga a 01C oacute 02 C amperios siendo C la
capacidad de la bateriacutea en amperios - hora El tiempo de
carga va de 40 horas a 10 horas y la tensioacuten debe regularse
seguacuten la temperatura ambiente si la temperatura es alta la
tensioacuten de carga debe ser baja y viceversa
148
Algunos fabricantes admiten la utilizacioacuten de este meacutetodo sin
limitacioacuten de corriente pues sus bateriacuteas estaacuten
dimensionadas para fuertes corrientes En este caso si se
inicia el proceso con 23Velemento la corriente inicial
despueacutes de una descarga profunda seraacute de 3C amperios y de
un 05C durante un periacuteodo largo
Corriente constante
El meacutetodo de carga a corriente constante es recomendado
por algunos fabricantes para las bateriacuteas de niacutequel - cadmio
limitando la corriente entre 025C y 005C amperios En el
caso de carga profunda se admiten corrientes de 1C
amperios pero vigilando la tensioacuten de la bateriacutea o la
temperatura
La carga a corriente constante se utiliza como carga de
igualacioacuten en bateriacuteas plomo - aacutecido para corregir diferencias
de capacidad entre las bateriacuteas de un mismo grupo Para
evitar una sobrecarga que destruya la bateriacutea es necesario
terminar cuando la bateriacutea alcance su maacutexima capacidad
149
Corriente descendente
Es el sistema de carga maacutes econoacutemico y es utilizado por
algunos fabricantes para sus bateriacuteas niacutequel - cadmio
Consiste en una carga sin regulacioacuten limitada por una
resistencia serie que en algunos casos es la propia
resistencia del devanado del transformador de alimentacioacuten
A medida que la bateriacutea se va cargando la corriente de carga
va descendiendo gradualmente Es un meacutetodo antiguo y muy
peligroso porque la tensioacuten y corriente de carga dependen de
las fluctuaciones de la corriente de la red con lo que existe
riesgo impliacutecito de sobrecarga
Dos niveles de tensioacuten constante
Es el meacutetodo recomendado para cargar una bateriacutea de plomo
- aacutecido hermeacutetica en un periacuteodo corto de tiempo y mantener la
bateriacutea en plena carga en situacioacuten de flotacioacuten Inicialmente
se carga a un nivel alto de tensioacuten (245Velemento)
limitando la corriente A partir de que esta disminuya por
debajo de un nivel se pasa a tensioacuten constante permanente o
de flotacioacuten Este meacutetodo es el maacutes eficiente pues minimiza el
tiempo de carga y la bateriacutea queda protegida de sobrecargas
150
Despueacutes de una descarga profunda es necesario un tiempo
de carga maacutes largo de lo normal Inicialmente la corriente que
admite la bateriacutea es baja ya que la resistencia interna tiene
un valor elevado y no adquiere su valor normal hasta pasados
unos 30 minutos Por este motivo es necesario inhibir el
control durante este periacuteodo de tiempo pues el cargador
podriacutea suponer que la bateriacutea estaacute cargada y dejarla en
flotacioacuten
137 Control de Carga
Para mantener el rendimiento oacuteptimo de una bateriacutea es esencial que
su carga se controle adecuadamente Al comienzo del ciclo de carga la
corriente deberiacutea limitarse para asegurar que no se produzca
generacioacuten de gases a causa de un voltaje excesivo aplicado al vaso
mientras la capacidad se recupera la corriente de carga debe
limitarse para mantener el voltaje de los vasos en el umbral requerido
para la generacioacuten de gases o ligeramente inferior una vez
recuperada la plena capacidad se deberiacutea aplicar una carga final a
corriente constante por un periacuteodo de tiempo fijo (carga de
igualacioacuten) Aunque estas condiciones no puedan lograrse
praacutecticamente en los sistemas de energiacutea fotovoltaica hay ciertas
151
circunstancias que se necesitan para minimizar el mantenimiento y
mantener la vida de la bateriacutea Los paraacutemetros del regulador tendraacuten
en cuenta los efectos del disentildeo del generador fotovoltaico la carga
la temperatura y los valores liacutemite recomendados para proteger la
bateriacutea Las de plomo-aacutecido o de niacutequel-cadmio tendraacuten el electrolito
suficiente para cubrir el periacuteodo entre por lo menos las visitas de
mantenimiento planificadas [13]
La sobrecarga excesiva no aumenta la energiacutea almacenada en la
bateriacutea En cambio la sobrecarga afecta al intervalo de servicio
debido al consumo de agua destilada en las bateriacuteas aacutecidas como
resultado de la generacioacuten de gases Para minimizar este efecto el
voltaje de regulacioacuten de la carga debe compensarse con los cambios
en la temperatura del electrolito ya que esto afecta directamente al
umbral de voltaje de generacioacuten de gases Contrariamente a esto la
estratificacioacuten puede ocurrir en bateriacuteas de electrolito liacutequido
particularmente en sistemas fotovoltaicos doacutende la insolacioacuten es a
menudo insuficiente para proporcionar generacioacuten de gases durante
el funcionamiento normal La estratificacioacuten se produce cuando capas
menos densas de electrolito se depositan sobre capas maacutes densas
situadas en el fondo de los vasos lo que produce una reduccioacuten de
152
capacidad Esto puede corregirse con la agitacioacuten que se produce
durante el proceso de gasificacioacuten Por consiguiente el proceso de
regulacioacuten de carga debe disentildearse para promover la generacioacuten de
gases a intervalos regulares Esto puede lograrse elevando el voltaje
de control de carga durante un periacuteodo y restablecieacutendolo una vez
que se ha producido la generacioacuten de gases
138 Administracioacuten de la Temperatura en las Bateriacuteas
Limites de temperatura de operacioacuten
Todas las bateriacuteas dependen para su funcionamiento de un proceso electroquiacutemico
ya sea en carga o descarga y sabemos que estas reacciones quiacutemicas son en alguna
manera dependientes de la temperatura La capacidad nominal de una bateriacutea se
especifica usualmente en alguacuten punto dentro del rango de trabajo entre +20ordmC hasta
+30ordmC (+68ordmF ~ +86ordmF) sin embargo la capacidad real puede desviarse
substancialmente del valor nominal si la bateriacutea es forzada a trabajar a mayores o
menores temperaturas (Figura 18) La Ley de Arrhenius dice que la velocidad a la
cual una reaccioacuten quiacutemica se produce incrementa exponencialmente seguacuten la
temperatura aumenta Esto permite que se extraiga mayor potencia de la bateriacutea en
un instante a mayores temperaturas que la de trabajo Al mismo tiempo las mayores
temperaturas aumentan la movilidad de los electrones o iones reduciendo asiacute la
impedancia interna de la celda por consiguiente aumentando su capacidad Sin
embargo en el extremo superior de la escala las altas temperaturas pueden
tambieacuten iniciar reacciones quiacutemicas no deseadas o irreversibles yo peacuterdida de
electrolito lo cual puede causar un dantildeo permanente o falla completa de la bateriacutea
En el extremo inferior de la escala el electrolito se puede congelar fijando un liacutemite
153
para la capacidad a bajas temperaturas Por debajo del punto de congelamiento del
electrolito la capacidad de la bateriacutea comienza a deteriorarse seguacuten la velocidad de
la reaccioacuten quiacutemica se reduce Auacuten cuando una bateriacutea esteacute especificada para
trabajar bajo los -20ordmC oacute -30ordmC la capacidad a 0ordmC y por debajo de este punto de
disminuye considerablemente Debemos tomar en cuenta que el liacutemite inferior de
temperatura de trabajo de una bateriacutea puede depender de su estado de carga Un
sistema real puede por lo tanto necesitar ambos calentamiento y enfriamiento
ambiental forzado para mantenerlo no soacutelo dentro de los rangos liacutemite de trabajo
especificado por el fabricante sino dentro de un rango maacutes limitado para alcanzar
desempentildeo oacuteptimo
FIGURA 18 CAPACIDAD DE CARGA DE BATERIAS PLOMO ndash ACIDO A
DIFERENTES TEMPERATURAS
Efectos teacutermicos externos
154
Efectos teacutermicos externos La condicioacuten teacutermica de la bateriacutea es tambieacuten dependiente
de su ambiente Si su temperatura estaacute sobre la temperatura ambiente perderaacute calor
por efecto de la conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten Si la temperatura ambiente es
mayor la bateriacutea absorberaacute calor de sus alrededores
Cuando la temperatura ambiente es muy alta el sistema de manejo de la
temperatura debe trabajar muy duro para mantener la temperatura bajo control Una
sola celda puede trabajar muy bien a la temperatura ambiente de una sala por siacute
sola pero si es parte de un paquete de bateriacuteas rodeada de celdas similares todas
generando calor auacuten si la carga es la misma para todas podriacutea exceder sus liacutemites
de temperatura
FIGURA 19 REACCION EXOTERMICA
155
CAPITULO 2
2 DESCRIPCIOacuteN DEL PROBLEMA
Las unidades navales de la Armada del Ecuador dentro de los escenarios
en tiempo de paz y conflicto una de sus principales funciones es de
mantener los equipos y sistemas operativos como parte fundamental en
la operatividad como parte de estas funciones la Direccioacuten de
Mantenimiento de la institucioacuten es la encargada de realizar el cambio de
las bateriacuteas del Escuadroacuten de submarinos de que son las encargadas
suministrar energiacutea eleacutectrica a todo el submarino
156
Se adquiere una remesa de 960 bateriacuteas nuevas para eacutel los submarinos
a la empresa alemana Hawker GMBH ya que es necesario se efectuacutee la
remocioacuten de las bateriacuteas por cuanto su tiempo de vida uacutetil fue alcanzado
en el antildeo 2006 estos equipos vienen realizados sus pruebas de control
de calidad pero no vienen eleacutectricamente cargadas por lo que se
requiere realizar la operacioacuten de activacioacuten en tierra antes de ser puestas
en los submarinos
Para esto se requiere construir un sistema que permita la carga de 120
bateriacuteas a la vez Como se analizoacute en el Capitulo 1 existen tres
paraacutemetros que se debe controlar en el momento de carga o activacioacuten
de estos elementos que son
Voltaje
Corriente
Temperatura
El paraacutemetro de voltaje es necesario conocerlo para saber cuando las
celdas necesitan recargarse o cuando una de las celdas esta averiada y
tomar las acciones necesarias para continuar con el procedimiento de
activacioacuten de los elementos
157
El paraacutemetro de la corriente es necesario conocerlo para saber queacute
cantidad de energiacutea eleacutectrica estaacute entregando o recibiendo las celdas y
de esta manera conocer los amperios ndash hora que estaacute recibiendo las
celdas
El paraacutemetro de temperatura es criacutetico y es el paraacutemetro que esta tesis
estaacute encargada de controlar en este proceso de activacioacuten ya que se
desprende hidrogeno y sabiendo que el hidrogeno es un gas inflamable y
que al combinarse con el oxigeno en un determinado porcentaje es
detonante por este motivo se debe tener estricto control en la
temperatura de las celdas y de la concentracioacuten de hidrogeno en el aacuterea
de activacioacuten
El resultado de los efectos termo-eleacutectricos y termo-quiacutemicos posiblemente aumentados por las
condiciones ambientales es generalmente un aumento en la temperatura y como se dijo
anteriormente esto provocaraacute un incremento exponencial en la velocidad a la cual la reaccioacuten
quiacutemica se da Tambieacuten sabemos que si el aumento de temperatura es excesivo muchas cosas
desagradables pueden suceder
Los quiacutemicos activos se expanden causando que la celda se
ldquohincherdquo
Distorsiones mecaacutenicas en los componentes de la celda pueden
provocar corto circuitos o circuitos abiertos
158
Pueden darse reacciones quiacutemicas irreversibles las cuales
causaraacuten una reduccioacuten permanente en los quiacutemicos activos y por
lo tanto en la capacidad de la celda
Operacioacuten prolongada a altas temperaturas puede causar roturas
en partes plaacutesticas de la celda
Se expeleraacuten muchos gases de la celda debido a lo cual aumenta
la presioacuten dentro de esta lo que puede llevar eventualmente a una
ruptura o explosioacuten de la misma
Se podriacutean liberar quiacutemicos toacutexicos o inflamables
21 Requerimientos para el Proceso de Enfriamiento de las
Bateriacuteas de los Submarinos
Las bateriacuteas son colocadas en un cuarto de activacioacuten designado por la Armada del
Ecuador este cuarto debe ser adecuado para colocar 240 bateriacuteas colocadas sobre
plataformas de carga 4 unidades por plataforma en fila cada bateriacutea debe ser enfriada
de acuerdo a los paraacutemetros especificados por el fabricante
159
FIGURA 21 TRABAJOS PRELIMINARES
El enfriamiento de los elementos de la bateriacutea se consigue haciendo pasar el agua
destilada a traveacutes de los polos negativos y positivos que son huecos pasando desde
aquiacute a traveacutes de tuberiacuteas de salida hacia la tuberiacutea principal
Salida de agua
destilada caliente
Ingreso de agua
destilada friacutea
Salida de agua
destilada caliente
160
FIGURA 22 ESQUEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIA POR MEDIO DE AGUA
DESTILADA
22 Condiciones Teacutecnicas para la Activacioacuten de las Bateriacuteas de
Los Submarinos
Por lo que debe cumplirse con los programas de carga y descarga
siendo la temperatura un paraacutemetro a controlar principalmente en
el periodo de carga
Carga 10 h 590 A 5900 A-h
40 h 435 A 17400 A-h
Ingreso de agua
destilada friacutea
161
4 h Pausa
18 h 200 A 3600 A-h
Descarga 16 h 564 A
Carga aprox 31 h Carga Factor carga 125
27 Cargar 2h 200 A1h pausa
Descarga 20 h 564 A
Carga aprox 36 h Cargar IUI
TABLA 21 PROGRAMA DE CARGA ELECTRICA PARA LA ACTIVACION DE LAS
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
23 Alternativas de Solucioacuten
Los procesos de enfriamiento del agua se cuentan entre los maacutes antiguos que haya
desarrollado el hombre Por lo comuacuten el agua se enfriacutea exponiendo la superficie al aire
Algunos de estos procesos son lentos como el enfriamiento del agua en la superficie
de un estanque otros son comparativamente raacutepidos por ejemplo el rociado de agua
hacia el aire todos estos procesos implican la exposicioacuten de la superficie del agua al
aire en diferentes grados
Al enfriar agua es importante tener en cuenta consideraciones que mejoraran al modo
de enfriamiento del agua y que pueden significar un mayor rendimiento en el proceso
industrial Por esta razoacuten los meacutetodos de enfriamiento pueden ser mejorados en base a
estudios preliminares que cumplen con las normas existentes
162
El agua en estado puro no existe y dependiendo de la fuente de donde provenga
contiene un sin nuacutemero de impurezas a continuacioacuten enlistaremos solo las que nos
afectan en el tratamiento interno de los sistemas de enfriamiento
Constituyente Formula Quiacutemica
Dificultad de causa
Dureza Sales de Ca y Mg Fuente principal de incrustaciones en tuberiacuteas
Acidez mineral H2SO4
Libre HCl Corrosioacuten
Dioacutexido de carbono CO2 Corrosioacuten en las liacuteneas de agua
Sulfatos
SO4
Aumenta el contenido de soacutelidos en el agua Se combina con calcio para formar sales incrustantes de sulfato de calcio
Cloruros
Cl como NaCl
Aumento el contenido de soacutelidos e incrementa el caraacutecter corrosivo del agua
Siacutelice
SiO2
Incrustacioacuten en sistemas de agua de enfriamiento
Hierro Fe +2 ferroso
Fe +3 feacuterrico
Fuente de depoacutesitos en las tuberiacuteas
Oxigeno O2 Oxidacioacuten en tuberiacuteas
Sulfuro de hidrogeno H2S Corrosioacuten
Soacutelidos disueltos Elevadas concentraciones de soacutelidos son indeseables debido a que originan formacioacuten de lodos
Soacutelidos suspendidos Originan depoacutesitos en equipos intercambiadores de calor y tuberiacuteas ocasionan formacioacuten de lodos o incrustaciones
Microorganismos Algas limo y hongos
Formacioacuten de adherencia suciedad bioloacutegica corrosioacuten olores desagradables
TABLA 22 IMPUREZAS MAS COMUNES EN EL AGUA QUE AFECTAN LOS
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
De acuerdo a las especificaciones indicadas anteriormente
principalmente se requiere remocioacuten de calor de las bateriacuteas
163
mientras estas se encuentran en el proceso de activacioacuten en tierra
para la cual se plantea algunas alternativas de varios sistemas de
enfriamiento para posteriormente escoger la maacutes oacuteptima
231 Sistema de enfriamiento directo
Las instalaciones donde se van a colocar las bateriacuteas para ser
activadas estaacuten cerca del estero para lo cual se analizaran
ventajas y desventajas de utilizar este sistema
E-1
Agua de mar
Cuarto de
activacion de
baterias
FIGURA 23 ESQUEMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
DIRECTO
Ventajas
Se tiene agua permanente y en gran cantidad tomada desde
el estero
164
No se requiere instalaciones hidraacuteulicas complicadas
Desventajas
El agua que debe ingresar al sistema de enfriamiento de las
bateriacuteas debe ser esteacuteril pero el agua del estero contiene
cantidades apreciables de sales disueltas lo que implica el
que se tendriacutea que pensar en una planta de tratamiento de
agua
El agua caliente que sale como producto de la remocioacuten de
calor retorna al estero se presenta el problema de
contaminacioacuten teacutermica que puede ser tan grave como
cualquier otra forma de contaminacioacuten ya que el agua tibia
estimula el crecimiento anormal de algas que en cierto modo
consume el oxigeno de uso animal
232 Sistema de enfriamiento para Bateriacuteas de Submarino
utilizando Intercambiadores Enfriados por Aire
Consiste en una serie de tubos situados en una corriente de
aire que puede ser forzada con ayuda de un ventilador
Ventajas
Los tubos suelen tener aletas para aumentar el aacuterea de
transferencia de calor
165
Pueden ser de hasta 12 m de largo y 25 a 5 m de ancho
Un intercambiador de aire tiene una diferencia de
temperatura de unos 12 oC
Desventajas
En un intercambiador de calor enfriado por aire hay que
considerar gastos de enfriamiento del agua es
relativamente caro
E-1
Cuarto de activacion de
baterias
E-2
FIGURA 24 ESQUEMA DE SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
UTILIZANDO INTERCAMBIADORES ENFRIADOS POR AIRE
233 Sistema de Enfriamiento de Bateriacuteas de Submarino
Utilizando Chiller
Un Chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea
para el enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor
generado en un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que
el proceso finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su
temperatura y el agua durante el paso por el proceso la eleva
El agua ahora caliente retorna al chiller donde nuevamente se reduce su
temperatura para ser enviada nuevamente al proceso
166
Ventajas
El chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten
Alimentacioacuten al sistema con diferentes caudales y presiones y temperaturas
de agua
Alto rango de enfriamiento inclusive temperaturas de congelacioacuten con
adicioacuten de anticongelantes
Desventajas
Mantenimiento costoso ya que incluye un compresor un condensador
evaporador vaacutelvula de expansioacuten refrigerante y tuberiacuteas
Consumo de energiacutea
CHILLER
ENFRIADOR DE AGUA
DESTILADA
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
FIGURA 25 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIAS PARA
SUBMARINO UTILIZANDO UN CHILLER
234 Sistema de Enfriamiento Utilizando Intercambiador de
Calor y Torre de Enfriamiento
167
Ventajas
Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para
enfriar un fluido que esta maacutes caliente de lo deseado
transfiriendo este calor a otro fluido que esta frio y
necesita ser calentado
La transferencia de calor se realiza a traveacutes de una
pared metaacutelica o de un tubo que separa ambos fluidos
Las torres para enfriamiento de agua son dispositivos
cuya finalidad es extraer calor del agua a traveacutes del
contacto directo con el aire
Las torres tienen muacuteltiples aplicaciones desde
pequentildeas instalaciones de aire acondicionado hasta en
grandes complejos de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
Se puede decir que su uso estaacute justificado en sistemas
que utilizan agua como medio refrigerante donde sea
necesario disipar grandes cantidades de calor a bajo
costo y el salto de temperatura requerido sea del orden
de 10degC
La Armada del Ecuador proporcionara el banco de
tubos de un Intercambiador de Calor en desuso
Desventajas
Sistema ocupa mayor espacio fiacutesico
168
Tiempo de montaje relativamente largo
Sistemas sujetos a mayor corrosioacuten
Alcanza diferenciales de temperatura bajos en relacioacuten
a los otros sistemas
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
INTERCAMBIADOR
DE CALOR
AGUA DE TORRE CALIENTE (SALE
DEL INTERCAMBIADOR)
AGUA DESTILADA
CALIENTE SALE DE
BANCO DE BATERIAS
AGUA FRIA DE
TORRE ENTRA AL
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA FRIA
SALE DE
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA A
TEMPERATURA
ADECUADA (FRIA)
ENTRA A LAS BATERIAS
FIGURA 26 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO UTILIZANDO
INTERCAMBIADOR DE CALOR Y TORRE DE
ENFRIAMIENTO
24 Seleccioacuten de la Mejor Alternativa para el Sistema de
Enfriamiento de las Bateriacuteas
169
Para la seleccioacuten del sistema de enfriamiento para las bateriacuteas
de los submarinos se utilizaraacute una matriz de decisioacuten de
acuerdo a los paraacutemetros descritos anteriormente tomando en
cuenta las ventajas y las desventajas de cada sistema se ha
tomado en cuenta para esta operacioacuten los paraacutemetros maacutes
significativos en el proceso de la solucioacuten del problema
asignando a cada uno un porcentaje de acuerdo a la
importancia que este brinda para escoger la solucioacuten
Para ingresar a la matriz a las alternativas se les reconoceraacute
con sus iniciales
Sistema de enfriamiento directo SED
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador
enfriado por aire
SEIEA
Sistema de enfriamiento utilizando chiller SECh
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador de
calor y Torre de enfriamiento
SEICTE
170
Paraacutemetros
1 Costos de los sistemas de enfriamiento 3
2 Mantenimiento de equipos 4
3 Cumple con especificaciones y requerimientos de la
propuesta 2
4 Facilidad para adquisicioacuten de equipos 3
5 Durabilidad del sistema 1
1 2 3 4 5 Total
3 4 2 3 1
SED 25 2 0 15 05 65
SEIEA 15 10 10 10 05 50
SECh 05 10 10 10 10 45
SEICTE 15 15 15 15 10 70
TABLA 23 MATRIZ DE DECISION
De acuerdo a la matriz de decisioacuten planteada la solucioacuten maacutes
adecuada es la propuesta del sistema de enfriamiento con
intercambiador de calor y torre de enfriamiento
Existen varias torres de enfriamiento que se podriacutean adaptar al
sistema a continuacioacuten se mencionaran cada una de estas para
seleccionarla de por medio de otra matriz de decisioacuten
171
25 Torres de Enfriamiento y su Clasificacioacuten
251 Torres de circulacioacuten natural
Estas no hacen uso de ventiladores para la circulacioacuten de aire se clasifican en
torres atmosfeacutericas
torres de tiro natural
Torres atmosfeacutericas
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Utilizan las corrientes de aire de la atmoacutesfera (son de flujo cruzado)
2 Son abiertas
3 Deben instalarse en lugares muy despejados de forma que ninguacuten obstaacuteculo
pueda impedir la libre circulacioacuten de aire a traveacutes de la torre
4 Tienen un costo inicial alto debido a su gran tamantildeo pero el costo de
mantenimiento es reducido al no existir partes mecaacutenicas moacuteviles
5 Se debe garantizar que funcionaraacute habitualmente expuesta a vientos de
velocidades iguales o superiores a los 8 kmh
6 Si la velocidad promedio del viento es baja los costos fijos y de bombeo
aumentan mucho en relacioacuten a una torre de tiro mecaacutenico y no compensan el
ahorro del costo de ventilacioacuten Actualmente las torres atmosfeacutericas estaacuten en
desuso
172
Torres de tiro natural
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno
2 La diferencia de densidades entre el aire huacutemedo caliente y el aire atmosfeacuterico
es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a traveacutes de la torre
3 La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el
viento que circula por la parte superior de la chimenea tambieacuten ayuda a
establecer el flujo de aire
4 Son altas y deben tener una seccioacuten transversal grande para facilitar el
movimiento del aire ascendente
5 Tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes
caudales de agua
6 Al igual que las torres atmosfeacutericas no tienen partes mecaacutenicas
7 La velocidad media del aire a traveacutes de la torre suele estar comprendida entre 1
y 2 ms
8 No es posible conseguir un valor de acercamiento pequentildeo y es muy difiacutecil
controlar exactamente la temperatura del agua
9 En las torres de tiro -natural no se pueden utilizar rellenos de gran compacidad
debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo maacutes pequentildea posible
10 Estas torres son muy utilizadas en centrales teacutermicas muy pocas veces son
aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversioacuten inicial necesaria
252 Torres de tiro mecaacutenico
1 Proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado
2 Son torres compactas con una seccioacuten transversal y una altura de bombeo
pequentildeas en comparacioacuten con las torres de tiro natural
3 Valores de acercamiento muy pequentildeos (hasta de 1 a 2 ordmC aunque en la
praacutectica acostumbra a ser de 3 a 4 ordmC)
4 Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire el tiro es forzado
173
5 Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire se habla de tiro
inducido
Torres de tiro forzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre
2 Son casi siempre de flujo a contracorriente
3 Son maacutes eficientes que las torres de tiro inducido puesto
que la presioacuten dinaacutemica convertida a estaacutetica realiza un
trabajo uacutetil El aire que se mueve es aire friacuteo de mayor
densidad que en el caso de tiro inducido
4 El ventilador trabaja con aire friacuteo y no saturado
5 El equipo mecaacutenico tendraacute una duracioacuten mayor que en el caso de tiro inducido
6 El inconveniente radica en la posibilidad de recirculacioacuten del
aire de salida hacia la zona de baja presioacuten creada por el
ventilador en la entrada de aire En la siguiente figura se
puede observar la distribucioacuten de sus partes constituyentes
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
174
Flujo de aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 27 TORRE DE ENFRIAMIENTO DE TIRO FORZADO
Torres de tiro inducido
Estas torres son de gran importancia a nivel industrial son solucioacuten econoacutemica
a los requerimientos de enfriamiento pueden ser de dos tipos
De flujo a contracorriente
De flujo cruzado
Torres de tiro inducido y flujo a contracorriente
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Tanto el agua como el aire van en la misma direccioacuten pero en
sentidos opuestos
2 El agua maacutes friacutea se pone en contacto con el aire maacutes seco
lograacutendose un maacuteximo rendimiento
3 El aire puede entrar a traveacutes de una o maacutes paredes de la torre
4 Altura de entrada de aire reducida en comparacioacuten con las de tiro
inducido y flujo cruzado Existe el riesgo de arrastre de suciedad y
cuerpos extrantildeos dentro de la torre debido a la velocidad de
entrada de aire
5 La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se
traduce en un aumento de la potencia de ventilacioacuten en
comparacioacuten con otras torres En la siguiente figura se observa la
distribucioacuten de las partes constituyentes de este tipo de torre
175
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Ducto de salida de aire
Ventilador
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
Bandeja colectora de agua friacutea
Agua friacutea
Acceso de aire friacuteo no saturado
FIGURA 28 TORRE DE FLUJO A CONTRACORRIENTE Y TIRO
INDUCIDO
Torres de tiro inducido y flujo cruzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
176
1 El aire circula en direccioacuten perpendicular respecto al
agua que desciende
2 Tienen una altura menor que las torres de flujo a
contracorriente ya que la altura total de la torre es
praacutecticamente igual a la del relleno Pero su
diaacutemetro o seccioacuten transversal es relativamente
mayor a las de tiro inducido y flujo a contracorriente
3 El mantenimiento de estas torres es menos
complicado que en el caso de las torres a
contracorriente
4 Facilidad de inspeccioacuten de los distintos
componentes internos de la torre
5 La principal desventaja de estas torres es que no
son recomendables para aquellos casos en los que
se requiera un gran salto teacutermico y un valor de
acercamiento pequentildeo puesto que ello significaraacute
maacutes superficie transversal y maacutes potencia de
ventilacioacuten que en el caso de una torre de flujo a
contracorriente
En la siguiente figura se observan sus partes
177
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Depoacutesito
surtidor de agua caliente
Aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 29 TORRE DE FLUJO CRUZADO Y TIRO INDUCIDO
253 Especificacioacuten del Tipo de Torre de Enfriamiento a Usarse
Para seleccionar el tipo de torre de enfriamiento adecuado empleo una matriz de
decisioacuten en la que en la primera fila pondero al costo inicial costo de operacioacuten
tamantildeo compacto facilidad de mantenimiento y sobre todo al espacio requerido
para el montaje como las caracteriacutesticas requeridas para solucionar el problema
Las alternativas de solucioacuten son las 5 clases de torre de enfriamiento a las que
asigno una jerarquiacutea del 1 al 10 en funcioacuten de las caracteriacutesticas dadas en la
anterior clasificacioacuten de las torres de enfriamiento
De la sumatoria de los valores resultantes de la multiplicacioacuten de ponderacioacuten y
jerarquiacutea de cada tipo de torre se elegiraacute al tipo que posea mayor resultado
178
TABLA 25 MATRIZ DE DECISION PARA SELECCIONAR EL TIPO DE TORRE
Es evidente que la mejor opcioacuten es el tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico
y flujo a contracorriente Esto debido a que comparativamente tiene menor tamantildeo
y aacuterea de montaje requerido aunque no posea los menores costos iniciales y de
operacioacuten tal es el caso del tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico forzado
Esta es relativamente maacutes difiacutecil de limpiar y realizar su montaje razoacuten por la que
se descarta
179
CAPITULO 3
3 ANALISIS TEacuteRMICO
31 Descripcioacuten del Sistema
A partir de la figura 26 implica algunos anaacutelisis para el disentildeo del sistema de enfriamiento y es asiacute
que
Las bateriacuteas como se indico en los requerimientos del sistema van a ser cargadas 120 a la vez esto se
lo va a realizar en el galpoacuten asignado por el personal encargado del proyecto por parte de la Armada
del Ecuador
En este sitio tiene capacidad para almacenar 240 bateriacuteas como se vio en los requerimientos
eleacutectricos las bateriacuteas tienen periodos de tiempo de carga y descarga por lo que se requiere realizar
primeramente un disentildeo de un sistema que permita enfriar primeramente a 120 bateriacuteas por un tiempo
y en el periodo de descarga llevar a cargar las 120 bateriacuteas que se encuentran a continuacioacuten
180
FIGURA 31 DISPOCISION DE LAS BATERIAS EN EL CUARTO DE ACTIVACION
Para ello se disentildeo un sistema moacutevil que consta de parrillas suspendidas en ruedas en esta parrilla se
colocara las tuberiacuteas de circulacioacuten de agua destilada friacutea y saldraacute de las bateriacuteas agua destilada
caliente se indica esta disposicioacuten en el Plano 1 la parte del disentildeo de la estructura moacutevil no seraacute
parte de esta tesis
FI
GURA 32 DISPOSICION DE TUBERIA
FIGURA 33 SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO
181
FIGURA 34 DISPOSICION DE BATERIAS EN CUARTO DE ACTIVACION CON SISTEMA DE
DESPLAZAMIENTO
FIGURA 35 SISTEMA MOVIL PARA LLEVAR FLUIDO DE ENFRIAMIENTO A LAS BATERIAS
CONSTRUIDO
182
Una vez que se ha descrito el sistema el cual va a llevar el agua destilada para el enfriamiento de las
bateriacuteas se tiene que describir el sistema de enfriamiento en si del agua destilada para ello la Armada
del Ecuador doto de un intercambiador de calor que por el interior circulara agua destilada caliente para
que por su exterior circule agua friacutea proveniente de la torre de enfriamiento cerrando de esta manera el
circuito cabe notar que el intercambiador de calor es del tipo tubo coraza pero el intercambiador
adquirido no posee su coraza
Antes de hacer el disentildeo se hizo un anaacutelisis de la factibilidad de construir este sistema en nuestro
medio se consulto en el mercado el costo de una torre de enfriamiento adquirida en una empresa
importadora de estos equipos frente al anaacutelisis de una torre que se pueda construir en ERMARLO SA
resultando maacutes conveniente la construccioacuten de la torre y el acondicionamiento en el sistema de
enfriamiento este anaacutelisis se demostrara en el capiacutetulo de costos
32 Datos de Operacioacuten
A) FLUJO
1) Agua destilada
15 m3h
2) Agua de mar
15 m3h
B) PRESION
1) Agua destilada
25 kgcm2
2) Agua de mar
de la torre
C) TEMPERATURA DE
ENTRADA
183
1) Agua destilada
38 0C
2) Agua de mar
28 0C
D) TEMPERATURA DE
SALIDA
1) Agua destilada
3310C
2) Agua de mar
329 0C
E) DATOS DEL AIRE
1) Temperatura de bulbo seco
322 0C
2) Temperatura de bulbo
huacutemedo 788
33 Consideraciones del
Sistema
El sistema se instalara en un
patio al aire libre
El intercambiador de calor
debe permitir facilidades de limpieza y mantenimiento
El agua a usarse para la
torre seraacute agua potable
184
La velocidad del viento en Guayaquil es variable asiacute que el disentildeo de la torre no debe
depender de la velocidad del viento
El intercambiador de calor
dotado por parte de la Armada del Ecuador del tipo de haz de tubos y coraza este
dispositivo no posee la coraza
Para lo cual el
intercambiador de calor se analizara sumergiendo eacutel en la piscina de la torre de
enfriamiento esta disposicioacuten arrancara calor de los tubos del intercambiador para por el
meacutetodo de conduccioacuten teacutermica pasar calor al agua de la torre y hacerla circular
El agua destilada y el agua
de la torre no deben mezclarse
FIGURA 36 DISENO DE FORMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
185
34 Seleccioacuten del
Intercambiador de Calor
Un intercambiador de calor es un dispositivo que efectuacutea la transferencia de calor de un fluido a otro
que se encuentran a diferentes temperaturas y separados por una frontera solida
En forma muy general se pueden clasificar los intercambiadores de calor de acuerdo al tipo de
superficie
FIGURA 36 INTERCAMBIADOR DE HAZ DE TUBOS
186
En la primera etapa se toman en cuenta consideraciones referidas al tipo de intercambio de calor que
se produce En la segunda etapa se obtienen las propiedades de los fluidos en funcioacuten de las variables
conocidas y se calcula el coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A En la tercera etapa se elige
un intercambiador adecuado para este servicio teniendo en cuenta el coeficiente global U el aacuterea de
intercambio A y las caracteriacutesticas de los fluidos y de las corrientes En la cuarta se vuelve a calcular el
coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A Si no coinciden con el intercambiador previamente
elegido se vuelve al paso tres Si coinciden se da por terminado el proceso [2]
341 Meacutetodo F ndash LMTD para Seleccionar el Intercambiador de Calor
El balance de energiacutea da como resultado
[Energiacutea perdida por el flujo caliente]= [Energiacutea ganada por el flujo friacuteo]
O bien
mh ch(Thi ndash Th0) =mc cc(Tci ndash Tc0) Ec1
Donde
m h Flujo maacutesico del fluido caliente
c h Calor especiacutefico del fluido caliente
Thi Temperatura de entrada del fluido caliente
T h0 Temperatura de salida del fluido caliente
m c Flujo maacutesico del fluido friacuteo
c c Calor especiacutefico del fluido friacuteo
T c i Temperatura de entrada del fluido friacuteo
T c0 Temperatura de salida del fluido friacuteo
El producto (mc) aparece con frecuencia en el anaacutelisis de intercambiadores de calor y
es denominado Capacidad caloriacutefica C
C (mc)
Existen dos metodologiacuteas de anaacutelisis teacutermico de intercambiadores de calor
187
1 Meacutetodo F-LMTD
2 Meacutetodo - NTU
A continuacioacuten se presentara el anaacutelisis F-LMTD para la seleccioacuten del intercambiador de
calor
FIGURA 37 DISTRIBUCION DE TEMPERATURAS EN UN INTERCAMBIADOR DE
DOBLE TUBO EN TUBO PARALELO[1]
Se propone calcular el flujo de calor mediante
Ec 2
Donde
q Flujo de calor [W]
U Coeficiente global de transferencia de calor [Wm2K]
A Aacuterea de transferencia de calor consistente con U
Diferencia de temperatura media
188
En la figura 37 se muestra la historia de las temperaturas de los fluidos friacuteos y calientes
de este modo un balance de energiacutea nos da como resultado
Ec 3
Incorporando la capacidad caloriacutefica y arreglando la ecuacioacuten tenemos
= Ec4
Ec5
Restando ambas ecuaciones
Ec6
Sustituyendo la expresioacuten de calor expresada por
Ec7
Se obtiene la siguiente ecuacioacuten diferencial
Ec8
Integrando la ecuacioacuten anterior entre el punto 1 y el 2 se obtiene
Ec9
Si
Ec10
Ec 11
De manera que sustituyendo las ecuaciones anteriores en la ecuacioacuten previamente
integrada S
189
Ec12
Que al despejar de la ecuacioacuten anterior q se tiene
Ec13
De la uacuteltima ecuacioacuten se reconoce
Donde LMTD son las siglas en ingles de Logarithm Mean Temperature Difference
(Diferencia de temperatura logariacutetmica media)
Esta ecuacioacuten se aplica la misma expresioacuten para LMTD tanto en flujo paralelo como en
contra corriente[1]
Asignacioacuten de flujos
Las reglas aplicables para determinar que fluido va por el casco y cual por los tubos son
1- El fluido a mayor presioacuten va en los tubos
2- El fluido maacutes corrosivo va en los tubos
3- Los fluidos maacutes sucios van en los tubos
4- El fluido con menor peacuterdida de presioacuten va en el casco
5- El fluido a condensar en el casco
Diagramas Teacutermicos
Un diagrama teacutermico es la representacioacuten de la temperatura de las corrientes en funcioacuten
del calor transferido o de la longitud Si existe cruce de temperaturas seraacute necesario
utilizar varios intercambiadores en serie
Diferencia de temperatura media corregida
La diferencia media de temperaturas MTD en un intercambiador de calor de tubo coraza
es la diferencia media logariacutetmica de temperaturas multiplicada por un factor F
MTD = F LMTD Ec 14
De la ecuacioacuten 13 tenemos que
190
= Ec15
Siendo T temperatura de fluido caliente t temperatura de fluido frio
1 entrada 2 salida
El factor F se obtiene de las graficas que se daraacuten en el apeacutendice 1 Un valor de F lt 08
no es admisible por disentildeo hay que calcular P y R seguacuten las condiciones
Ec 16
Ec17
SELECCIOacuteN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Se tiene que obtener primeramente el calor removido por el intercambiador de calor para
lo cual se utilizara la ec1
q=mhch∆T Ec 11
Ch=1BTUlb 0F
∆T=88 0F
mh=Qρ Ec 12
donde
Q=15 m3h = 5297 ft
3h
ρ=6199 lbft3 Para 100
oF (ver anexo 1)
Sustituyendo en la ec12
mh=5297 ft3h6199 lbft
3 = 32836103 lbh
por lo tanto sustituyendo valores en la ec 12
q=27182539 BTUh
q=796599 W
191
Con los datos suministrados se seleccionara el intercambiador de calor adecuado
Thi = 1004
T h0 = 9158
m c = 15 h = 6605 GPM
T c i = 824
T c0 = 912
q = 27182539 BTUh
U = 150 BTUpie2
obtenido de la tabla 31
TABLA 31 ESCALA DE PRESION Y VALOR U PARA TIPOS DE
INTERCAMBIADORES DE CALOR[16]
De la Ec 2 obtenemos el aacuterea de transferencia del intercambiador
Ec 18
192
MTD = LMTD F diferencia de temperaturas medias corregidas
LMTD = 918 este valor es obtenido de la Ec 15
Para encontrar el factor de correccioacuten F utilizamos el Apeacutendice C Ingresando los valores
P y R dadas en las ecuaciones 16 y 17 obtenemos
P = 055
R = 117
F = 09
Por lo tanto
MTD = 918 09 = 82
Por la Ec 18 el aacuterea de transferencia de calor es
A = 2209 pie2 = 2052 m
2
Para calcular el nuacutemero de tubos del intercambiador tubo coraza se plantea la siguiente
ecuacioacuten
Ec 19
ardquo es un factor obtenido para el tubo frac34 obtenido del Apeacutendice E y es 0193 piepie2
por
el aacuterea de disponibilidad donde se construiraacute el sistema tiene una longitud de 8 pie
Por lo tanto el nuacutemero de tubos requeridos para el intercambiador de calor es
Nt = 14072 tubos de frac34rdquo
193
TABLA 32 AREA TRANSVERSAL DE FLUJO Y SUPERFICIE PARA
INTERCAMBIADORES DE CALOR [16]
35 Uso de Software para
Seleccioacuten de Intercambiador de Calor
En este punto se pretende realizar un anaacutelisis comparativo de los resultados obtenidos
mediante el meacutetodo analiacutetico frente al uso de un software mediante el cual se
seleccionara el intercambiador de calor requerido para el sistema de enfriamiento que se
trata
El software que se utilizara es el ESP ndash PLUS V 20 HEAT EXCAHANGER este software
daraacute como resultados el tipo de intercambiador de calor que existe comercialmente
FIGURA 38 VENTANA DE INICIO DEL PROGRAMA
194
FIGURA 38 VENTANA DE SELECCIOacuteN DE TIPO DE INTERCAMBIADOR A UTILIZARSE Y LOS
TIPOS DE FLUIDOS
195
FIGURA 39 VENTANA INGRESO DE DATOS TANTO PARA INTERCAMBIADOR COMO PARA EL
FLUIDO CIRCUNDANTE DA COMO RESULTADO LA TAZA DE FLUJO EN GPM
196
FIGURA 310 SE INTRODUCE LOS DATOS DE MATERIALES DEL INTERCAMBIADOR DE
CALOR
197
FIGURA 311 VENTADA EN LA QUE SE INTRODUCE DATOS DE LONGITUD DEL
INTERCAMBIADOR PRESION INTERNA EN LOS TUBOS Y FACTOR DE FRICCION DENTRO DE
LOS TUBOS
198
FIGURA 312 VENTANA RESULTADOS EN LA PRESION DE DISENO MATERIAL DE TAPAS
DEL INTERCAMBIADOR MATERIAL DE LOS TUBOS Y TUBERIA DE INGRESO AL MATERIAL
199
FIGURA 313 VENTANA DE RESULTADOS
200
FIGURA 314 VENTANA DE RESULTADOS
De acuerdo a este software el intercambiador que se va a seleccionar es el WU16 7 ndash 2 4 que es la
denominacioacuten comercial del constructor ITT Bell amp Gosset creador de este software
La denominacioacuten WU 16 7 ndash 2 4 cada letra y nuacutemero tiene su significado teacutecnico que a continuacioacuten se
detalla
WU Serie de intercambiador de calor
16 Diaacutemetro de la coraza del intercambiador en unidades inglesas
7 Longitud de tubo
2 Numero de pasos del intercambiador de calor
201
4 Espaciamiento de bafles
Al realizar el anaacutelisis comparativo con los meacutetodos de seleccioacuten se tiene que por el meacutetodo analiacutetico se
tiene un aacuterea de 221 ft2 frente al software que nos arroja un aacuterea de 274 ft
2 este valor diferencia
notoriamente a que la seleccioacuten del factor U en el meacutetodo analiacutetico se lo selecciono 150 BTUpie2
el
software utiliza y factor de 137 BTUpie2
notando este paraacutemetro relativamente la diferencia de aacuterea
de los dos anaacutelisis serian casi indiferentes con lo que estariacuteamos en capacidad de decidir si el
intercambiador dotado por la Armada Nacional esta dentro de los paraacutemetros requeridos dado que este
consta de 160 tubos en disposicioacuten triangular dando un aacuterea de transferencia de calor de 24707 ft2
certificando de esta manera que el intercambiador que se posee entra en el rango requerido para el
sistema por lo tanto se lo utilizara para el proceso requerido de enfriamiento del fluido caliente extraiacutedo
del banco de bateriacuteas que estaacuten en el proceso de activacioacuten
FIGURA 315 DISPOSICIONES DEL HAZ DE TUBOS [9]
Los resultados obtenidos del software se presentaran en el Anexo 3
36 Disentildeo de la Torre de
Enfriamiento
El proceso de termotransferencia que se produce en una torre para
enfriamiento de agua cualquiera fuese su tipo es el resultado de la
202
interaccioacuten entre el medio gaseoso refrigerante (aire) y el fluido a
enfriar (agua)
En las torres el agua se encuentra en contacto directo con el aire que
la enfriacutea y el proceso de transferencia de calor se realiza en parte por
intercambio de calor sensible entre la fase liacutequida y la gaseosa pero
en mayor medida por la formacioacuten de vapor de agua en la interfase
liacutequidogas y su posterior difusioacuten en el aire que la circunda
El proceso de transferencia de masa entre el liacutequido y el aire estaacute
iacutentimamente conectado con el de transferencia de calor En efecto
con el cambio de fase desde liacutequido a vapor se absorbe calor lo cual
da lugar a gradientes de temperatura en el aire adyacente a la
superficie liacutequida En muchos casos praacutecticos las condiciones en
que se desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse
que la difusividad teacutermica y el coeficiente de difusioacuten maacutesico son
iguales
203
FIGURA 316 IDEALIZACION DEL FENOMENO DE
TRANSFERENCIA [10]
361 Fundamento del Enfriamiento por Evaporacioacuten
El principio fundamental en que se basa el enfriamiento del
agua por evaporacioacuten es en el que el agua para transformarse
en vapor necesita calor (calor latente de vaporizacioacuten) cuyo
valor el alrededor de 1000 BTU lb de agua evaporada valor
que pone en manifiesto que pequentildeas cantidades de agua
evaporada producen altos efectos de enfriamiento
Este calor es tomado principalmente del liacutequido remanente lo
que produce un descenso de su temperatura
La evaporacioacuten se produce poniendo en contacto directo agua
caliente con aire atmosfeacuterico ambiente de humedad relativa
204
baja en dispositivos especiales que variacutean en complejidad
desde piscinas o lagunas abiertas hasta las torres de
enfriamiento de tiro mecaacutenico
Cuando se requiere enfriar raacutepidamente y continuamente
grandes cantidades de agua las torres de enfriamiento son las
teacutecnicas maacutes ventajosas y su funcioacuten principal es la de reducir
la temperatura del agua circulante a los valores maacutes
adecuados seguacuten el tipo de operacioacuten que tenga
Baacutesicamente el funcionamiento de una torre de enfriamiento
convencional es el siguiente
El agua caliente llega por tuberiacuteas a un distribuidor situado en la
parte superior de la unidad a una temperatura Tho luego es
distribuida en forma de pequentildeas gotas a traveacutes de una
instalacioacuten compleja de material de relleno de diferentes tipos y
calidades variando desde madera incorruptible materiales de
fribrocemento PVC ceraacutemica etc los cuales son ubicados en
forma de mallas o enrejados que dispersan la corriente
descendente del liquido y de esta forma obtener una aacuterea
maacutexima de transferencia con el aire atmosfeacuterico el cual entra
por parte inferior de la torre con una temperatura Tci de bulbo
205
seco y una humedad absoluta Yrsquo1 expresada en lb de vapor de
agua lb de aire seco
362 Caacutelculos
Datos para realizar el caacutelculo de la torre de enfriamiento
Flujo a ser enfriado L
66 GPM
Calor removido por el
intercambiador q 27182539 BTUh
Temperatura que
sale del intercambiador de calor para entrar en la torre tL2
9120 0F
Temperatura del
agua requerida luego del enfriamiento en la torre de
enfriamiento tL1 8240 0F
Temperatura de
bulbo huacutemedo tbh 7880 0F
Temperatura de
bulbo seco del aire que entra tG1 7900 0F
Temperatura del
agua de la tuberiacutea de alimentacioacuten a la torre de enfriamiento
tm 8500 0F
206
Con los datos suministrados se desea obtener los siguientes valores
a Valor teoacuterico del coeficiente total de transferencia de masa Kya
b Calculo de la seccioacuten transversal de la torre A
c Calculo del flujo de aire que circula por la torre Gs
d Calculo de la zona empaquetada Z
e Calculo de agua de compensacioacuten M
Para realizar el disentildeo de la torre de enfriamiento se debe seguir
ciertos pasos que daraacuten la pauta para disentildear una torre de
enfriamiento para cualquier necesidad o requerimiento
1 Capacidad de la
Torre de Enfriamiento
q=27182539 BTUh
Este es el calor que remueve el intercambiador de calor y que
es transmitido al agua de la torre
La capacidad de la torre se mide en Toneladas de
Refrigeracioacuten TR que es una unidad de potencia
207
Es asiacute que se tiene las siguientes relaciones para poder saber
en teacuterminos de TR la capacidad de disentildeo para la torre de
enfriamiento
1TR=3517 W = 3024 Kcalh = 3024 Frigh Ec 20
De donde
27182539 BTUh 1 TR12000 BTUh = capacidad de la torre
Capacidad de la torre = 2262 TR
Flujo especifico Lrsquo
L es flujo de agua y Lrsquo es el flujo especifico de agua que se en
encuentra en la figura 318 este valor se encuentra en
funcioacuten del rango de enfriamiento del agua (Tho ndash Thi) y la
temperatura de bulbo huacutemedo Tbh
FIGURA 317 FLUJO ESPECIFICO Lrsquo [7]
208
El valor de flujo especifico de agua que nos da la figura 317
es Lrsquo=20 galmin ft2
L= 66 GPM
Datos para las condiciones de disentildeo de la torre de
enfriamiento
E-1
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
AIREAGUA
q=27182539 BTUh
L=33000 lbh
tL2=9120 FHrsquo2=
Yrsquo2=
tL1=8240 F
Gs=
tG1=79 F
Tw1=788 F
Yrsquo1=002
Hrsquo1=
tM=85 F
M(lbh)
FIGURA 318 DIAGRAMA DEL SISTEMA PARA EL
DISENtildeO
209
Anaacutelisis de la curva de equilibrio
La teoriacutea del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento es la
que desarrolloacute el Dr Merkel Se basa en la diferencia del potencial de entalpiacutea
entonces se supone que cada partiacutecula de agua estaacute rodeada por una peliacutecula de
aire y que la diferencia de entalpiacutea entre la misma y el aire circundante
proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento
A continuacioacuten se ilustran las relaciones del agua aire y el potencial impulsor que
existe en una torre de contra flujo
FIGURA 319 RELACIONES DE AGUA Y AIRE DE UNA TORRE A
CONTRA FLUJO [25]
De la figura anterior la operacioacuten del agua estaacute representada por la liacutenea AB y se
especifica por medio de las temperaturas del agua de la torre en la entrada y
salida La liacutenea de operacioacuten del aire inicia en C verticalmente por debajo de B y
en un punto que tiene una entalpiacutea correspondiente a la temperatura de entrada
de bulbo huacutemedo La liacutenea BC representa la fuerza impulsora inicial (hrsquo- h) El
aire que sale de la torre se representa por medio del punto D y la gama de
210
enfriamiento es la longitud proyectada de la liacutenea CD sobre la escala de
temperaturas
Resumiendo la teoriacutea del Dr Merkel como se observa en la figura 319
considera el flujo de masa y energiacutea del agua a la interfase y de la interfase a la
masa gaseosa Cuando el flujo cruza estas dos fronteras cada una ofrece una
resistencia a la transferencia de materia y energiacutea que resulta en gradientes de
temperatura entalpiacutea y de humedades
El Dr Merkel demostroacute que
Q = KS(hw - ha) Ec21
S = aV Ec22
Donde
Q Calor total transferido en Btuh oacute kJh
K Coeficiente total de transferencia en lbh pie2 oacute kgh m
2
S Aacuterea de transferencia en pie2 oacute m
2 caracteriacutestica fiacutesica
a Aacuterea de transferencia equivalente por unidad de volumen 1pie oacute 1m
V Volumen efectivo de la torre pie3 oacute m
3
hw Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura del agua Btulb oacute kJkg
ha Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura de bulbo huacutemedo Btulb oacute kJkg
Existen paraacutemetros citados en la Ec21 que no son constantes tanto entalpiacuteas
como temperaturas cambian a lo largo de la torre luego derivaacutendola
dQ = d[KS(hw-ha)] = K(hw-ha)dS Ec23
Para la transferencia de calor del lado del agua
Q = CwL(thw ndash tcw) Ec24
dQ = CwLdtw Ec25
211
donde
Cw Calor especiacutefico del agua kJ(kg ordmK) BTUlb F
L Flujo maacutesico del agua que ingresa a la torre kgs lbh
tw Temperatura del agua en contacto con el relleno ordmK 0F
thw Temperatura del agua caliente que ingresa a la torre ordmK 0F
tcw Temperatura del agua friacutea que sale de la torre ordmK 0F
Para la transferencia de calor del lado del aire
Q = G(hoa ndash hia) Ec26
dQ = Gdha Ec27
Donde
G Flujo maacutesico del aire que ingresa a la torre lbh oacute kgs
hia Entalpiacutea de mezcla gaseosa que ingresa a la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
hoa Entalpiacutea de mezcla gaseosa que sale de la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
Haciendo uso de las ecuaciones 23 25 y 27 se puede obtener el calor total por
medio de las siguientes ecuaciones
K(hw-ha)dS = CwLdtw Ec28
K(hw-ha)dS = Gdha Ec29
Que se puede rescribir de la siguiente manera
aw
a
hh
dhGdSK
Ec30
aw
ww
hh
dtC
L
dSK
Ec31
Integrando las Ecuaciones 30 y 31 se tiene
hoa
hia aw hh
dh
L
G
L
KaV
L
KS Ec32
212
thw
tcw aw
ww
hh
dtC
L
KaV
L
KS Ec33
ldquoAl teacutermino KaVL se lo denomina la caracteriacutestica de la torrerdquo
La curva caracteriacutestica es utilizada para determinar el buen funcionamiento de la
torre KaVL es una medida del grado de dificultad para los requerimientos de
enfriamiento del liquido Esta curva tambieacuten puede llamarse ldquoCurva de
Requerimientos de Disentildeordquo puesto que es una medida del grado de dificultad para
alcanzar los requerimientos de disentildeo
2 Calculo de la
humedad absoluta Yrsquo1y entalpia del aire entrando Hrsquo1
para la temperatura tbh
De la carta psicomeacutetrica que se encuentra en el Apeacutendice H
se puede construir la siguiente tabla mostrada en la tabla 33
esta tabla nos indica valores de entalpias y humedades para
mezclas de aire ndash agua a 147 lbplg2
Interpolando se obtiene valores para
Yrsquo1=0022 lb de vapor de agualb de aire seco
De las relaciones psicomeacutetricas para el sistema aire ndash agua
se obtiene que
Hrsquo1= (024+045Yrsquo1)(tG1 - 32) + 10758 Yrsquo1 Ec 34
213
Hrsquo1= 249 BTUlb de aire seco
Con los datos de las temperaturas entalpias encontradas se
puede construir el diagrama de operacioacuten para esta torre de
enfriamiento representada en la figura 320 con los valores
de entalpia de la mezcla aire ndash vapor de agua como
ordenadas y los valores de temperatura como abscisas aquiacute
se representa la curva de entalpia para el aire saturado dado
en la carta psicomeacutetrica H la cual es construida con los datos
de la tabla ubicada en el Apeacutendice H
Para obtener la liacutenea de operacioacuten sobre este diagrama se
ubica el punto N que representa las condiciones de entrada
de la torre esto es tL1=8240 0F y Hrsquo1= 249 BTUlb de aire
seco
La liacutenea de operacioacuten pasara por el punto N y terminara en
alguacuten punto sobre la ordenada trazada por el punto
tL2 = 91200F Para el miacutenimo valor de Gs la liacutenea de
operacioacuten tendraacute la mayor pendiente y tocara
tangencialmente a la curva de equilibrio por lo tanto pasara a
traveacutes del punto Orsquo en donde Hrsquo2= 52 BTU por lb de aire seco
214
Seguacuten lo anterior la pendiente de la liacutenea OrsquoN seraacute por lo
tanto
L CGs min = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1 Ec35
=
Gs min = 1071586 lb de aire seco h
Para que la torre no sea muy alta se considera 15 veces Gs
min
Gs real = 15 1071586 lb de aire seco h
Gs real = 1607380 lb de aire seco h
Una vez determinado el valor Gs real se puede hallar el valor
de la relacioacuten de flujos liacutequido ndash aire
L Gs real = 33000 lbh 1607380 lbh
L Gs real = 205
Como ya se tiene el valor de la pendiente de la liacutenea de
operacioacuten LG que se va a utilizar para el disentildeo faltariacutea
determinar el valor de la ordenada del punto de interseccioacuten
entre la liacutenea de operacioacuten y la vertical trazada por el punto
tL2=912 0F
215
Calculo de la entalpia del aire que sale Hrsquo2
De la ec22 tenemos que
L CGs real = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1
Despejando el valor Hrsquo2 se tiene
Hrsquo2 = (L CGs real (t L2 ndash t L1)) + Hrsquo1
Hrsquo2 = 4294 BTUlb de aire seco
Con los valores obtenidos se puede representar el punto O y
finalmente la liacutenea de operacioacuten seraacute la liacutenea ON
representada en la figura 320
216
FIGURA 320 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE
ENFRIAMIENTO DEL AGUA
3 Calculo de la altura de la
zona empaquetada Z
Utilizando el teacutermino KaVL que nos representa la ldquoCurva de Requerimientos de
Disentildeordquo dado en al ec 33 se procede a calcular la altura de la zona empaquetada
=
Para determinar el valor del integral de la ecuacioacuten propuesta
el cual puede ser calculado por tres formas
a Analiacuteticamente si se conoce la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo
b Integracioacuten grafica
c Integracioacuten numeacuterica
Como se tiene la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo dado en la figura 320 se
usara el meacutetodo de integracioacuten numeacuterica a intervalos de 2 0F
t H Hrsquo H ndash Hrsquo (H ndash Hrsquo)2 At(H ndashHrsquo)2
80 251 185 66
82 272 2217 503 58 034
84 323 2703 527 515 038
217
86 375 3109 641 584 034
88 415 3480 67 655 030
90 487 4120 75 710 028
92 542 4480 94 845 023
= 187
TABLA 33 VALORES DE ENTALPIA
= 187
El valor de kya se obtiene de la tabla 34 interpolando entre
los valores de L 500 ndash 1000 y G 250 por lo tanto tenemos un
Kya=347
Lrsquo=2GPM =`1000 lb de aguah ft2
Por lo tanto el valor de Z es
Z = 538 ft = 163 m
218
TABLA 34 CARACTERISTICAS DE HUMIDIFICACION [4]
4 Calculo de la
Cantidad de Agua de Compensacioacuten M
Realizando un balance de entalpias de acuerdo a la figura
318 se tiene
q + M Cw (tM ndash t0) = Gs (Hrsquo2 ndash Hrsquo1) Ec336
donde
q = 27182539 BTUh
Cw = 1 BTUlb 0F
tM = 85 0F
t0 = 32 0F
Hrsquo2 = 4294 BTU lb de aire seco
219
Hrsquo1 = 2490 BTUlb de aire seco
Reemplazando valores se tiene
27182539 + M (53) = Gs (1804)
De donde
M = Gs(1804) - 27182539 53 Ec 336-1
Haciendo un balance de liquido de acuerdo a la figura 318 se
tiene
M = Gs(Yrsquo2 ndash Yrsquo1) Ec337
Yrsquo2 no es conocido para determinarlo es necesario asumir
que el aire que sale de la torre estaacute saturado y su humedad
Yrsquo2 deberaacute ser la del aire saturado para Hrsquo2 = 4294 BTU lb
de aire seco
Entrando a la curva psicomeacutetrica dada en el Apeacutendice H se
tiene que
Yrsquo2 = 0024 lb de vapor de agualb de aire seco
M = Gs(0024 ndash 002) = 0004 Gs
Sustituyendo la ec 337 en la ec 336 ndash 1 se tiene que
0004 Gs 53 = Gs(1804) - 27182539
1804 Gs ndash 0004 Gs = 27182539
Gs = 1507126 lb de aireh
Reemplazando en la ec 337 el valor Gs
220
M = 6028 lb de aguah = 274 lth
CAPITULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS
CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
41 Partes Componentes de las Torres de Enfriamiento
Ya se ha definido que el mejor disentildeo para el sistema de enfriamiento
requerido de acuerdo a los paraacutemetros de evaluacioacuten es una Torre de
Enfriamiento de Tiro Inducido Flujo en Contracorriente
Este tipo de elementos ademaacutes del cuerpo vertical consta de los
siguientes elementos
Empaquetaduras sistemas de distribucioacuten deposito de coleccioacuten
eliminadores de arrastre ventilador motor y estructura
221
Empaquetaduras
Su funcioacuten es generar una mayor aacuterea de contacto entre el aire y el
agua como sea posible con una miacutenima presioacuten de aire
Existe variedad de empaquetaduras que van desde soacutelidos muy
faacuteciles de adquirir como piedras botellas rotas trozos de porcelana
hasta formas geomeacutetricas complejas y de alto costo econoacutemico
Sistemas de Distribucioacuten
Tiene como funcioacuten principal distribuir el agua caliente en la parte alta
de la torre se recomienda atomizarla para facilitar el contacto con el
aire
La importancia de adecuado sistema de distribucioacuten sobre las
empaquetaduras de una torre es indispensable para una buena
eficiencia en el enfriamiento
Depoacutesito de Coleccioacuten
Se trata de un recipiente donde es colectada el agua friacutea que sale de
la torre
Su construccioacuten deberaacute ser tal que elimine el peligro de que la bomba
absorba aire cuando opera con un miacutenimo de agua y accesible para
remover la suciedad acumulada en el fondo
222
Estructura
Es el soporte de la torre de enfriamiento
Su forma y solidez dependen de las caracteriacutesticas de disentildeo de la
torre que tiene que ser con normas especificas que dependen de su
capacidad de enfriamiento
Ventilador
Tiene como objetivo mantener el flujo constante de aire atreves de la
torre Para la torre seleccionada este aditamento se encontrara en la
parte superior
Motor
Es el que impulsara el ventilador La transmisioacuten se efectuara en
forma directa
Los elementos anteriores forman parte de la construccioacuten interna de la
torre de enfriamiento
Sin embargo existen otros componentes externos a la torre que juntos
constituyen el sistema de enfriamiento deseado Estos son
Bomba de Agua
223
Es el equipo que adicionara energiacutea al agua para hacerla re circular a
traveacutes de todo el sistema
Su capacidad dependeraacute del sistema de operacioacuten en el que va a
utilizar
Tuberiacuteas y Vaacutelvulas
Son los conductos ndash reguladores por los cuales fluiraacute el agua
El material de la tuberiacutea y los tipos especiacuteficos de vaacutelvulas estaraacuten
sujetos al aspecto teacutecnico econoacutemico y esteacutetico del sistema en
cuestioacuten
224
FIGURA 41 DISENO DE FORMA DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTO
42 Determinacioacuten de la Seccioacuten Transversal de la Torre de
Enfriamiento
Datos
Densidad del agua ρL 6222 lbft3 = 1010 Kgm3
Densidad del aire ρa 0077 lbft3 = 125 Kgm3
Relacioacuten de flujos LG 205
Flujo de aire Greal 446 lbs = 2027 Kgs
Tensioacuten superficial del agua σ 2 dinacm
Factor liquido - vapor FLV
Caacutelculos
Una aproximacioacuten para estimar las velocidades maacuteximas permisibles
ha sido presentada por Fair la cual se basa en datos obtenidos con
platos perforados y otros tipos de contactores de etapas finitas y toma
en cuenta el efecto de la tensioacuten superficial del liquido en la columna
la razoacuten de flujo de liquido a flujo de gas las densidades del aire y el
liquido y dimensiones y arreglo del contactor En este meacutetodo la
225
ecuacioacuten baacutesica para velocidad del vapor maacutexima permisible
equivalente a la Ec (41) es
Ec 41
donde
Vrsquom = velocidad de vapor maacutexima permisible basada en aacuterea neta
para el flujo de vapor la cual usualmente es el aacuterea de seccioacuten
transversal activa en fts
Krsquov = constante empiacuterica fts
σ = tensioacuten superficial del liquido en la torre dinascm
Krsquov
226
FIGURA 41 VALORES DE Kv EN FUNCION DEL
ESPACIADO
] Ec42
Sustituyendo valores en la ec 42 se tiene que
FLV = 0090
Se asume un espaciado entre platos de 740 plg = 188 mm
A partir de la fig 41 Kv = 017 fts
De la ec 41
Vrsquom = 3047 fts
Velocidad maacutesica del vapor Gm
Gm = Vrsquom ρa = (3047)(0077) = 023 lbs pie2 Ec43
227
Aacuterea de seccioacuten transversal de la torre A
A = Greal Gm Ec 44
Sustituyendo valores en la ec 44 se tiene que el aacuterea de la seccioacuten
transversal de la torre de enfriamiento es
A = 192 ft2
A = 8ft 24ft = 2430 mm 731 mm
43 Seleccioacuten de la Columna de Contacto de la Torre de Enfriamiento
En esta seccioacuten se tratara de decidir el tipo de columna a utilizar ya
sea de bandejas perforadas o de relleno en funcioacuten de las
caracteriacutesticas de la operacioacuten deseada y de los componentes en
contacto en este caso liquido - aire tomando para la decisioacuten algunos
aspectos
La seleccioacuten entre una columna de bandejas perforadas o una de
relleno depende de conceptos econoacutemicos Sin embargo en un estudio
228
preliminar podemos basar su seleccioacuten en las siguientes ventajas e
inconvenientes de cada una de ellas
1- La eficiencia de una torre de relleno se basa en datos
experimentales para cada tipo de relleno La eficiencia variacutea no solo
por el tipo y tamantildeo del relleno sino tambieacuten por las propiedades del
fluido caudales diaacutemetro de columna etc
2- Si el flujo de liacutequido es pequentildeo comparado con el del aire es
preferible utilizar columnas de platos pues necesitan menores
factores de seguridad en el disentildeo por causa de la dispersioacuten del
liacutequido
3- Las columnas de bandejas perforadas pueden manejar un rango
maacutes amplio de caudales sin inundacioacuten
4- Si los liacutequidos tienen soacutelidos en suspensioacuten se prefieren torres de
bandejas perforadas por la facilidad de limpieza
5- Si se necesita enfriamiento intermedio de la columna es preferible
que sean de bandejas perforadas por la facilidad de la instalacioacuten
del sistema de enfriamiento
6- El peso total de una columna de bandejas perforadas es menor que
en una de relleno si estaacuten vaciacuteas en cambio llenas tienen un peso
similar
229
7- La informacioacuten de disentildeo de una columna de bandejas perforadas
es maacutes accesible que en una de relleno
8- Si hay grandes cambios de temperatura son preferibles las
columnas de bandejas perforadas pues el incremento de
temperatura puede romper el relleno
10-Las columnas de rellenos son maacutes faacuteciles de construir y mas
baratas si se trabaja con fluidos corrosivos
11-Si se tiene liacutequidos con gran tendencia a formar espuma se deben
utilizar torres empaquetadas
12-El almacenamiento de liacutequido en la columna es muy inferior para
las torres de relleno
13-Las torres de relleno tienen menos peacuterdida de carga que las
bandejas perforadas y el relleno previene contra el colapso por lo
que se utilizan en operaciones a vaciacuteo
Por lo expuesto anteriormente se utilizara en el disentildeo de la
empaquetadura de la torre de enfriamiento el sistema de bandejas
perforadas
230
FIGURA 42 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE UNA BANDEJA
PERFORADA
431 Altura de la las Paredes de la Bandeja
La altura de la bandeja determina el volumen de liacutequido sobre la
bandeja y es un importante factor para determinar la eficiencia de
la bandeja con orificios Una mayor altura incrementaraacute la
eficiencia de la bandeja pero a expensas de un alta caiacuteda de
presioacuten en la bandeja Para columnas operando alrededor de la
presioacuten atmosfeacuterica la altura de las paredes de la bandeja variacutea
entre 40 a 90 mm (15 a 35 pulg) [7]
Para el disentildeo de estos elementos se tomara una altura de 90
mm para obtener una buena eficiencia de la bandeja ya que el
231
volumen de agua colocada en la bandeja por mayor tiempo
tendraacute mayor tiempo de contacto con el aire
Aacuterea Perforada
El aacuterea disponible para perforacioacuten se deduciraacute por la obstruccioacuten
causada por las partes estructurales (tales como soportes anillos
y vigas) y por el uso de zonas libres Las zonas libres son
espacios no perforados de la bandeja en los lados de salida y
entrada El ancho de cada zona es usualmente la misma valores
recomendados son
Ancho de la columna Ancho de la zona sin perforar
lt 15 m 75 mm
gt15 m 100 mm
TABLA 41 DIMENSIONES DE ZONA SIN PERFORAR [17]
De acuerdo a la tabla 41 se tomara una franja sin perforar de 75m
Dimensiones de las perforaciones
Los platos perforados tienen perforaciones de 25 mm a 12 mm
(18 a 12 pulg) de diaacutemetro siendo el tamantildeo comuacuten de 5 mm
(316 pulg) las perforaciones se hacen siguiendo un arreglo
232
triangular o cuadrado con una distancia entre centros entre 2 a 5
veces el diaacutemetro de las perforaciones (el oacuteptimo es 38) [17]
Se toma el valor recomendado del agujero de 316rdquo por lo tanto el
espaciamiento entre centros de los agujeros seria
D= 90 mm
Se escogeraacute un arreglo triangular para los orificios
De acuerdo al aacuterea de la seccioacuten transversal de la torre 2430
mm731 mm y la disposicioacuten del disentildeo de forma se tiene unas
dimensiones en las bandejas de
Bandeja = 2000 mm 731 mm
Al dejar una franja por los cuatro lados sin perforar de 75 mm
FIGURA 43 DISPOSICION DE AGUJEROS EN LAS
BANDEJAS
Por lo planteado en el capiacutetulo 3 se obtuvo que la altura de la zona
empaquetada es de
Z = 538 ft = 2044 mm
233
Para hallar el aacuterea de la seccioacuten transversal en el inciso 42 de
este capiacutetulo se asumioacute un espaciamiento entre bandejas de
e = 740 plg = 188 mm
Por lo tanto se necesitariacutea 5 bandejas perforadas en la disposicioacuten
dada en el disentildeo de forma de la fig 41
Para calcular el nuacutemero de agujeros en la bandeja se recurre a la
ecuacioacuten siguiente
Nh = 4Ahπd2h
Nh = 112 orificios en la bandeja
Espesor de las Bandejas
Se considera un espesor del material para la bandeja de 14 mm
Se considerara la presioacuten que ejerceriacutea el agua asumiendo la
bandeja llena al 100 la carga que ejerce el agua en el volumen
de la bandeja es de 42453 N
Se utilizara el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad
234
Anaacutelisis de Resistencia mediante el Meacutetodo de Elementos
Finitos
ANSYS en INVENTOR 10 analiza concentradores de esfuerzos
mecaacutenicas de fracturas bajo cargas estaacuteticas y dinaacutemicas asiacute
como frecuencias naturales y estabilidad El programa ofrece
distintos materiales a seleccionar para el anaacutelisis con
asunciones sobre su comportamiento Lineal (la tensioacuten es
directamente proporcional a la presioacuten) Constante (la
temperatura de todas las propiedades es independiente)
Homogeacutenea (las propiedades no cambian en todo el volumen de
la pieza) Isotroacutepica (las propiedades de los materiales son
ideacutenticas en todas las direcciones) El factor de seguridad se
calcula utilizando el equivalente maacuteximo de la teoriacutea de falla de
tensioacuten para materiales duacutectiles A continuacioacuten se muestran los
informes de los anaacutelisis practicados a las bandejas perforadas
las figuras indican en su parte superior izquierda la escala
colorida con sus respectivos valores de Tensioacuten Equivalente y
Factores de seguridad mayores a 13 Aceptables [19]
235
TABLA 42 INFORME DE RESULTADOS DEL
ANALISIS DE LA BANDEJA PERFORADA
INFORME DE ANALISIS DE BANDEJA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935 Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 934e-4 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 8688 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
236
FIGURA 44 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 45 DEFORMACION
FIGURA 46 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 2 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
237
Disentildeo del Depoacutesito de Coleccioacuten de la Torre de Enfriamiento
Para determinar las dimensiones del depoacutesito de coleccioacuten de agua
para la torre de enfriamiento se debe conocer el tiempo que demora
el agua en circular a traveacutes del sistema
Se asume que el ciclo demora un minuto y se parte del dato que el
depoacutesito deberiacutea tener una capacidad mayor a la cantidad de agua
que debe fluir por el sistema en un minuto y asi evitar que esta se
quede sin liquido ademaacutes el mismo colector debe soportar el peso de
la torre con sus accesorios
Entonces el problema consiste en seleccionar dimensiones para la
piscina que provean mayor economiacutea y aseguren un buen
funcionamiento Por lo general se establece el aacuterea transversal del
depoacutesito un poco mas grande que el aacuterea transversal de la torre de
enfriamiento que permita el montaje de la tuberiacutea de succioacuten o alguacuten
otro accesorio necesario
Para el disentildeo de la piscina se basara en el coacutedigo ASME para
recipientes a presioacuten seccioacuten Div 1 para tanques rectangulares que
trabajan bajo presioacuten atmosfeacuterica [15]
Notacioacuten
238
α Factor que depende del largo y ancho del tanque HL fig47
E Modulo de elasticidad 30000000 psi para aceros al carbono
G Gravedad especifica del liacutequido Agua=1
I Momento de Inercia plg4
l Maacutexima distancia entre soportes plg
L Largo del tanque plg
R Reaccioacuten con subiacutendices indicando el lugar de aplicacioacuten lbplg
S Esfuerzo del material
t Espesor requerido de la plancha plg
w Carga por unidad de longitud lbplg
FIGURA 47 VALORES DE α
Seleccioacuten del espesor de plancha
239
Ec 45
El espesor se incrementara con el factor de corrosioacuten para este
caso se le aumentara 00645 plg o 163 mm
FIGURA 48 DIMENSIONES DEL DEPOSITO DE COLECCIOacuteN DE
AGUA
L=8 ft
H=2 ft
B=4 ft
Relacioacuten HL = 025
De la figura 47 se obtiene el valor α = 00010
S=23200 lbplg2 para el acero estructural A ndash 36
G=1 para el agua
Sustituyendo valores en la ec 45 se tiene un espesor de
plancha
240
t=000109 plg
A este valor se le suma el factor de corrosioacuten 00626 plg
Por lo tanto
t=0063 plg o t=161mm se utilizara plancha de 2mm de
espesor
Carga en las paredes del depoacutesito
FIGURA 49 CARGAS HIDROSTATICAS
Ec 46
Sustituyendo valores se tiene que
w=162 lbplg
R1=03w Ec 47
R1=03162=486
R2=07w Ec 48
241
R2=07162=1134
442 Momento de Inercia miacutenimo requerido
Ec 49
Sustituyendo valores
Imin=0003 plg4 = 12486 mm4
443 Distancia entre soportes de la piscina
FIGURA 410 DISTANCIA ENTRE SOPORTES
Ec 410
Si el numero de soportes es 4 entonces = 26 plg = 6604mm
Sustituyendo en la ecuacioacuten 410
t=0141 plg
Despejando el valor de la ecuacioacuten 410 se tiene
242
Sustituyendo valores
Por lo tanto
11968 plg 2583 plg = Numero de soportes = N
N=463 es decir se fiacutesicamente se necesitan 5 soportes con un
espaciamiento de 2583 plg
E=656 mm
El disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de agua se encuentra en el
Plano N 3
Se utilizaraacute el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad del colector sometido a
toda la carga de la torre con su peso propio y la carga de agua
contenida en las bandejas
243
TABLA 43 INFORME DE RESULTADOS DEL
COLECTOR DE AGUA
INFORME DE ANALISIS DEL COLECTOR DE AGUA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1976Kg
Volumen de la pieza 2517+007 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 47950
Elementos 26630
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Fuerza 1481 N
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 5455e-005 MPa 2437 MPa
Deformacioacuten 0 mm 0102 mm
Factor de seguridad 15 NA
244
FIGURA 412 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 413 DEFORMACION
FIGURA 414 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 3 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
245
44 Seleccioacuten del Ventilador
Para la seleccionar el ventilador para la torre de enfriamiento es
necesario conocer los siguientes datos
1 Flujo de aire que circulara por la torre en ft3min
2 La presioacuten estaacutetica o presioacuten de resistencia contra la que debe
operar el ventilador expresada en plg de agua
Flujo de aire que circula por la torre Gs = 16056 lbh
Gs=2676 lbmin
Para determinar los pies cuacutebicos por minuto (pcm) de aire que salen
a traveacutes del extractor se divide las libras de aire seco por minuto
para la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
pcm = Gs (lbmin) densidad de la temperatura de operacioacuten Ec411
Para determinar la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
es necesario calcular la temperatura a la que sale el aire de la torre
Para esto conociendo el valor de la humedad absoluta Yrsquo2 lb de
vapor de agua por lb de aire seco con que sale el aire y asumiendo
que el aire se encuentra cercanamente saturado 95 se puede
246
entrar en la carta psicomeacutetrica Apeacutendice H y determinar dicha
temperatura
Yrsquo2= 0024
Con una temperatura de salida de la torre
T=84 0F
Con este valor dado en la figura se encuentra que la relacioacuten de
densidad del aire (RDA) a 84 0F y a nivel del mar es
RDA= densidad del aire en condiciones estaacutendar densidad del aire en condiciones de operacioacuten
Ec 412
RDA=105
De la ec411
105=0077lbft3 densidad del aire que opera a 84 0F
ρ84 F= 0075 lbft3
De la ec 412 se tiene
pcm=354483 ft3min = 116707 m3h
Con respecto a la caiacuteda de presioacuten estaacutetica contra la que debe
operar el ventilador se vio que en torres de este tipo era
ordinariamente menor que una pulgada de agua por lo tanto
tomando en consideracioacuten la resistencia ofrecida al paso del aire por
247
la zona empaquetada y los separadores de gotas se considera
suficiente utilizar el valor de 05 pulH20 o 127 mmH2O valores que
estaacuten dentro del rango de caiacuteda de presiones para este tipo de
ventiladores
Se ha escogido la curva del fabricante de la marca Ventiladores
Casals y sus caracteriacutesticas se indican en el Apeacutendice K
FIGURA 415 DIAGRAMA PARA SELELCCIONAR MODELO DE
VENTILADOR
Ingresando en el diagrama de la fig 415 con los datos planteados se
selecciona el ventilador modelo 56 T4 1 con las siguientes
caracteriacutesticas
Diaacutemetro = 650 mm
m3h = 12700
Peso = 36 Kg
248
RPM max = 1525
Potencia = 075 Kw
Ruido = 73 db
FIGURA 416 VENTILADOR SELECCIONADO
Con el peso del ventilador se disentildearaacute la campana de extraccioacuten de vapor de
agua se asumiraacute un espesor de 14 mm Se utilizara el programa
computacional INVENTOR 10 para analizar su deformacioacuten y el factor de
seguridad de la campana
249
TABLA 44 INFORME DE RESULTADOS DE LA
CAMPANA DE EXTRACCION
INFORME DE ANALISIS DE LA CAMPANA DE
EXTRACCION
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 9348+-5 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
250
FIGURA 417 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 418 DEFORMACION
FIGURA 419 FACTOR DE SEGURIDAD
251
45 Seleccioacuten de Diaacutemetro de la Tuberiacutea
Los criterios a utilizar para el caacutelculo del diaacutemetro de la tuberiacutea
son
1 Si la energiacutea
necesaria para el movimiento del fluido es gratis utilizar el
diaacutemetro miacutenimo que permita el caudal deseado
2 Si el fluido ha de ser
bombeado hay que calcular el tamantildeo que permita tener los
menores costes anuales (caacutelculo del diaacutemetro econoacutemico)
Velocidades tiacutepicas y caiacutedas de presioacuten permisibles que pueden
utilizarse para estimar el diaacutemetro de la tuberiacutea son
Velocidad (ms) ∆P(kPam)
Liacutequidos bombeados (no viscosos) 1 ndash 3 05
Liacutequidos flujo por gravedad - 0005
Gases y vapores 15 ndash 30 002 presioacuten de liacutenea
Flujos a alta presioacuten 30 - 60
TABLA 45 VELOCIDADES Y CAIDAS DE PRESION
PERMISIBLES [4]
Si se considera la densidad del fluido la velocidad oacuteptima es
252
Densidad del fluido
(Kgm3)
Velocidad del fluido
(ms)
1600 24
800 30
160 49
16 94
016 180
0016 340
TABLA 46 DENSIDAD DEL FLUIDO EN FUNCION DE LA
VELOCIDAD [4]
En la seleccioacuten de las tuberiacuteas se tiene que considerar el caudal
maacuteximo no el nominal (aumentar 20 a 50)
De acuerdo a la tablas 45 y 46 se tiene que
Flujo de agua = 15 m3h
Por lo tanto se escoge una velocidad
V = 2475 ms este valor es interpolado de la tabla 43 para
liacutequidos bombeados
Conocido el caudal y la velocidad se puede encontrar el
diaacutemetro
Q = A V Ec413
253
A = π4 D = QV
Donde D diaacutemetro de la tuberiacutea despejando D se tiene
D = 00508 m o tuberiacutea de 2rdquo
46 Seleccioacuten de la Bomba para la Torre de Enfriamiento
Se tiene los siguientes datos para la torre
Q = 15 m3h
Altura de la torre se la torre 12m
Considerando las tablas del Apeacutendice J del manual del
fabricante Golds Pumps se selecciona la siguiente bomba
Modelo 3196
STX 1x 1 frac12 - 6
Capacidad 70 GPM 3 frac12 ldquo 1 frac12 HP
Frecuencia 60 Hz
254
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
51 Diagrama de Gantt para la Ejecucioacuten del Proyecto
Diagrama de Gantt- Para la planificacioacuten de la construccioacuten montaje se contara con la
ayuda del software Microsoft Project
Que se lo muestra a continuacioacuten
255
FIGURA 51 DIAGRAMA DE GANTT
El diagrama de la figura anterior da los pasos que se siguieron describiendo todo el
proceso que se llevo a cabo en el proyecto utilizando oacuteptimamente el recurso humano
existente y el tiempo requerido para realizarlo
Levantamiento de planos del disentildeo de forma del sistema de enfriamiento- Este
procedimiento se hizo para obtener una referencia del espacio disponible y con ello ver
las posibles soluciones a implementar Este proceso no consta en el diagrama de Gantt
ya que lo hizo previo a la licitacioacuten ya que seria acreedora del contrato la empresa
participante que presente su mejor propuesta y cotizacioacuten sin embargo se tomo 5 diacuteas
para realizar este proceso
511 Preparacioacuten de Documentos Planos de Taller y Movilizacioacuten
Elaboracioacuten de planos de taller- Se procederaacute al disentildeo del sistema mas optimo en
este caso torre de enfriamiento certificacioacuten de intercambiador de calor disentildeo de
estructura moacutevil y de su estructura de soporte a ser ejecutado para la alternativa
seleccionada Asimismo se procederaacute al disentildeo eleacutectrico bajo la responsabilidad
ERMARLO SA Los planos seraacuten sometidos a la aprobacioacuten del departamento
encargado por parte de la Armada del Ecuador para iniciar los trabajos de
construccioacuten de acuerdo al cronograma presentado
256
Ninguacuten data sheet mostrado en la oferta podraacute ser utilizado como base para la
construccioacuten del sistema en mencioacuten por parte de la Armada del Ecuador o terceros si
la obra no se adjudica a ERMARLO SA con amparo a la ley de derechos de autor
Movilizacioacuten- Durante el periacuteodo de elaboracioacuten de planos se procederaacute con la
movilizacioacuten de equipos herramientas material a las instalaciones de la Armada
Nacional del Ecuador ubicada en la Base Sur Se utilizaraacuten bantildeos portaacutetiles con
mantenimiento perioacutedico Ademaacutes la logiacutestica del proyecto seraacute reforzada con el
apoyo de las oficinas e instalaciones de ERMARLO SA Ubicadas en la viacutea a Daule
Parque industrial Inmaconsa
512 Fabricacioacuten en el Taller
El disentildeo suministro de los materiales prefabricacioacuten y pre pintura interior y exterior
de las estructuras seraacuten ejecutados por ERMARLO SA En el taller se construiraacute
Rieles de movilizacioacuten para los soportes que llevaran la tuberiacutea de agua destilada
friacutea y caliente con sus respectivos acoples
Construccioacuten de la Torre de Enfriamiento y sus accesorios
Se ha contemplado la supervisioacuten de un teacutecnico de la Armada Nacional en los talleres
de ERMARLO SA asi mismo la supervisioacuten en campo de un teacutecnico durante la etapa
de montaje Para el efecto se ha considerado cubrir con todos los gastos relacionados
con esta visita salvo los honorarios de este teacutecnico los cuales correraacuten por cuenta de
la institucioacuten contratante
1 Materiales- De conformidad con los planos de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas para la construccioacuten de las rieles de deslizamiento y torre de
257
enfriamiento se selecciona el material a utilizar verificando calidad espesores y
dimensiones generales de laacuteminas y tuberiacuteas
Principalmente para laacuteminas de acero se verifican las marcas estampadas en
cada plancha contra los certificados emitidos por el fabricante de estar todo
conforme se libera el material para fabricacioacuten
2- Fabricacioacuten
21-Corte- Se posiciona la laacutemina seleccionada en la mesa de corte
procediendo al trazo y verificacioacuten conforme a medidas de plano de fabricacioacuten
Se transfieren las marcas originales de la laacutemina a cada parte y pieza a ser
cortada para mantener su identificacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten y en la
torre de enfriamiento terminada Se regulan los flujos de gases y velocidad de
avance de la maacutequina de conformidad con el procedimiento especiacutefico de cada
maacutequina y se procede a cortar el material En esta etapa se define dentro del
proceso de corte el tipo de bisel que se deja en el filo de las planchas para el
posterior proceso de soldadura todos los biseles tienen que estar detallados en
los planos de fabricacioacuten Una vez cortadas las piezas se realiza una limpieza
mecaacutenica de los bordes de la laacutemina especialmente los biseles de soldadura se
inspecciona y libera el material para el siguiente proceso
22-Conformado- Dependiendo de la parte de la torre que esteacute en proceso las
bandejas perforadas se las fabricara con este procedimiento Adicionalmente
todas las partes conformadas seraacuten pre-ensambladas en taller para verificar su
correcto dimensionamiento y agilizar el proceso de ensamble final en campo
23-Soldadura- Se realizaraacute soldadura en faacutebrica par elementos como patas
soportes de la cuba colectora de agua tuberiacuteas de carga y descarga conexiones
para instrumentacioacuten de acuerdo con el requerimiento del cliente Todas las
258
soldaduras de faacutebrica deben estar definidas en los planos de fabricacioacuten
indicando el proceso de soldadura y paraacutemetros generales que seraacuten ejecutados
Todas las soldaduras se realizaraacuten con procedimientos y soldadores calificados
de conformidad con coacutedigo ASME uacuteltima edicioacuten Los principales procesos a ser
utilizados son SAW GMAW SMAW
Toda soldadura deberaacute ser inspeccionada y verificada cumpliendo los
requerimientos del coacutedigo ASME y condiciones particulares del Cliente si
existieran
24-Tratamiento de Superficies- Tanto las laacuteminas de cuerpo como tuberiacuteas
soportes plataformas seraacuten preparadas y recubiertas de acuerdo con las
especificaciones del cliente En taller se realizaraacute aplicaraacute la primera capa de
revestimiento y en campo se completara el sistema luego del montaje
y pruebas del tanque El procedimiento a seguir es el siguiente
Se prepararaacute la superficie utilizando chorro de granalla metaacutelica hasta obtener un
acabado SSPC - SP 10 metal casi blanco con un perfil de anclaje de 2 a 3 mils
que garantice la adherencia y resistencia mecaacutenica del sistema de pintura a
aplicar Se dispone con los equipos y condiciones adecuadas para garantizar una
buena limpieza
La pintura seraacute aplicada conforme las recomendaciones y especificaciones de la
hoja teacutecnica del fabricante de pintura Durante el proceso de aplicacioacuten se
controla y registran los paraacutemetros externos y condiciones de aplicacioacuten como
temperatura ambiente temperatura de la pieza humedad relativa punto de
rociacuteo espesor huacutemedo y espesor seco
25 Factibilidad de construccioacuten- Se quiere resaltar las ventajas de la
fabricacioacuten de la torre de enfriamiento en Ecuador ya que ademaacutes del arancel
que tendraacute que pagarse sobre el tanque importado cuando se trata de proyectos
de intereacutes puacuteblico de acuerdo a la Ley la Armada del Ecuador puede requerir la
259
aprobacioacuten de la importacioacuten de bienes de capital El Ministerio encargado
certificaraacute si hay manufactura local o no para los bienes a ser importados El
producto local debe ser similar al importado debe tener la misma funcioacuten precio
competitivo igual calidad y tiempo de entrega Si los productos locales cumplen
con los estaacutendares de los productos importados deben entonces ser comprados
localmente caso contrario el Ministerio no autorizaraacute su importacioacuten
513 Montaje del Sistema de Enfriamiento
El Supervisor de montaje seraacute responsable de la eficiente
coordinacioacuten del Proyecto la Armada del Ecuador seraacute informado
continuamente de todas las acciones a tomar
ERMARLO SA dispondraacute de todos los equipos y herramientas
necesarios para enfrentar adecuadamente los trabajos
incluyendo gruacuteas compresores generadores soldadoras equipo
para prueba hidrostaacutetica etc
El montaje del sistema de enfriamiento obedece a una secuencia establecida en los
procedimientos y normas aplicables para este tipo de trabajos
En resumen las actividades principales que es necesario cumplir son las siguientes
Revisioacuten de la fundacioacuten de las estructuras deslizantes y la torre de enfriamiento
Antes del montaje del sistema de guiacuteas para la estructura
deslizante y para la torre de enfriamiento se verificaraacuten
260
cuidadosamente la topografiacutea e integridad estructural de las
fundaciones Tambieacuten se comprobaraacute que el terreno esteacute
adecuado para los diferentes movimientos de los equipos de
montaje
FIGURA 53 ALINEACION DE PISO DONDE SE ASENTARA LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Montaje de la estructura de soporte del sistema deslizante
Una vez revisada y aprobada las estructuras donde se va a montar el sistema
deslizante la cual llevara las tuberiacuteas de agua destilada a las bateriacuteas por parte de
ERMARLO SA se procederaacute a la instalacioacuten de cada una de las vigas transversales
donde se delizara el sistema de tuberiacuteas
261
FIGURA 52 SISTEMA DE DESLIZAMIENTO
Soldadura en obra
Las vigas del sistema de deslizamiento la torre y sus estructuras seraacuten soldados por
cualquiera de los procesos SMAW y SAW utilizando los equipos adecuados La
soldadura puede ser manual semi-automaacutetica o automaacutetica de conformidad a lo que
establezca del procedimiento de soldadura correspondiente
Se tendraacute una revisioacuten estricta de las condiciones de los biseles eliminacioacuten de escoria
antes de efectuar el siguiente cordoacuten inspecciones visuales de la soldadura
inspecciones radiograacuteficas de acuerdo al Coacutedigo se es necesario
Las laacuteminas del cuerpo en juntas de tope seraacuten alineadas en su posicioacuten antes de
soldar las mismas
514 Preparacioacuten de Superficie y Pintura en Sitio
262
Con el fin de asegurar la culminacioacuten del proyecto dentro del tiempo especificado asiacute
como para minimizar los dantildeos ambientales y proteger los materiales prefabricados
durante su transporte se ha considerado realizar la preparacioacuten y pre pintura de
superficies exterior e interior de las estructuras en taller
Las capas finales de pintura seraacuten aplicadas en el campo de acuerdo a las
especificaciones establecidas propuestas por ERMARLO SA Las aacutereas de pintura que
deban reparase o terminarse en se las repararaacute en obra
515 Prueba Hidrostaacutetica del Sistema de Tuberiacuteas e Intercambiador de Calor
Una vez instalado y pintado la torre de enfriamiento con el intercambiador de calor
sumergido en la piscina recolectora de la torre se procederaacute a realizar la prueba
hidrostaacutetica y la posterior desinfeccioacuten del mismo de acuerdo a lo especificaciones en
las bases de licitacioacuten entregada por la Armada del Ecuador
516 Bombas de agua
Existen dos bombas a ser montadas veacutease la figura 53 La bomba 1 para el sistema
de agua destilada de circulacioacuten por las bateriacuteas y al intercambiador de calor la bomba
2 figura 54 para la recirculacioacuten del agua en la torre de enfriamiento Las
caracteriacutesticas de todas ellas han sido ya establecidas en capiacutetulos anteriores
263
FIGURA 53 BOMBA PARA AGUA DESTILADA QUE ENTRA EN LAS BATERIA
FIGURA 54 BOMBA DE AGUA PARA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Para el montaje se deben respetar las especificaciones dadas ya sea por las normas
respectivas o seguir recomendaciones teacutecnicas En este caso se haraacute lo posible por
cumplir las recomendaciones dadas[12] Para el caso de la tuberiacutea de succioacuten se da la
figura 55
264
FIGURA 55 TUBERIA DE SUCCION [12]
Otra recomendacioacuten dada radica en que se debe evitar para el transporte el uso de
tuberiacuteas de igual diaacutemetro al de ingreso o salida del agua de la bomba deben ser
las inmediatas superiores Esto se cumple con los caacutelculos solo cuando la bomba
estaacute bien dimensionada pero no en el caso de la bomba 2 debido a que esta se
encuentra sobredimensionada Por ello el diaacutemetro de la tuberiacutea de salida es igual
diaacutemetro de la tuberiacutea de transporte de agua en el ingreso caso igual se usa una
tuberiacutea de 2rdquo
516 Instalacioacuten Eleacutectrica
Se ha contemplado el disentildeo instalacioacuten suministro y pruebas de
un sistema eleacutectrico el mismo que tendraacute los controles y mandos
para activar ventilador de la torre activacioacuten de las bombas de
agua control de ventiladores del cuarto de activacioacuten
265
FIGURA 56TABLERO DE CONTROL ELECTRICO
Toda tuberiacutea eleacutectrica se aseguraraacute con abrazaderas o soportes
de acero a la estructura de la torre o a las paredes por donde
crucen los cables
517 Graficas Representativas del Montaje de la Torre de
Enfriamiento
266
FIGURA 57 INTERCAMBIADOR SUMERGIDO EN COLECTOR
DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
FIGURA 58 BANDEJAS PERFORADAS INSTALADAS EN LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
267
FIGURA 59 TORRE DE ENFRIAMIENTO INSTALADA
52 Lista de materiales y equipos requeridos para el montaje
En las siguientes tablas se listan los materiales y equipos requeridos para el montaje
realizado adicionalmente se indica si se empleoacute algo usado o nuevo asiacute como su cantidad
268
EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
Equipoherramienta Tamantildeoespecificacioacuten Condicioacuten
01 Arco para sierra Estaacutendar de 12rdquo En bodega
02 Broca para acero HSS Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
03 Broca para cemento Percusioacuten Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
04 Broca para cemento Percusioacuten Oslash frac12 rdquo x 6rdquo En bodega
06 Cepillo de acero 6 hileras En bodega
07 Destornillador plano 5 mm x 150 mm En bodega
08 Emulsioacuten lubricante Proporcioacuten 120 En bodega
09 Flexoacutemetro 8 m x 25 mm En bodega
10 Guantes de cuero Par manga corta (10rdquo) En bodega
11 Hoja de sierra 12rdquo x frac12rdquo x 132rdquo Comprada
12 Hoja de sierra 24rdquo x 1frac14rdquo x 116rdquo Comprada
13 Llave mixta ⅜rdquo En bodega
14 Llave mixta 916rdquo En bodega
15 Llave mixta 58rdquo En bodega
16 Llave para tubo Largo 12rdquo abre hasta 2rdquo En bodega
17 Llave para tubo Largo 24rdquo abre hasta 3frac12rdquo En bodega
18 Llave para tubo Largo 36rdquo abre hasta 5rdquo En bodega
19 Nivel Aluminio largo 24rdquo En bodega
20 Pie de amigo De 24rdquo de aacutengulo de frac34rdquo Construido
21 Piola de algodoacuten Rollo de 50 gramos Comprado
22 Prensa para tubo De tornillo para Oslash 4rdquo En bodega
23 Sierra alternativa Para aserrar acero En taller
269
24 Taladro de mano Capacidad frac12rdquo asymp 13 mm En bodega
25 Taco Fisher F10 Comprado
26 Tarraja para tubo Manual para Oslash frac12rdquo a 2rdquo En bodega
27 Tefloacuten Rollo 19mmx15mx02mm Comprado
29 EPP Comprado
30 Material de aporte E6011 E6013 etc Comprado
31 Equipo de oxicorte Acetileno oxigeno manom En bodega
32 extintores Polvo quiacutemico seco En taller
33 tecle 2 Ton En bodega
34 Maq De soldar En bodega
TABLA 51 LISTA DE EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
53 RESUMEN DE COSTOS
ITEM MATERIALES Cantidad unid mater peso V Unitario V Venta
Soportariacutea fija y estructura moacutevil
Correa G 125 x 50 x 15 x 3 6 unid 3324 3291 19745
plancha 4 1 unid 9334 9241 9241
aacutengulo laminado 40 x 3 9 unid 1100 1089 9801
aacutengulo laminado 50 x 4 3 unid 2355 2331 6994
Correa G 80 x 50 x 15 x 3 9 unid 2406 2382 21437
malla electro ARMEX R- 131 (515) 52 mc 100 200 10400
perno expansioacuten 58 x 3 24 unid 012 060 1440
270
Pintura 4 galoacuten 100 1500 6000
ruedas para correas 12 unid 100 2500 30000
aacutengulo laminado 25 x 3 6 unid 706 699 4194
Materiales estructura 119252
Mano de obra estructura 71551
Total estructura 190803
Sistema de tuberiacuteas y accesorios
tubo PVC 2 20 unid 100 1400 28000
accesorio T 2 2 unid 030 240 480
tapoacuten 2 4 unid 020 160 640
unioacuten 2 10 unid 020 160 1600
bushing 2 x 14 4 unid 020 160 640
manguera 2 6 m 100 3500 21000
acople para manguera 2 x 2 4 unid 200 1600 6400
abrazaderas 2 8 unid 100 600 4800
manguera 14 300 m 100 250 75000
abrazadera 14 480 unid 100 030 14400
tubo galvanizado 1 14 7 unid 100 3360 23520
codo pvc 2 4 unid 020 160 640
codo galvanizado 1 14 4 Unid 020 180 720
nudo 2 4 unid 030 240 960
acoples para manguera 14 240 unid 100 24000
Materiales sistema distribucioacuten agua
enfriamiento aire 202800
Mano de obra sistema distribucioacuten agua 81120
271
enfriamiento
Total sistema distribucioacuten 283920
Torre de enfriamiento
tubo cuadrado 80 x 3 4 unid 4521 4476 17903
aacutengulo laminado 50 x 3 8 unid 1430 1416 11326
ventilador axial para torre enfriamiento 1 unid 120000 120000
plancha 3 para deposito de agua torre 2 unid 7040 6970 13939
control nivel de agua torre 1 global 1500 1500
plancha galvanizada para bandejas 8 unid 4224 5914 47309
plancha galvanizada para paredes 8 unid 3285 4599 36792
bomba de circulacioacuten 80 gpm ndash 30 psi 1 unid 120000 120000
arrancador para bomba de circulacioacuten y
ventilador 1 global 32000 32000
difusores y encausadores de torre 1 global 35000 35000
tuberiacutea y vaacutelvulas de control de circulacioacuten 1 global 23500 23500
Material torre 459269
Mano de obra torre 156151
Total torre 615420
EQUIPOS SUMINISTRADOS POR ARMADA DEL ECUADOR
Intercambiador de calor de haz tubular 000
Bomba PN 50 ndash 32 ndash 145 para agua des-ionizada 000
NOTA no se encuentra agregado el valor del IVA
272
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
61 Conclusiones
1 El meacutetodo usado por el texto de Procesos de transferencia de calor de Kern y al
comparar con el programa computacional para la seleccioacuten del intercambiador de calor
son similares concluyendo que el programa funciona correctamente y este caso el
intercambiador disponible cumple con los requerimientos para reducir la temperatura
requerida para el sistema
2 El equipo disentildeado cumple con lo establecido en el anaacutelisis del problema y las
restricciones
3 El meacutetodo de construccioacuten utilizado especialmente los procesos de soldadura garantizan
el buen funcionamiento del equipo
4 Se ha adquirido mas conocimientos sobre las torres de enfriamiento y sobre su valor
caracteriacutestico KaVL A mayor valor mayor dificultad para lograr el enfriamiento deseado
Adicionalmente se ratifico los conocimientos adquiridos
273
5 Se ha utilizado varios sistemas computacionales para comprobar los resultados
adquiridos e implementar estos programas en el trabajo diario dentro del departamento de
proyectos de ERMARLO SA
6 Se ha utilizado tablas normas y coacutedigos de seleccioacuten y disentildeo de esta manera logrando
un meacutetodo de seleccioacuten maacutes raacutepida para la ejecucioacuten de un proyecto
7 El control de calidad dentro del proceso de construccioacuten y montaje es muy importante en
la entrega final del trabajo para la satisfaccioacuten del cliente y realzar el nombre de la
empresa constructora
8 Una gran experiencia de trabajo en equipo tanto con el personal encargado de la
construccioacuten como la interaccioacuten con el personal de la Armada del Ecuador
62 Recomendaciones
1 Cuando se desee realizar la evaluacioacuten de un intercambiador de calor o una torre de
enfriamiento se debe seguir un sin nuacutemero de especificaciones para tenerlas a mano
Personalmente me parecioacute muy buena la guiacutea del texto Procesos de Transferencia de
Calor
2 Se requiere implementar un estudio detallado para el manejo de todos los desechos
generados
3 Se tendriacutea que hacer un plan de mantenimiento para los equipos constitutivos del sistema
de enfriamiento
4 Revisar permanentemente las instalaciones eleacutectricas ya que se tiene un ambiente
explosivo por las emanaciones de hidrogeno de las bateriacuteas al estar activaacutendose
274
5 La pintura de la torre de enfriamiento deberiacutea estar en control para evitar corrosioacuten en la
estructura
6 En la construccioacuten y el montaje se recomienda el correcto uso del Equipo de Proteccioacuten
Personal asiacute como los implementos para realizar trabajos en altura trabajos en caliente o
lugares confinados para evitar lesiones por parte de los integrantes del proyecto
7 Tener en consideracioacuten todas las normas de seguridad que tiene la institucioacuten (Armada
del Ecuador) para evitar sanciones al personal que estaacute ejecutando el proyecto
8 Implementar un mejor sistema de ventilacioacuten en el cuarto de activacioacuten de bateriacuteas ya que
este tiene demasiados contaminantes en el ambiente
275
BIBLIOGRAFIA
1 Gonzalez Jorge ldquoAplicacioacuten de la Investigacion de Operaciones al
Diseno Optimo de un Intercambiador de Calorrdquo (Tesis Facultad de
Ingenieria en Mecanica y Ciencias de la Produccion Escuela Superior
Politecnica del Litoral 1970)
2 Kern Donald Procesos de Transferencia de Calor Editorial CECSA
1995
3 Hickstyler Manual de Calculos para las Ingenierias Tercera Edicion
Tomo II McGraw Hill 1998
4 Torres Alberto ldquoDiseno de una Torre de Enfriamiento de Agua para Uso
Industrialrdquo (Tesis Facultad de Ingenieria Mecanica y Ciencias de la
Produccion Escuela Superior Politecnica del Litoral 1973)
5 Andrade Francisco Ing Ventilacioacuten Industrial Diplomado en Manejo
Ambiental ESPOL julio 2001
6 Manual Praacutectico de Ventilacioacuten Catalogo Teacutecnico Salvador Escoda
SA
7 Perry Robert-Green Don PERRY Manual del Ingeniero Quiacutemico
Seacuteptima Edicioacuten Volumen II Mc Graw Hill
8 Load amp Resistance Factor Design Manual of Steel Construction AISC
First Edition
9 Incropera P Frank-De Witt P David Fundamentos de Transferencia de
Calor Cuarta Edicioacuten Prentice Hall
10 Granet Irving Termodinaacutemica Tercera Edicioacuten Editorial Prentice Hall
1998
11 Goulds Pump Manual Sexta Edicioacuten Goulds Pumps Inc 1995
276
12 McNaughton Kenneth Bombas Seleccioacuten Uso y Mantenimiento
Editorial Mc Graw Hill 1992
13 David Linden Thomas B Reddy Handbook of Batteries McGraw Hill
Third Edition 1995
14 Pedro Fernaacutendez Diez Bombas Centrifugas y Volumeacutetricas 2002
15 Eugene F Megyesy Pressure Vessel Handbook Publishing Inc Sexta
edicioacuten
16 Holman J P Transferencia de Calor Octava edicioacuten Prentice Hall
2001
17 Dpto Ingenieria Quiacutemica y Textil Disentildeo de Equipos e Instalaciones
(Facultad de Ciencias Quiacutemicas Universidad de Salamanca)
18 Peters and Timmerhaus Plant Design and Economics For Chemical
Engineers McGraw Hill
19 Introduccioacuten al Programa ANSYS
20 Avallone Eugene A Baumeister III Theodore MARKS Manual del
Ingeniero Mecaacutenico Novena Edicioacuten Tomos I y II Mc Graw Hill
21 httpwwwipacesacerofabricacionasp
22 httpwwwevapcocom
23 httpwwwcasalscom
24 httpwwwamcotcom
25 httpwwwmonografiastrabajos10toentoenzip
277
108
DECLARACIOacuteN EXPRESA
ldquoLa responsabilidad del contenido de esta
Tesis de Grado me corresponden
exclusivamente y el patrimonio intelectual de
la misma a la ldquoESCUELA SUPERIOR
POLTEacuteCNICA DEL LITORALrdquo
(Reglamento de Graduacioacuten de la ESPOL)
109
Luis G Laverde Naranjo
AGRADECIMIENTO
A todas las personas que
de uno u otro modo
colaboraron en la
realizacioacuten de este
trabajo y especialmente
en el Ing Juliaacuten Pentildea
Director de Tesis por
su invaluable ayuda
A DIOS porque El es Bueno y Excelso al permitirme tener eacutexito en mis
estudios
A mi familia especialmente mis padres hermanos mis sobrinos en especial
Daniel por su ayuda en todo momento de mi vida
A mi director de Tesis Ing Ernesto Martiacutenez por su mano de apoyo siempre
presta e incondicional dispuesta a brindar su amistad y ayuda como
formador de los futuros profesionales
A la compantildeiacutea ERMARLO SA y todo su personal empresa en la cual me
he forjado y me ha permitido desarrollar este tema de tesis
A todos mis familiares amigos y personas que me ayudaron y apoyaron
para alcanzar mi objetivo
110
DEDICATORIA
A DIOS
A MIS PADRES
GONZALO E ISABEL
111
A MI FAMILIA
RESUMEN
El presente trabajo consiste en dar una solucioacuten real a la necesidad actual y futura del enfriamiento de
las bateriacuteas que se utilizan en los submarinos de la Armada Nacional del Ecuador en el proceso de
activacioacuten de eacutestas en tierra
En el Capiacutetulo Uno se plantea las generalidades detallando las partes constitutivas de los submarinos
caracteriacutesticas de las bateriacuteas que se utilizan en los submarinos meacutetodos de carga de las bateriacuteas y
administracioacuten de la temperatura en el proceso de activacioacuten de eacutestas
El Capiacutetulo Dos trata de la descripcioacuten del problema en esta seccioacuten se describe los requerimientos
dados por el fabricante de las bateriacuteas para que estas puedan entrar en funcionamiento se plantea
varias alternativas de solucioacuten que permita solucionar el problema planteado
El Capiacutetulo Tres se realiza el anaacutelisis teacutermico de acuerdo a datos teacutecnicos dados por los fabricantes
de las bateriacuteas que aplicando conocimientos de termodinaacutemica y transferencia de calor se podraacute
plantear las ecuaciones adecuadas para tener resultados y poder dimensionar los equipos necesarios
para lograr el objetivo planteado
112
En el Capiacutetulo Cuatro conocidos los paraacutemetros teacutermicos actuantes en el sistema se procede a
realizar la seleccioacuten y disentildeo mecaacutenico de los componentes involucrados en el funcionamiento del
sistema de enfriamiento
El Capiacutetulo Cinco realiza una evaluacioacuten teacutecnica para la construccioacuten y montaje de los equipos la
evaluacioacuten econoacutemica del proyecto y actividades de taller
El Capiacutetulo Seis se da conclusiones y recomendaciones a las que se llega como consecuencia del
desarrollo de este trabajo Ademaacutes recomendaciones para que se implemente en un proceso de
mejora continua
IacuteNDICE GENERAL
Paacuteg
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I
IacuteNDICE GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip III
ABREVIATURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VII
SIacuteMBOLOGIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XI
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XII
IacuteNDICE DE PLANOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XIV
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XV
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
CAPIacuteTULO 1
1 GENERALIDADEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
11 Descripcioacuten del sistema de poder de los submarinoshelliphelliphellip 4
113
12 Caracteriacutesticas generales del submarino U - 209helliphelliphelliphelliphellip 6
13 Proceso de activacioacuten de las bateriacuteas para submarinohelliphellip
131 Anaacutelisis del sistema operativohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
132 Caracteriacutesticas de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
133 Capacidad de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
134 Autodescargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
135 Almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
136 Principales meacutetodos de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
137 Control de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
138 Control de la temperatura en las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphellip
7
7
14
16
21
23
24
27
29
CAPIacuteTULO 2
2 DESCRIPCION DEL PROBLEMAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
21 Requerimientos para el proceso de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 36
22 Consideraciones teacutecnicas para la activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
23 Alternativas de solucioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
37
38
231 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
232 Sistema de enfriamiento con intercambiador enfriado por
airehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
233 Sistema de enfriamiento utilizando chillerhelliphelliphelliphelliphelliphellip
234 Sistema de enfriamiento utilizando intercambiador de calor y torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
42
43
45
24 Seleccioacuten mejor alternativahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
25 Torres de enfriamiento y su clasificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
26 Seleccioacuten de la torre a utilizarsehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
114
CAPIacuteTULO 3
3 ANAacuteLISIS TEacuteRMICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
31 Descripcioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
32 Datos de operacioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 64
33 Seleccioacuten del intercambiador de calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
331 Meacutetodo FLMTDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
332 Uso de software para seleccioacuten del intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
34 Disentildeo teacutermico de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
351 Fundamento del enfriamiento por evaporacioacutenhelliphelliphellip 87
352 Caacutelculoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89
CAPIacuteTULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 105
41Componentes de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 104
42 Determinacioacuten de la seccioacuten transversal de la torrehelliphelliphelliphellip 108
43 Seleccioacuten de la columna de contactohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 112
431 Altura de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
432 Aacuterea perforadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
433 Dimensiones de las perforacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
434 Espesor de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 117
44 Disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de la torre de enfriamiento 121
441 Seleccioacuten del espesor de planchahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 123
442 Carga en las paredes del depoacutesitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
444 Momento de inercia miacutenimo requeridohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
433 Distancia entre soportes del colectorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
115
44 Seleccioacuten del ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 129
45 Seleccioacuten de diaacutemetro de la tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 135
46 Seleccioacuten de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 137
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
51 Diagrama de Gantthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
511 Preparacioacuten de documentos planos de taller y
movilizacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 139
512 Fabricacioacuten en el tallerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
513 Montaje del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
514 Preparacioacuten de superficie y pintura en sitiohelliphelliphelliphelliphellip 148
515 Pruebas hidrostaacuteticas de tuberiacuteas e intercambiadorhellip 149
516 Bombas de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
517 Instalacioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
52 Materiales y equipos requeridoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
53 Resumen de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 156
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
61 Conclusioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
62 Recomendacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 160
APEacuteNDICES
BIBLIOGRAFIacuteA
116
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 11 Partes constitutivas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
Figura 12 Estado de descarga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Figura 13 Estado de carga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
117
Figura 14 Variacioacuten de la capacidad seguacuten reacutegimen de descargahelliphellip 17
Figura 15 Variacioacuten de la capacidad seguacuten la temperaturahelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Variacioacuten de la capacidad seguacuten nuacutemero de cicloshelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Variacioacuten de la vida uacutetil en funcioacuten de la descargahelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Variacioacuten de la capacidad por autodescarga 22
Figura 19 Reaccioacuten exoteacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 21 Trabajos preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 22 Esquema de enfriamiento de bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 23 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Figura 24 Enfriamiento utilizando intercambiador enfriado por aire 43
Figura 25 Sistema de enfriamiento utilizando un chiller 44
Figura 26 Sistema de enfriamiento utilizando torre de enfriamiento e intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
Figura 27 Torre de enfriamiento de tiro forzadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
Figura 28 Torre de flujo a contracorriente y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
Figura 29 Torre de flujo cruzado y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
Figura 31 Disposicioacuten de las bateriacuteas en el cuarto de activacioacutenhelliphelliphellip 61
Figura 32 Disposicioacuten de tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
Figura 33 Sistema de desplazamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 34 Bateriacuteas en cuarto de activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 35 Sistema moacutevil para llevar el fluido de enfriamiento a las
bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
Figura 36 Disentildeo de forma del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
Figura 37 Distribucioacuten de temperaturas en un intercambiador de calor de doble tubo en
paralelohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 69
Figura 38 Ventana de inicio del programahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
Figura 39 Ventana de seleccioacuten de tipo de intercambiador a utilizarse y definicioacuten de
fluidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
Figura 310 Datos del material del intercambiadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 80
118
Figura 311 Ventana de ingreso de datos de intercambiador de calorhellip 81
Figura 312 Ventana de resultados en la presioacuten de disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphellip 82
Figura 313 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 83
Figura 314 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 84
Figura 315 Disposiciones del haz de tuboshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
Figura 316 Idealizacioacuten del fenoacutemeno de transferenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
Figura 317 Flujo Especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
Figura 318 Diagrama del sistema para el disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
Figura 319 Relaciones de agua y aire de una torre a contra flujohelliphelliphellip 93
Figura 320 Diagrama de operacioacuten de enfriamiento del aguahelliphelliphelliphelliphellip 101
Figura 41 Disentildeo de Forma de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 108
Figura 42 Diagrama de operacioacuten de una bandeja perforadahelliphelliphelliphellip 114
Figura 43 Disposicioacuten de agujeros en las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
Figura 44 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 45 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 46 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 47 Valores de alfahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
Figura 48 Dimensionamiento del depoacutesito de coleccioacuten de aguahelliphelliphellip 123
Figura 49 Cargas hidrostaacuteticashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
Figura 410 Distancia entre soporteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
Figura 412 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 413 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 414 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 415 Diagrama para seleccionar modelo de ventiladorhelliphelliphelliphelliphellip 131
Figura 416 Ventilador seleccionadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 132
Figura 417 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 418 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 419 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 51 Diagrama de Gantt 138
119
Figura 52 Sistema de deslizamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 171
Figura 53 Alineacioacuten de piso donde se asentaraacute la torrehelliphelliphelliphelliphelliphellip 172
Figura 54 Bomba de agua para torrehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 175
Figura 55 Tuberiacutea de succioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 176
Figura 56 Tablero de control eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 177
Figura 57 Intercambiador sumergido en colector de la torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 58 Bandejas perforadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 59 Torre de enfriamiento instaladahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 179
120
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphellip 6
Tabla 12 Paraacutemetros de almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
Tabla 21 Programa de carga eleacutectrica para la activacioacuten de las bateriacuteas de los
submarinoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
Tabla 22 Impurezas maacutes comunes en el agua que afectan los sistemas de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 23 Matriz de decisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
Tabla 24 Clasificacioacuten de las torres de enfriamiento 49
Tabla 25 Matriz de decisioacuten para seleccionar el tipo de torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
Tabla 31 Escala de presioacuten y valor U para tipos de intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Tabla 32 Aacuterea transversal de flujo y superficie para intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Tabla 33 Valores de entalpiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 102
Tabla 34 Caracteriacutesticas de humidificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103
Tabla 41 Dimensiones de zona sin perforarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
Tabla 42 Informe de resultados del anaacutelisis de la bandeja perforadahellip 119
Tabla 43 Informe de resultados del colector de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 127
Tabla 44 Informe de resultados de la campana de extraccioacutenhelliphelliphelliphellip 133
Tabla 45 Velocidades y caiacutedas de presioacuten permisibles 135
Tabla 46 Densidad del fluido en funcioacuten de la velocidadhelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
Tabla 51 Lista de equipos y herramientashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
121
IacuteNDICE DE PLANOS
Plano 1 Torre de enfriamiento y sus partes
Plano 2 Bandejas perforadas
Plano 3 Campana de extraccioacuten
Plano 4 Tanque colector
Plano 5 Placa soporte
Plano 6 Dimensiones de estructura de torre de enfriamiento
122
ABREVIATURAS
ordmC Grados centiacutegrados
Mg Magnesio
Si Silicio
m Metros
cm Centiacutemetros
mm Miliacutemetros
kg Kilogramos
t Toneladas meacutetricas
MVA Mega voltamperios
kwh Kilovatio hora
tkwh Kilovatio hora por tonelada
Nm3
Metro cuacutebico normalizado
FeMn Ferromanganeso
MgO Oacutexido de magnesio
m Microacutemetro
NO2 Dioacutexido de nitroacutegeno
3Nmg
Gramos por metro cuacutebico de aire normalizado
ht Toneladas por hora
3mg
Gramos por metro cuacutebico
123
3mmg
Miligramos por metro cuacutebico
3pieg
Gramos por pieacute cuacutebico
min
3pie Pieacute cuacutebico por minuto
gal galoacuten
CFM Pies cuacutebicos por minuto
t
Kg Kilogramos por tonelada
hm3
Metros cuacutebicos por hora
th
m3
Metros cuacutebicos por hora por tonelada
s Densidad del soacutelido
3mg
Microgramos por metro cuacutebico
3mkg
Kilogramo por metro cuacutebico
sm Metros por segundo
OHmmCol 2 Miliacutemetros de columna de agua
atm atmoacutesferas
Pa Pascales
FPM Pies cuacutebicos por minuto
A Aacuterea
V Velocidad
Q Caudal
sm3
Metros cuacutebicos por segundo
124
SP Presioacuten estaacutetica
VP Presioacuten dinaacutemica
kPa Kilopascales
MPa Megapascales
2lgpulb Libras por pulgadas cuadradas
antildeomm Miliacutemetro por antildeo
hmm
2
3
Metros cuacutebicos por metro cuadrado por hora
psi Libras por pulgada cuadrada
diaacutemetro
ppm Partes por milloacuten
M Momento
mpy Mileacutesimas de pulgada por antildeo
Mw Megavatios
T Diferencia de temperaturas
CkgJ
ordm Joules por kilogramo por grado centiacutegrado
k Conductividad
h Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
R Sumatoria de resistencias
f Factor de friccioacuten
St Nuacutemero de stanton
KmW
2 Vatios por metro cuadrado por grados kelvin
125
INTRODUCCIOacuteN
La Armada del Ecuador a cargo de la Direccioacuten de Mantenimiento de la
institucioacuten con el propoacutesito de brindar mantenimiento al escuadroacuten de
submarinos nacionales SS ndash 11 ldquoShyrirdquo y SS ndash 12 ldquoHuancavilcardquo tipo U ndash 209
de fabricacioacuten alemana considera el cambio inmediato de las bateriacuteas de
propulsioacuten instaladas en dichos submarinos por haber cumplido su ciclo de
vida
Las unidades submarinas son de propulsioacuten diesel ndash eleacutectricas las bateriacuteas
son las encargadas de suministrar la energiacutea necesaria para propulsar y
alimentar la red abordo
Las bateriacuteas operan desde el antildeo 1997 tiempo de operacioacuten hasta la fecha
de 11 antildeos que sobrepasan el tiempo de vida uacutetil que es de 10 antildeos lo que
requiere un reemplazo inmediato de las bateriacuteas
Es por eso que las bateriacuteas de propulsioacuten fueron adquiridas a traveacutes de la
Junta de Defensa Nacional a la compantildeiacutea alemana Hawker GMBH una
126
remesa de 960 bateriacuteas estas son del tipo plomo ndash aacutecido las bateriacuteas se
someten a un proceso de carga y descarga cuando estaacuten montadas en el
submarino este proceso genera calor y produccioacuten de hidroacutegeno en el
ambiente
Para controlar la generacioacuten de calor existe en el submarino un sistema de
enfriamiento utilizando agua del mar las bateriacuteas nuevas adquiridas no
vienen activadas de fabrica para evitar problemas de danos y eliminar
riesgos durante el viaje hasta las instalaciones de la Armada Nacional es por
eso que la institucioacuten a dispuesto un lugar estrateacutegico donde se va a
proceder a la construccioacuten del sistema de activacioacuten de las bateriacuteas lo que
conlleva a realizar trabajos preliminares para la puesta en marcha de estos
equipos
Como este proceso tiene que ser realizado en tierra la Armada del Ecuador
convoca a diferentes empresas para licitar en el disentildeo construccioacuten y
montaje de un sistema de enfriamiento de agua que va a ser utilizada en la
activacioacuten de 120 bateriacuteas a la vez
ERMARLO SA empresa en la cual me desenvolviacutea en el departamento de
proyectos fue adjudicada la licitacioacuten y fue asignado el proyecto de disentildeo y
construccioacuten del sistema de enfriamiento el cual es el objetivo de esta tesis
127
Se utilizaran varios programas computacionales como Inventor 10 ESP plus
con el fin de utilizarlos en la praacutectica con mayor destreza para solucionar
problemas
CAPITULO 1
1 GENERALIDADES 11 Descripcioacuten del Sistema de Poder de los Submarinos
A fin de clarificar ciertos aspectos importantes para comprender el sistema de
propulsioacuten de los submarinos se realizaraacute una breve descripcioacuten generalizada de
este tipo de buque
El submarino tipo U ndash 209 es un buque disentildeado exclusivamente para
operar bajo el agua esta afirmacioacuten puede parecer redundante pero
es necesaria para diferenciar los submarinos modernos de los usados
durante la primera y segunda guerras mundiales que era propiamente
128
ldquosumergiblesrdquo es decir los buques con capacidad de permanecer
periodos relativamente cortos bajo la superficie esto explica el disentildeo
de estos con cantildeones en cubierta para la defensa aeacuterea y de
superficie
Hasta la llegada de la propulsioacuten nuclear marina la mayoriacutea de los submarinos del
siglo XX usaron bateriacuteas eleacutectricas para la navegacioacuten subacuaacutetica y motores de
combustioacuten interna para la superficie y recargar las bateriacuteas Los primeros modelos
usaban gasolina como combustible pero pronto se sustituyoacute por parafina y luego
gasoacuteleo gracias a su menor inflamabilidad La combinacioacuten diesel-eleacutectrico se
convertiriacutea en el medio de propulsioacuten estaacutendar Inicialmente el motor diesel o gasolina
y el eleacutectrico separados por embragues estaban en el mismo eje e impulsaban el
propulsor Esto permitiacutea que el primero usase al segundo como generador para
recargar las bateriacuteas e impulsar tambieacuten al submarino si era necesario Cuando el
submarino se sumergiacutea se desembragaba el motor diesel de forma que se usase el
eleacutectrico para girar la heacutelice El motor eleacutectrico puede tener maacutes de un inducido sobre
el eje estando eleacutectricamente acoplados en serie para velocidades bajas y en
paralelo para velocidades altas
129
12 Caracteriacutesticas Principales del Submarino U ndash 209
Desplazamiento
(sumergidos)
1285 Ton
Dimensiones 559 6355 m
Propulsioacuten 4 MTU MD 12V992 Tb 90
diesel de 600 CV un
Siemens eleacutectrico de
5000 CV y 4
generadores eleacutectricos
de 405 Kw
Tipo Submarino diesel
eleacutectrico de ataque SSK
Astillero de origen Howaldtswerke Kiel
Alemania
Desplazamiento 1265 ton (superficie)
1396 ton (inmersioacuten)
Casco Acero naval reforzado
Celdas 480 de 11500 Amp ndash h y
un peso total de 257 ton
Combustible 108 ton
Profundidad
maacutexima
500 metros
Armamento 553 mm torpedos en
tubos (14) misil Sub-
130
Harpoon
Tripulacioacuten 33
TABLA 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U ndash 209
El submarino posee 4 bateriacuteas de 120 celdas cada una
Cada celda estaacute disentildeada para almacenar cargas con voltajes que no
exceden los 275 voltios de corriente continua Las 120 celdas estaacuten
conectadas en serie esto para cada bateriacutea
FIGURA 11 PARTES CONSTITUTIVAS DEL SUBMARINO U -209
13 Proceso de Carga y Descarga de las Bateriacuteas en el Submarino
131
Para activar las bateriacuteas antes de ser puestas en operacioacuten se
requiere que se cumpla un determinado procedimiento el cual
implica periodos de carga y descarga de acuerdo a un plan
establecido
131 Anaacutelisis del Sistema Operativo de las Bateriacuteas
El suministro de energiacutea eleacutectrica dentro del buque tiene un solo
responsable estas son las celdas del buque
Primeramente entieacutendase por celdas al elemento unitario de
energiacutea eleacutectrica del buque que baacutesicamente es un acumulador de
plomo y aacutecido o pila secundaria que puede recargarse invirtiendo
la reaccioacuten quiacutemica
La celda electroliacutetica que describiremos a continuacioacuten el
acumulador de plomo
Estos acumuladores constan de una serie de placas de plomo
dispuestas una al lado de la otra y separadas entre siacute por medio de
los separadores
Las placas son unas rejillas rectangulares en las que se efectuacutea
una transformacioacuten de energiacutea quiacutemica en eleacutectrica o viceversa
seguacuten se descargue o cargue repetidamente el acumulador
132
Existen dos clases de placas las positivas constituidas a base de
peroacutexido de plomo cuyo color es negruzco y las negativas
constituidas de plomo combinado con materiales inertes que no
intervienen en la transformacioacuten generalmente antimonio Al
peroacutexido de plomo y al plomo que componen las placas se les
denomina materia activa del acumulador
Las placas positivas estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute
mediante una barra o laacutemina metaacutelica denominada puente de
unioacuten Lo mismo ocurre para las placas negativas Sobre ambos
puentes se hallan los bornes del acumulador uno positivo y otro
negativo
El conjunto de placas positivas y negativas alternadas se
encuentran sumergidas en agua acidulada que es una mezcla de
acido sulfuacuterico y agua que hace las veces de electrolito
En las condiciones hasta ahora descritas el acumulador se halla
cargado es decir que si entre sus bornes conectamos un
consumidor por ejemplo una laacutempara por ella circula corriente y
por tanto se encenderaacute ello es debido a que entre sus placas de
peroacutexido de plomo y de plomo existe una diferencia de potencial
capaz de producir corriente eleacutectrica cuando circula esta corriente
a traveacutes de un consumidor el acumulador se estaacute descargando
133
Durante dicha descarga para la corriente desde la placa positiva a
la negativa por el por el receptor o consumidor exterior a la bateriacutea
y por el interior desde la placa negativa a traveacutes del electrolito a la
placa positiva
Al pasar la corriente por el electrolito se descompone la moleacutecula
del aacutecido sulfuacuterico en dos iones (SO4-) y (2H+) con cargas
negativas y positivas respectivamente que reaccionan formando
en la placa positiva peroacutexido de plomo (PbO2) mas agua en el
recipiente Esta agua se genera porque el oxiacutegeno liberado de la
placa positiva del peroacutexido de plomo se combina con el hidroacutegeno
descompuesto del aacutecido sulfuacuterico
De la misma manera se forma sulfato plumboso en la placa
negativa y agua en el recipiente La reaccioacuten de la descarga la
podriacuteamos resumir asiacute
134
A medida que se va descargando la concentracioacuten de aacutecido
sulfuacuterico en el electrolito va disminuyendo lo que origina que sea
menos conductor provocando este fenoacutemeno un aumento de la
resistencia interior en el elemento lo que produce una caiacuteda de
tensioacuten tan grande que deja la bateriacutea fuera del servicio uacutetil
Cuando ha sido atacado todo el peroacutexido de plomo y todo el plomo
cesa la transformacioacuten y con ella la corriente eleacutectrica el
acumulador descargado incapaz de producir maacutes corriente
eleacutectrica
Si estando el acumulador descargado aplicamos en sus bornes
una diferencia de potencial se produciraacute la electroacutelisis del agua
contenida en el recipiente y las transformaciones que habraacuten
tenido lugar durante la descarga se invertiraacuten es decir en las
placas positivas se transformara el sulfato plumboso en peroacutexido
de plomo y aacutecido sulfuacuterico y en las negativas en plomo y aacutecido
sulfuacuterico con lo que el acumulador quedara nuevamente cargado y
con la facultad de poder suministrar de nuevo corriente eleacutectrica
La reaccioacuten de carga se habraacute efectuado asiacute
135
Estos fenoacutemenos quiacutemicos se llevan a cabo en el interior del
acumulador se va intentar representarlos por una serie de figuras
Por ejemplo en la Figura 12 Se tiene una aproximacioacuten a un
esquema de reaccioacuten quiacutemica durante la descarga del acumulador
La laacutempara representa el aparato consumidor que estaacute recibiendo
energiacutea eleacutectrica en este momento En el interior del acumulador
se estaacuten descomponiendo del modo que indican las flechas las
moleacuteculas de cada uno de los componentes de las placas
conjuntamente y en colaboracioacuten con el electrolito y su
composicioacuten quiacutemica
Obseacutervese como en la parte baja de las placas se produce la
presencia del sulfato de plomo (PbSO4) que es el indicio claro de la
descarga (En este esquema se mantiene el sentido electroacutenico de
la corriente es decir el paso del negativo al positivo tal como
ocurre en la realidad aunque se ha aceptado convencionalmente la
inversa)
136
La descarga total del acumulador llegariacutea a producirse cuando
ambas placas se hallaran saturadas de sulfato de plomo y el
electrolito fuera praacutecticamente formado por agua destilada La luz
dejara de brillar en sentildeal evidente de la falta de energiacutea eleacutectrica
FIGURA 12 ESTADO DE DESCARGA DE UN ACUMULADOR
El proceso de carga podemos verlo en la Figura 13 La colocacioacuten
de un generador de corriente continua entre los bornes del
acumulador hace que la corriente circule entre placas y electrolito
Tal como puede verse en la parte alta de las placas la presencia
del sulfato plumboso (PbSO4) es general lo que indica su estado
descarga pero al paso de la corriente eleacutectrica proveniente del
generador activa una reaccioacuten quiacutemica en la que de nuevo acido
sulfuacuterico se recompone Poco a poco la placa negativa recobra su
137
plomo inicial y la positiva su peroacutexido de plomo mientras el
electrolito aumenta su densidad por encima de los valores casi del
agua que teniacutea en el estado totalmente descargado debido a su
enriquecimiento de acido sulfuacuterico [13]
Estas son pues las transformaciones quiacutemicas mediante las
cuales es posible convertir energiacutea eleacutectrica en energiacutea quiacutemica y
viceversa
FIGURA 13 ESTADO DE CARGA DE UN ACUMULADOR [13]
132 Caracteriacutesticas de las Bateriacuteas
138
A pesar de su diversa constitucioacuten todas las bateriacuteas pueden
ser definidas mediante unas caracteriacutesticas comunes que se
consideran seguidamente
Resistencia interna- Formada por la resistencia oacutehmica
de sus componentes (terminales electrodos soportes y
electrolito) y por una resistencia virtual variable en funcioacuten
del estado de carga y de las distintas polarizaciones y
concentraciones Aumenta con las bajas temperaturas
con la descarga de la bateriacutea y con el envejecimiento
Rendimiento- Es la relacioacuten entre la energiacutea
suministrada durante la descarga y la que se necesita
para cargar plenamente la bateriacutea Las peacuterdidas en una
bateriacutea se deben sobre todo a una produccioacuten de energiacutea
caloriacutefica en los procesos quiacutemicos que tienen lugar
durante la carga y descarga
Velocidad de carga y descarga - Las corrientes de
carga y descarga a menudo se especifican con unos
teacuterminos que indican la descarga completa en un periacuteodo
continuo de una hora Estos teacuterminos son los regiacutemenes C
y sus muacuteltiples y submuacuteltiplos son un medio muy coacutemodo
para especificar las velocidades de carga y descarga Por
tanto 10C es la corriente que descarga la bateriacutea en seis
139
minutos mientras que C10 es la corriente que descarga
la bateriacutea en diez horas
Vida uacutetil - La vida uacutetil de una bateriacutea no se mide en antildeos
sino por la cantidad de ciclos de carga - descarga que es
capaz de realizar Asiacute si se la somete a un reacutegimen de
trabajo de muchos ciclos diarios probablemente soacutelo
duraraacute unos meses mientras que si el reacutegimen es de un
ciclo al diacutea o incluso maacutes lento (como ocurre en el caso de
iluminacioacuten de viviendas con energiacutea solar) la bateriacutea
puede durar al menos diez antildeos
133 Capacidad de una Bateriacutea
Es la cantidad de electricidad que puede entregar cuando se
descarga antes de que su tensioacuten disminuya por debajo de un
nivel miacutenimo Su siacutembolo es C y se expresa en A - h Otro
factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una bateriacutea
es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten quiacutemica
que tiene lugar en el acumulador se acelera demasiado y la
vida se acorta Si la temperatura es baja la vida se prolonga
pero si baja demasiado puede correr el riesgo de congelacioacuten
En este caso lo mejor seraacute mantener la bateriacutea en un nivel de
140
carga alto ya que cuanto mayor sea la concentracioacuten del
electrolito el punto de congelacioacuten seraacute maacutes bajo
La capacidad de una bateriacutea variacutea seguacuten el reacutegimen de
descarga aumenta a medida que la descarga es maacutes lenta y
disminuye cuando esta es maacutes raacutepida
Por esta razoacuten el valor de C debe venir referenciado con el
tiempo de descarga
FIGURA 14 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
REGIMEN DE DESCARGA [13]
Un incremento de la temperatura dentro de unos liacutemites
aumenta la actividad de los procesos quiacutemicos y por lo tanto
la capacidad de la bateriacutea Por el contrario a bajas
temperaturas la actividad quiacutemica es menor y la capacidad
disminuye considerablemente
141
FIGURA 15 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN LA
TEMPERATURA [13]
La historia de la bateriacutea afecta tambieacuten a la capacidad Si una
bateriacutea lleva un largo periacuteodo sin ser recargada en toda su
capacidad se produce un efecto memoria que impide que
recupere su capacidad nominal siendo necesarios varios
ciclos de carga y descarga para recuperarla El
envejecimiento de una bateriacutea merma su capacidad y va
disminuyendo a lo largo de su vida en funcioacuten del servicio de
carga - descarga a que sea sometida Para el caacutelculo de la
capacidad nominal necesaria hay que tener en cuenta la vida
uacutetil que se desea para la bateriacutea si se desea una vida uacutetil de
142
3 antildeos y el fabricante indica que al final de este periacuteodo soacutelo
se mantiene el 50 de la capacidad habraacute que utilizar una
bateriacutea de capacidad doble a la estimada necesaria
FIGURA 16 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
NUacuteMERO DE CICLOS [13]
Ademaacutes de los ciclos de carga - descarga tambieacuten hay que
considerar la profundidad de la descarga media que se
produce en cada uno de ellos Si dicha descarga es
moderada y soacutelo de vez en cuando se alcanza una
profundidad elevada el nuacutemero de ciclos que soportaraacute las
bateriacuteas seraacute elevado A medida que se la someta a
descargas maacutes profundas el nuacutemero de ciclos que podraacute
realizar y por tanto su vida uacutetil iraacute disminuyendo En
143
cualquier caso la profundidad de descarga maacutexima admisible
para un acumulador plomo - aacutecido es del 80
FIGURA 17 VARIACION DE LA VIDA UTIL EN FUNCION
DE LA DESCARGA [13]
Con un reacutegimen de descarga diaria del 25 de su capacidad
y un 80 de descarga 2 veces al antildeo (condiciones que
normalmente se dan en una instalacioacuten fotovoltaica) la
bateriacutea solar puede alcanzar una vida uacutetil de maacutes de 11 antildeos
Otro factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una
bateriacutea es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten
quiacutemica que tiene lugar en el acumulador se acelera
demasiado y la vida se acorta Si la temperatura es baja la
144
vida se prolonga pero si baja demasiado puede correr el
riesgo de congelacioacuten En este caso lo mejor seraacute mantener
la bateriacutea en un nivel de carga alto ya que cuanto mayor sea
la concentracioacuten del electrolito el punto de congelacioacuten seraacute
maacutes bajo
Las mayores formas de acortar la vida uacutetil de un acumulador
son
someterlos a cargas y descargas violentas y repetidas
descargarlo hasta el agotamiento
trabajar a temperaturas extremas
134 Autodescarga
La autodescarga de una bateriacutea consiste en la peacuterdida de
energiacutea por reaccioacuten entre los materiales que forman los
elementos de la bateriacutea en condiciones de circuito abierto es
decir cuando no hay carga alguna conectada al circuito de la
bateriacutea Depende del tipo de bateriacutea y muy directamente de la
temperatura aumentando con esta Por ello y dado que los
valores estaacutendar suelen venir referidos a una temperatura
145
media (unos 20 oacute 25ordmC) es preciso tener en cuenta que este
factor puede alterarse en algunos casos
FIGURA 18 VARIACION DE LA CAPACIDAD POR
AUTODESCARGA [13]
La autodescarga hay que considerarla como un consumo
adicional que demanda un cierto porcentaje de energiacutea
almacenada Su valor es aproximadamente de un 05 a un
1 diario en bateriacuteas plomo - aacutecido
146
135 Almacenamiento
Los fabricantes suelen dar recomendaciones para el almacenamiento
Mostramos las condiciones recomendadas para aplicaciones solares
en la tabla siguiente
TABLA 12 PARAMETROS DE ALMACENAMIENTO [18]
Las bateriacuteas almacenadas llenas y cargadas requieren un periodo de
recarga antes de su instalacioacuten El fabricante debe proporcionar las
instrucciones acerca de los intervalos y meacutetodos en los que debe
efectuarse
La exposicioacuten a alta temperatura y humedad durante el
almacenamiento puede ocasionar una peacuterdida de capacidad La
temperatura de una bateriacutea guardada en un recipiente expuesto a la
luz directa del sol puede subir a 60 degC o maacutes durante el diacutea
147
136 Principales Meacutetodos de Carga
La vida uacutetil de una bateriacutea y sus prestaciones dependen
directamente de los procesos de carga a los que es sometida
Por esta razoacuten hay que seguir en cada caso las
recomendaciones que da el fabricante
Los principales meacutetodos de carga son
1 Tensioacuten constante
2 Corriente constante
3 Corriente descendente
4 Dos niveles de tensioacuten constante
Tensioacuten constante
El meacutetodo de carga a tensioacuten constante es el maacutes usado para
cargar bateriacuteas de plomo - aacutecido Consiste en aplicar una
tensioacuten constante de 23 24 oacute 25 Velemento limitando la
corriente inicial de carga a 01C oacute 02 C amperios siendo C la
capacidad de la bateriacutea en amperios - hora El tiempo de
carga va de 40 horas a 10 horas y la tensioacuten debe regularse
seguacuten la temperatura ambiente si la temperatura es alta la
tensioacuten de carga debe ser baja y viceversa
148
Algunos fabricantes admiten la utilizacioacuten de este meacutetodo sin
limitacioacuten de corriente pues sus bateriacuteas estaacuten
dimensionadas para fuertes corrientes En este caso si se
inicia el proceso con 23Velemento la corriente inicial
despueacutes de una descarga profunda seraacute de 3C amperios y de
un 05C durante un periacuteodo largo
Corriente constante
El meacutetodo de carga a corriente constante es recomendado
por algunos fabricantes para las bateriacuteas de niacutequel - cadmio
limitando la corriente entre 025C y 005C amperios En el
caso de carga profunda se admiten corrientes de 1C
amperios pero vigilando la tensioacuten de la bateriacutea o la
temperatura
La carga a corriente constante se utiliza como carga de
igualacioacuten en bateriacuteas plomo - aacutecido para corregir diferencias
de capacidad entre las bateriacuteas de un mismo grupo Para
evitar una sobrecarga que destruya la bateriacutea es necesario
terminar cuando la bateriacutea alcance su maacutexima capacidad
149
Corriente descendente
Es el sistema de carga maacutes econoacutemico y es utilizado por
algunos fabricantes para sus bateriacuteas niacutequel - cadmio
Consiste en una carga sin regulacioacuten limitada por una
resistencia serie que en algunos casos es la propia
resistencia del devanado del transformador de alimentacioacuten
A medida que la bateriacutea se va cargando la corriente de carga
va descendiendo gradualmente Es un meacutetodo antiguo y muy
peligroso porque la tensioacuten y corriente de carga dependen de
las fluctuaciones de la corriente de la red con lo que existe
riesgo impliacutecito de sobrecarga
Dos niveles de tensioacuten constante
Es el meacutetodo recomendado para cargar una bateriacutea de plomo
- aacutecido hermeacutetica en un periacuteodo corto de tiempo y mantener la
bateriacutea en plena carga en situacioacuten de flotacioacuten Inicialmente
se carga a un nivel alto de tensioacuten (245Velemento)
limitando la corriente A partir de que esta disminuya por
debajo de un nivel se pasa a tensioacuten constante permanente o
de flotacioacuten Este meacutetodo es el maacutes eficiente pues minimiza el
tiempo de carga y la bateriacutea queda protegida de sobrecargas
150
Despueacutes de una descarga profunda es necesario un tiempo
de carga maacutes largo de lo normal Inicialmente la corriente que
admite la bateriacutea es baja ya que la resistencia interna tiene
un valor elevado y no adquiere su valor normal hasta pasados
unos 30 minutos Por este motivo es necesario inhibir el
control durante este periacuteodo de tiempo pues el cargador
podriacutea suponer que la bateriacutea estaacute cargada y dejarla en
flotacioacuten
137 Control de Carga
Para mantener el rendimiento oacuteptimo de una bateriacutea es esencial que
su carga se controle adecuadamente Al comienzo del ciclo de carga la
corriente deberiacutea limitarse para asegurar que no se produzca
generacioacuten de gases a causa de un voltaje excesivo aplicado al vaso
mientras la capacidad se recupera la corriente de carga debe
limitarse para mantener el voltaje de los vasos en el umbral requerido
para la generacioacuten de gases o ligeramente inferior una vez
recuperada la plena capacidad se deberiacutea aplicar una carga final a
corriente constante por un periacuteodo de tiempo fijo (carga de
igualacioacuten) Aunque estas condiciones no puedan lograrse
praacutecticamente en los sistemas de energiacutea fotovoltaica hay ciertas
151
circunstancias que se necesitan para minimizar el mantenimiento y
mantener la vida de la bateriacutea Los paraacutemetros del regulador tendraacuten
en cuenta los efectos del disentildeo del generador fotovoltaico la carga
la temperatura y los valores liacutemite recomendados para proteger la
bateriacutea Las de plomo-aacutecido o de niacutequel-cadmio tendraacuten el electrolito
suficiente para cubrir el periacuteodo entre por lo menos las visitas de
mantenimiento planificadas [13]
La sobrecarga excesiva no aumenta la energiacutea almacenada en la
bateriacutea En cambio la sobrecarga afecta al intervalo de servicio
debido al consumo de agua destilada en las bateriacuteas aacutecidas como
resultado de la generacioacuten de gases Para minimizar este efecto el
voltaje de regulacioacuten de la carga debe compensarse con los cambios
en la temperatura del electrolito ya que esto afecta directamente al
umbral de voltaje de generacioacuten de gases Contrariamente a esto la
estratificacioacuten puede ocurrir en bateriacuteas de electrolito liacutequido
particularmente en sistemas fotovoltaicos doacutende la insolacioacuten es a
menudo insuficiente para proporcionar generacioacuten de gases durante
el funcionamiento normal La estratificacioacuten se produce cuando capas
menos densas de electrolito se depositan sobre capas maacutes densas
situadas en el fondo de los vasos lo que produce una reduccioacuten de
152
capacidad Esto puede corregirse con la agitacioacuten que se produce
durante el proceso de gasificacioacuten Por consiguiente el proceso de
regulacioacuten de carga debe disentildearse para promover la generacioacuten de
gases a intervalos regulares Esto puede lograrse elevando el voltaje
de control de carga durante un periacuteodo y restablecieacutendolo una vez
que se ha producido la generacioacuten de gases
138 Administracioacuten de la Temperatura en las Bateriacuteas
Limites de temperatura de operacioacuten
Todas las bateriacuteas dependen para su funcionamiento de un proceso electroquiacutemico
ya sea en carga o descarga y sabemos que estas reacciones quiacutemicas son en alguna
manera dependientes de la temperatura La capacidad nominal de una bateriacutea se
especifica usualmente en alguacuten punto dentro del rango de trabajo entre +20ordmC hasta
+30ordmC (+68ordmF ~ +86ordmF) sin embargo la capacidad real puede desviarse
substancialmente del valor nominal si la bateriacutea es forzada a trabajar a mayores o
menores temperaturas (Figura 18) La Ley de Arrhenius dice que la velocidad a la
cual una reaccioacuten quiacutemica se produce incrementa exponencialmente seguacuten la
temperatura aumenta Esto permite que se extraiga mayor potencia de la bateriacutea en
un instante a mayores temperaturas que la de trabajo Al mismo tiempo las mayores
temperaturas aumentan la movilidad de los electrones o iones reduciendo asiacute la
impedancia interna de la celda por consiguiente aumentando su capacidad Sin
embargo en el extremo superior de la escala las altas temperaturas pueden
tambieacuten iniciar reacciones quiacutemicas no deseadas o irreversibles yo peacuterdida de
electrolito lo cual puede causar un dantildeo permanente o falla completa de la bateriacutea
En el extremo inferior de la escala el electrolito se puede congelar fijando un liacutemite
153
para la capacidad a bajas temperaturas Por debajo del punto de congelamiento del
electrolito la capacidad de la bateriacutea comienza a deteriorarse seguacuten la velocidad de
la reaccioacuten quiacutemica se reduce Auacuten cuando una bateriacutea esteacute especificada para
trabajar bajo los -20ordmC oacute -30ordmC la capacidad a 0ordmC y por debajo de este punto de
disminuye considerablemente Debemos tomar en cuenta que el liacutemite inferior de
temperatura de trabajo de una bateriacutea puede depender de su estado de carga Un
sistema real puede por lo tanto necesitar ambos calentamiento y enfriamiento
ambiental forzado para mantenerlo no soacutelo dentro de los rangos liacutemite de trabajo
especificado por el fabricante sino dentro de un rango maacutes limitado para alcanzar
desempentildeo oacuteptimo
FIGURA 18 CAPACIDAD DE CARGA DE BATERIAS PLOMO ndash ACIDO A
DIFERENTES TEMPERATURAS
Efectos teacutermicos externos
154
Efectos teacutermicos externos La condicioacuten teacutermica de la bateriacutea es tambieacuten dependiente
de su ambiente Si su temperatura estaacute sobre la temperatura ambiente perderaacute calor
por efecto de la conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten Si la temperatura ambiente es
mayor la bateriacutea absorberaacute calor de sus alrededores
Cuando la temperatura ambiente es muy alta el sistema de manejo de la
temperatura debe trabajar muy duro para mantener la temperatura bajo control Una
sola celda puede trabajar muy bien a la temperatura ambiente de una sala por siacute
sola pero si es parte de un paquete de bateriacuteas rodeada de celdas similares todas
generando calor auacuten si la carga es la misma para todas podriacutea exceder sus liacutemites
de temperatura
FIGURA 19 REACCION EXOTERMICA
155
CAPITULO 2
2 DESCRIPCIOacuteN DEL PROBLEMA
Las unidades navales de la Armada del Ecuador dentro de los escenarios
en tiempo de paz y conflicto una de sus principales funciones es de
mantener los equipos y sistemas operativos como parte fundamental en
la operatividad como parte de estas funciones la Direccioacuten de
Mantenimiento de la institucioacuten es la encargada de realizar el cambio de
las bateriacuteas del Escuadroacuten de submarinos de que son las encargadas
suministrar energiacutea eleacutectrica a todo el submarino
156
Se adquiere una remesa de 960 bateriacuteas nuevas para eacutel los submarinos
a la empresa alemana Hawker GMBH ya que es necesario se efectuacutee la
remocioacuten de las bateriacuteas por cuanto su tiempo de vida uacutetil fue alcanzado
en el antildeo 2006 estos equipos vienen realizados sus pruebas de control
de calidad pero no vienen eleacutectricamente cargadas por lo que se
requiere realizar la operacioacuten de activacioacuten en tierra antes de ser puestas
en los submarinos
Para esto se requiere construir un sistema que permita la carga de 120
bateriacuteas a la vez Como se analizoacute en el Capitulo 1 existen tres
paraacutemetros que se debe controlar en el momento de carga o activacioacuten
de estos elementos que son
Voltaje
Corriente
Temperatura
El paraacutemetro de voltaje es necesario conocerlo para saber cuando las
celdas necesitan recargarse o cuando una de las celdas esta averiada y
tomar las acciones necesarias para continuar con el procedimiento de
activacioacuten de los elementos
157
El paraacutemetro de la corriente es necesario conocerlo para saber queacute
cantidad de energiacutea eleacutectrica estaacute entregando o recibiendo las celdas y
de esta manera conocer los amperios ndash hora que estaacute recibiendo las
celdas
El paraacutemetro de temperatura es criacutetico y es el paraacutemetro que esta tesis
estaacute encargada de controlar en este proceso de activacioacuten ya que se
desprende hidrogeno y sabiendo que el hidrogeno es un gas inflamable y
que al combinarse con el oxigeno en un determinado porcentaje es
detonante por este motivo se debe tener estricto control en la
temperatura de las celdas y de la concentracioacuten de hidrogeno en el aacuterea
de activacioacuten
El resultado de los efectos termo-eleacutectricos y termo-quiacutemicos posiblemente aumentados por las
condiciones ambientales es generalmente un aumento en la temperatura y como se dijo
anteriormente esto provocaraacute un incremento exponencial en la velocidad a la cual la reaccioacuten
quiacutemica se da Tambieacuten sabemos que si el aumento de temperatura es excesivo muchas cosas
desagradables pueden suceder
Los quiacutemicos activos se expanden causando que la celda se
ldquohincherdquo
Distorsiones mecaacutenicas en los componentes de la celda pueden
provocar corto circuitos o circuitos abiertos
158
Pueden darse reacciones quiacutemicas irreversibles las cuales
causaraacuten una reduccioacuten permanente en los quiacutemicos activos y por
lo tanto en la capacidad de la celda
Operacioacuten prolongada a altas temperaturas puede causar roturas
en partes plaacutesticas de la celda
Se expeleraacuten muchos gases de la celda debido a lo cual aumenta
la presioacuten dentro de esta lo que puede llevar eventualmente a una
ruptura o explosioacuten de la misma
Se podriacutean liberar quiacutemicos toacutexicos o inflamables
21 Requerimientos para el Proceso de Enfriamiento de las
Bateriacuteas de los Submarinos
Las bateriacuteas son colocadas en un cuarto de activacioacuten designado por la Armada del
Ecuador este cuarto debe ser adecuado para colocar 240 bateriacuteas colocadas sobre
plataformas de carga 4 unidades por plataforma en fila cada bateriacutea debe ser enfriada
de acuerdo a los paraacutemetros especificados por el fabricante
159
FIGURA 21 TRABAJOS PRELIMINARES
El enfriamiento de los elementos de la bateriacutea se consigue haciendo pasar el agua
destilada a traveacutes de los polos negativos y positivos que son huecos pasando desde
aquiacute a traveacutes de tuberiacuteas de salida hacia la tuberiacutea principal
Salida de agua
destilada caliente
Ingreso de agua
destilada friacutea
Salida de agua
destilada caliente
160
FIGURA 22 ESQUEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIA POR MEDIO DE AGUA
DESTILADA
22 Condiciones Teacutecnicas para la Activacioacuten de las Bateriacuteas de
Los Submarinos
Por lo que debe cumplirse con los programas de carga y descarga
siendo la temperatura un paraacutemetro a controlar principalmente en
el periodo de carga
Carga 10 h 590 A 5900 A-h
40 h 435 A 17400 A-h
Ingreso de agua
destilada friacutea
161
4 h Pausa
18 h 200 A 3600 A-h
Descarga 16 h 564 A
Carga aprox 31 h Carga Factor carga 125
27 Cargar 2h 200 A1h pausa
Descarga 20 h 564 A
Carga aprox 36 h Cargar IUI
TABLA 21 PROGRAMA DE CARGA ELECTRICA PARA LA ACTIVACION DE LAS
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
23 Alternativas de Solucioacuten
Los procesos de enfriamiento del agua se cuentan entre los maacutes antiguos que haya
desarrollado el hombre Por lo comuacuten el agua se enfriacutea exponiendo la superficie al aire
Algunos de estos procesos son lentos como el enfriamiento del agua en la superficie
de un estanque otros son comparativamente raacutepidos por ejemplo el rociado de agua
hacia el aire todos estos procesos implican la exposicioacuten de la superficie del agua al
aire en diferentes grados
Al enfriar agua es importante tener en cuenta consideraciones que mejoraran al modo
de enfriamiento del agua y que pueden significar un mayor rendimiento en el proceso
industrial Por esta razoacuten los meacutetodos de enfriamiento pueden ser mejorados en base a
estudios preliminares que cumplen con las normas existentes
162
El agua en estado puro no existe y dependiendo de la fuente de donde provenga
contiene un sin nuacutemero de impurezas a continuacioacuten enlistaremos solo las que nos
afectan en el tratamiento interno de los sistemas de enfriamiento
Constituyente Formula Quiacutemica
Dificultad de causa
Dureza Sales de Ca y Mg Fuente principal de incrustaciones en tuberiacuteas
Acidez mineral H2SO4
Libre HCl Corrosioacuten
Dioacutexido de carbono CO2 Corrosioacuten en las liacuteneas de agua
Sulfatos
SO4
Aumenta el contenido de soacutelidos en el agua Se combina con calcio para formar sales incrustantes de sulfato de calcio
Cloruros
Cl como NaCl
Aumento el contenido de soacutelidos e incrementa el caraacutecter corrosivo del agua
Siacutelice
SiO2
Incrustacioacuten en sistemas de agua de enfriamiento
Hierro Fe +2 ferroso
Fe +3 feacuterrico
Fuente de depoacutesitos en las tuberiacuteas
Oxigeno O2 Oxidacioacuten en tuberiacuteas
Sulfuro de hidrogeno H2S Corrosioacuten
Soacutelidos disueltos Elevadas concentraciones de soacutelidos son indeseables debido a que originan formacioacuten de lodos
Soacutelidos suspendidos Originan depoacutesitos en equipos intercambiadores de calor y tuberiacuteas ocasionan formacioacuten de lodos o incrustaciones
Microorganismos Algas limo y hongos
Formacioacuten de adherencia suciedad bioloacutegica corrosioacuten olores desagradables
TABLA 22 IMPUREZAS MAS COMUNES EN EL AGUA QUE AFECTAN LOS
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
De acuerdo a las especificaciones indicadas anteriormente
principalmente se requiere remocioacuten de calor de las bateriacuteas
163
mientras estas se encuentran en el proceso de activacioacuten en tierra
para la cual se plantea algunas alternativas de varios sistemas de
enfriamiento para posteriormente escoger la maacutes oacuteptima
231 Sistema de enfriamiento directo
Las instalaciones donde se van a colocar las bateriacuteas para ser
activadas estaacuten cerca del estero para lo cual se analizaran
ventajas y desventajas de utilizar este sistema
E-1
Agua de mar
Cuarto de
activacion de
baterias
FIGURA 23 ESQUEMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
DIRECTO
Ventajas
Se tiene agua permanente y en gran cantidad tomada desde
el estero
164
No se requiere instalaciones hidraacuteulicas complicadas
Desventajas
El agua que debe ingresar al sistema de enfriamiento de las
bateriacuteas debe ser esteacuteril pero el agua del estero contiene
cantidades apreciables de sales disueltas lo que implica el
que se tendriacutea que pensar en una planta de tratamiento de
agua
El agua caliente que sale como producto de la remocioacuten de
calor retorna al estero se presenta el problema de
contaminacioacuten teacutermica que puede ser tan grave como
cualquier otra forma de contaminacioacuten ya que el agua tibia
estimula el crecimiento anormal de algas que en cierto modo
consume el oxigeno de uso animal
232 Sistema de enfriamiento para Bateriacuteas de Submarino
utilizando Intercambiadores Enfriados por Aire
Consiste en una serie de tubos situados en una corriente de
aire que puede ser forzada con ayuda de un ventilador
Ventajas
Los tubos suelen tener aletas para aumentar el aacuterea de
transferencia de calor
165
Pueden ser de hasta 12 m de largo y 25 a 5 m de ancho
Un intercambiador de aire tiene una diferencia de
temperatura de unos 12 oC
Desventajas
En un intercambiador de calor enfriado por aire hay que
considerar gastos de enfriamiento del agua es
relativamente caro
E-1
Cuarto de activacion de
baterias
E-2
FIGURA 24 ESQUEMA DE SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
UTILIZANDO INTERCAMBIADORES ENFRIADOS POR AIRE
233 Sistema de Enfriamiento de Bateriacuteas de Submarino
Utilizando Chiller
Un Chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea
para el enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor
generado en un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que
el proceso finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su
temperatura y el agua durante el paso por el proceso la eleva
El agua ahora caliente retorna al chiller donde nuevamente se reduce su
temperatura para ser enviada nuevamente al proceso
166
Ventajas
El chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten
Alimentacioacuten al sistema con diferentes caudales y presiones y temperaturas
de agua
Alto rango de enfriamiento inclusive temperaturas de congelacioacuten con
adicioacuten de anticongelantes
Desventajas
Mantenimiento costoso ya que incluye un compresor un condensador
evaporador vaacutelvula de expansioacuten refrigerante y tuberiacuteas
Consumo de energiacutea
CHILLER
ENFRIADOR DE AGUA
DESTILADA
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
FIGURA 25 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIAS PARA
SUBMARINO UTILIZANDO UN CHILLER
234 Sistema de Enfriamiento Utilizando Intercambiador de
Calor y Torre de Enfriamiento
167
Ventajas
Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para
enfriar un fluido que esta maacutes caliente de lo deseado
transfiriendo este calor a otro fluido que esta frio y
necesita ser calentado
La transferencia de calor se realiza a traveacutes de una
pared metaacutelica o de un tubo que separa ambos fluidos
Las torres para enfriamiento de agua son dispositivos
cuya finalidad es extraer calor del agua a traveacutes del
contacto directo con el aire
Las torres tienen muacuteltiples aplicaciones desde
pequentildeas instalaciones de aire acondicionado hasta en
grandes complejos de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
Se puede decir que su uso estaacute justificado en sistemas
que utilizan agua como medio refrigerante donde sea
necesario disipar grandes cantidades de calor a bajo
costo y el salto de temperatura requerido sea del orden
de 10degC
La Armada del Ecuador proporcionara el banco de
tubos de un Intercambiador de Calor en desuso
Desventajas
Sistema ocupa mayor espacio fiacutesico
168
Tiempo de montaje relativamente largo
Sistemas sujetos a mayor corrosioacuten
Alcanza diferenciales de temperatura bajos en relacioacuten
a los otros sistemas
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
INTERCAMBIADOR
DE CALOR
AGUA DE TORRE CALIENTE (SALE
DEL INTERCAMBIADOR)
AGUA DESTILADA
CALIENTE SALE DE
BANCO DE BATERIAS
AGUA FRIA DE
TORRE ENTRA AL
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA FRIA
SALE DE
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA A
TEMPERATURA
ADECUADA (FRIA)
ENTRA A LAS BATERIAS
FIGURA 26 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO UTILIZANDO
INTERCAMBIADOR DE CALOR Y TORRE DE
ENFRIAMIENTO
24 Seleccioacuten de la Mejor Alternativa para el Sistema de
Enfriamiento de las Bateriacuteas
169
Para la seleccioacuten del sistema de enfriamiento para las bateriacuteas
de los submarinos se utilizaraacute una matriz de decisioacuten de
acuerdo a los paraacutemetros descritos anteriormente tomando en
cuenta las ventajas y las desventajas de cada sistema se ha
tomado en cuenta para esta operacioacuten los paraacutemetros maacutes
significativos en el proceso de la solucioacuten del problema
asignando a cada uno un porcentaje de acuerdo a la
importancia que este brinda para escoger la solucioacuten
Para ingresar a la matriz a las alternativas se les reconoceraacute
con sus iniciales
Sistema de enfriamiento directo SED
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador
enfriado por aire
SEIEA
Sistema de enfriamiento utilizando chiller SECh
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador de
calor y Torre de enfriamiento
SEICTE
170
Paraacutemetros
1 Costos de los sistemas de enfriamiento 3
2 Mantenimiento de equipos 4
3 Cumple con especificaciones y requerimientos de la
propuesta 2
4 Facilidad para adquisicioacuten de equipos 3
5 Durabilidad del sistema 1
1 2 3 4 5 Total
3 4 2 3 1
SED 25 2 0 15 05 65
SEIEA 15 10 10 10 05 50
SECh 05 10 10 10 10 45
SEICTE 15 15 15 15 10 70
TABLA 23 MATRIZ DE DECISION
De acuerdo a la matriz de decisioacuten planteada la solucioacuten maacutes
adecuada es la propuesta del sistema de enfriamiento con
intercambiador de calor y torre de enfriamiento
Existen varias torres de enfriamiento que se podriacutean adaptar al
sistema a continuacioacuten se mencionaran cada una de estas para
seleccionarla de por medio de otra matriz de decisioacuten
171
25 Torres de Enfriamiento y su Clasificacioacuten
251 Torres de circulacioacuten natural
Estas no hacen uso de ventiladores para la circulacioacuten de aire se clasifican en
torres atmosfeacutericas
torres de tiro natural
Torres atmosfeacutericas
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Utilizan las corrientes de aire de la atmoacutesfera (son de flujo cruzado)
2 Son abiertas
3 Deben instalarse en lugares muy despejados de forma que ninguacuten obstaacuteculo
pueda impedir la libre circulacioacuten de aire a traveacutes de la torre
4 Tienen un costo inicial alto debido a su gran tamantildeo pero el costo de
mantenimiento es reducido al no existir partes mecaacutenicas moacuteviles
5 Se debe garantizar que funcionaraacute habitualmente expuesta a vientos de
velocidades iguales o superiores a los 8 kmh
6 Si la velocidad promedio del viento es baja los costos fijos y de bombeo
aumentan mucho en relacioacuten a una torre de tiro mecaacutenico y no compensan el
ahorro del costo de ventilacioacuten Actualmente las torres atmosfeacutericas estaacuten en
desuso
172
Torres de tiro natural
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno
2 La diferencia de densidades entre el aire huacutemedo caliente y el aire atmosfeacuterico
es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a traveacutes de la torre
3 La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el
viento que circula por la parte superior de la chimenea tambieacuten ayuda a
establecer el flujo de aire
4 Son altas y deben tener una seccioacuten transversal grande para facilitar el
movimiento del aire ascendente
5 Tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes
caudales de agua
6 Al igual que las torres atmosfeacutericas no tienen partes mecaacutenicas
7 La velocidad media del aire a traveacutes de la torre suele estar comprendida entre 1
y 2 ms
8 No es posible conseguir un valor de acercamiento pequentildeo y es muy difiacutecil
controlar exactamente la temperatura del agua
9 En las torres de tiro -natural no se pueden utilizar rellenos de gran compacidad
debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo maacutes pequentildea posible
10 Estas torres son muy utilizadas en centrales teacutermicas muy pocas veces son
aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversioacuten inicial necesaria
252 Torres de tiro mecaacutenico
1 Proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado
2 Son torres compactas con una seccioacuten transversal y una altura de bombeo
pequentildeas en comparacioacuten con las torres de tiro natural
3 Valores de acercamiento muy pequentildeos (hasta de 1 a 2 ordmC aunque en la
praacutectica acostumbra a ser de 3 a 4 ordmC)
4 Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire el tiro es forzado
173
5 Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire se habla de tiro
inducido
Torres de tiro forzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre
2 Son casi siempre de flujo a contracorriente
3 Son maacutes eficientes que las torres de tiro inducido puesto
que la presioacuten dinaacutemica convertida a estaacutetica realiza un
trabajo uacutetil El aire que se mueve es aire friacuteo de mayor
densidad que en el caso de tiro inducido
4 El ventilador trabaja con aire friacuteo y no saturado
5 El equipo mecaacutenico tendraacute una duracioacuten mayor que en el caso de tiro inducido
6 El inconveniente radica en la posibilidad de recirculacioacuten del
aire de salida hacia la zona de baja presioacuten creada por el
ventilador en la entrada de aire En la siguiente figura se
puede observar la distribucioacuten de sus partes constituyentes
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
174
Flujo de aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 27 TORRE DE ENFRIAMIENTO DE TIRO FORZADO
Torres de tiro inducido
Estas torres son de gran importancia a nivel industrial son solucioacuten econoacutemica
a los requerimientos de enfriamiento pueden ser de dos tipos
De flujo a contracorriente
De flujo cruzado
Torres de tiro inducido y flujo a contracorriente
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Tanto el agua como el aire van en la misma direccioacuten pero en
sentidos opuestos
2 El agua maacutes friacutea se pone en contacto con el aire maacutes seco
lograacutendose un maacuteximo rendimiento
3 El aire puede entrar a traveacutes de una o maacutes paredes de la torre
4 Altura de entrada de aire reducida en comparacioacuten con las de tiro
inducido y flujo cruzado Existe el riesgo de arrastre de suciedad y
cuerpos extrantildeos dentro de la torre debido a la velocidad de
entrada de aire
5 La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se
traduce en un aumento de la potencia de ventilacioacuten en
comparacioacuten con otras torres En la siguiente figura se observa la
distribucioacuten de las partes constituyentes de este tipo de torre
175
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Ducto de salida de aire
Ventilador
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
Bandeja colectora de agua friacutea
Agua friacutea
Acceso de aire friacuteo no saturado
FIGURA 28 TORRE DE FLUJO A CONTRACORRIENTE Y TIRO
INDUCIDO
Torres de tiro inducido y flujo cruzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
176
1 El aire circula en direccioacuten perpendicular respecto al
agua que desciende
2 Tienen una altura menor que las torres de flujo a
contracorriente ya que la altura total de la torre es
praacutecticamente igual a la del relleno Pero su
diaacutemetro o seccioacuten transversal es relativamente
mayor a las de tiro inducido y flujo a contracorriente
3 El mantenimiento de estas torres es menos
complicado que en el caso de las torres a
contracorriente
4 Facilidad de inspeccioacuten de los distintos
componentes internos de la torre
5 La principal desventaja de estas torres es que no
son recomendables para aquellos casos en los que
se requiera un gran salto teacutermico y un valor de
acercamiento pequentildeo puesto que ello significaraacute
maacutes superficie transversal y maacutes potencia de
ventilacioacuten que en el caso de una torre de flujo a
contracorriente
En la siguiente figura se observan sus partes
177
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Depoacutesito
surtidor de agua caliente
Aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 29 TORRE DE FLUJO CRUZADO Y TIRO INDUCIDO
253 Especificacioacuten del Tipo de Torre de Enfriamiento a Usarse
Para seleccionar el tipo de torre de enfriamiento adecuado empleo una matriz de
decisioacuten en la que en la primera fila pondero al costo inicial costo de operacioacuten
tamantildeo compacto facilidad de mantenimiento y sobre todo al espacio requerido
para el montaje como las caracteriacutesticas requeridas para solucionar el problema
Las alternativas de solucioacuten son las 5 clases de torre de enfriamiento a las que
asigno una jerarquiacutea del 1 al 10 en funcioacuten de las caracteriacutesticas dadas en la
anterior clasificacioacuten de las torres de enfriamiento
De la sumatoria de los valores resultantes de la multiplicacioacuten de ponderacioacuten y
jerarquiacutea de cada tipo de torre se elegiraacute al tipo que posea mayor resultado
178
TABLA 25 MATRIZ DE DECISION PARA SELECCIONAR EL TIPO DE TORRE
Es evidente que la mejor opcioacuten es el tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico
y flujo a contracorriente Esto debido a que comparativamente tiene menor tamantildeo
y aacuterea de montaje requerido aunque no posea los menores costos iniciales y de
operacioacuten tal es el caso del tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico forzado
Esta es relativamente maacutes difiacutecil de limpiar y realizar su montaje razoacuten por la que
se descarta
179
CAPITULO 3
3 ANALISIS TEacuteRMICO
31 Descripcioacuten del Sistema
A partir de la figura 26 implica algunos anaacutelisis para el disentildeo del sistema de enfriamiento y es asiacute
que
Las bateriacuteas como se indico en los requerimientos del sistema van a ser cargadas 120 a la vez esto se
lo va a realizar en el galpoacuten asignado por el personal encargado del proyecto por parte de la Armada
del Ecuador
En este sitio tiene capacidad para almacenar 240 bateriacuteas como se vio en los requerimientos
eleacutectricos las bateriacuteas tienen periodos de tiempo de carga y descarga por lo que se requiere realizar
primeramente un disentildeo de un sistema que permita enfriar primeramente a 120 bateriacuteas por un tiempo
y en el periodo de descarga llevar a cargar las 120 bateriacuteas que se encuentran a continuacioacuten
180
FIGURA 31 DISPOCISION DE LAS BATERIAS EN EL CUARTO DE ACTIVACION
Para ello se disentildeo un sistema moacutevil que consta de parrillas suspendidas en ruedas en esta parrilla se
colocara las tuberiacuteas de circulacioacuten de agua destilada friacutea y saldraacute de las bateriacuteas agua destilada
caliente se indica esta disposicioacuten en el Plano 1 la parte del disentildeo de la estructura moacutevil no seraacute
parte de esta tesis
FI
GURA 32 DISPOSICION DE TUBERIA
FIGURA 33 SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO
181
FIGURA 34 DISPOSICION DE BATERIAS EN CUARTO DE ACTIVACION CON SISTEMA DE
DESPLAZAMIENTO
FIGURA 35 SISTEMA MOVIL PARA LLEVAR FLUIDO DE ENFRIAMIENTO A LAS BATERIAS
CONSTRUIDO
182
Una vez que se ha descrito el sistema el cual va a llevar el agua destilada para el enfriamiento de las
bateriacuteas se tiene que describir el sistema de enfriamiento en si del agua destilada para ello la Armada
del Ecuador doto de un intercambiador de calor que por el interior circulara agua destilada caliente para
que por su exterior circule agua friacutea proveniente de la torre de enfriamiento cerrando de esta manera el
circuito cabe notar que el intercambiador de calor es del tipo tubo coraza pero el intercambiador
adquirido no posee su coraza
Antes de hacer el disentildeo se hizo un anaacutelisis de la factibilidad de construir este sistema en nuestro
medio se consulto en el mercado el costo de una torre de enfriamiento adquirida en una empresa
importadora de estos equipos frente al anaacutelisis de una torre que se pueda construir en ERMARLO SA
resultando maacutes conveniente la construccioacuten de la torre y el acondicionamiento en el sistema de
enfriamiento este anaacutelisis se demostrara en el capiacutetulo de costos
32 Datos de Operacioacuten
A) FLUJO
1) Agua destilada
15 m3h
2) Agua de mar
15 m3h
B) PRESION
1) Agua destilada
25 kgcm2
2) Agua de mar
de la torre
C) TEMPERATURA DE
ENTRADA
183
1) Agua destilada
38 0C
2) Agua de mar
28 0C
D) TEMPERATURA DE
SALIDA
1) Agua destilada
3310C
2) Agua de mar
329 0C
E) DATOS DEL AIRE
1) Temperatura de bulbo seco
322 0C
2) Temperatura de bulbo
huacutemedo 788
33 Consideraciones del
Sistema
El sistema se instalara en un
patio al aire libre
El intercambiador de calor
debe permitir facilidades de limpieza y mantenimiento
El agua a usarse para la
torre seraacute agua potable
184
La velocidad del viento en Guayaquil es variable asiacute que el disentildeo de la torre no debe
depender de la velocidad del viento
El intercambiador de calor
dotado por parte de la Armada del Ecuador del tipo de haz de tubos y coraza este
dispositivo no posee la coraza
Para lo cual el
intercambiador de calor se analizara sumergiendo eacutel en la piscina de la torre de
enfriamiento esta disposicioacuten arrancara calor de los tubos del intercambiador para por el
meacutetodo de conduccioacuten teacutermica pasar calor al agua de la torre y hacerla circular
El agua destilada y el agua
de la torre no deben mezclarse
FIGURA 36 DISENO DE FORMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
185
34 Seleccioacuten del
Intercambiador de Calor
Un intercambiador de calor es un dispositivo que efectuacutea la transferencia de calor de un fluido a otro
que se encuentran a diferentes temperaturas y separados por una frontera solida
En forma muy general se pueden clasificar los intercambiadores de calor de acuerdo al tipo de
superficie
FIGURA 36 INTERCAMBIADOR DE HAZ DE TUBOS
186
En la primera etapa se toman en cuenta consideraciones referidas al tipo de intercambio de calor que
se produce En la segunda etapa se obtienen las propiedades de los fluidos en funcioacuten de las variables
conocidas y se calcula el coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A En la tercera etapa se elige
un intercambiador adecuado para este servicio teniendo en cuenta el coeficiente global U el aacuterea de
intercambio A y las caracteriacutesticas de los fluidos y de las corrientes En la cuarta se vuelve a calcular el
coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A Si no coinciden con el intercambiador previamente
elegido se vuelve al paso tres Si coinciden se da por terminado el proceso [2]
341 Meacutetodo F ndash LMTD para Seleccionar el Intercambiador de Calor
El balance de energiacutea da como resultado
[Energiacutea perdida por el flujo caliente]= [Energiacutea ganada por el flujo friacuteo]
O bien
mh ch(Thi ndash Th0) =mc cc(Tci ndash Tc0) Ec1
Donde
m h Flujo maacutesico del fluido caliente
c h Calor especiacutefico del fluido caliente
Thi Temperatura de entrada del fluido caliente
T h0 Temperatura de salida del fluido caliente
m c Flujo maacutesico del fluido friacuteo
c c Calor especiacutefico del fluido friacuteo
T c i Temperatura de entrada del fluido friacuteo
T c0 Temperatura de salida del fluido friacuteo
El producto (mc) aparece con frecuencia en el anaacutelisis de intercambiadores de calor y
es denominado Capacidad caloriacutefica C
C (mc)
Existen dos metodologiacuteas de anaacutelisis teacutermico de intercambiadores de calor
187
1 Meacutetodo F-LMTD
2 Meacutetodo - NTU
A continuacioacuten se presentara el anaacutelisis F-LMTD para la seleccioacuten del intercambiador de
calor
FIGURA 37 DISTRIBUCION DE TEMPERATURAS EN UN INTERCAMBIADOR DE
DOBLE TUBO EN TUBO PARALELO[1]
Se propone calcular el flujo de calor mediante
Ec 2
Donde
q Flujo de calor [W]
U Coeficiente global de transferencia de calor [Wm2K]
A Aacuterea de transferencia de calor consistente con U
Diferencia de temperatura media
188
En la figura 37 se muestra la historia de las temperaturas de los fluidos friacuteos y calientes
de este modo un balance de energiacutea nos da como resultado
Ec 3
Incorporando la capacidad caloriacutefica y arreglando la ecuacioacuten tenemos
= Ec4
Ec5
Restando ambas ecuaciones
Ec6
Sustituyendo la expresioacuten de calor expresada por
Ec7
Se obtiene la siguiente ecuacioacuten diferencial
Ec8
Integrando la ecuacioacuten anterior entre el punto 1 y el 2 se obtiene
Ec9
Si
Ec10
Ec 11
De manera que sustituyendo las ecuaciones anteriores en la ecuacioacuten previamente
integrada S
189
Ec12
Que al despejar de la ecuacioacuten anterior q se tiene
Ec13
De la uacuteltima ecuacioacuten se reconoce
Donde LMTD son las siglas en ingles de Logarithm Mean Temperature Difference
(Diferencia de temperatura logariacutetmica media)
Esta ecuacioacuten se aplica la misma expresioacuten para LMTD tanto en flujo paralelo como en
contra corriente[1]
Asignacioacuten de flujos
Las reglas aplicables para determinar que fluido va por el casco y cual por los tubos son
1- El fluido a mayor presioacuten va en los tubos
2- El fluido maacutes corrosivo va en los tubos
3- Los fluidos maacutes sucios van en los tubos
4- El fluido con menor peacuterdida de presioacuten va en el casco
5- El fluido a condensar en el casco
Diagramas Teacutermicos
Un diagrama teacutermico es la representacioacuten de la temperatura de las corrientes en funcioacuten
del calor transferido o de la longitud Si existe cruce de temperaturas seraacute necesario
utilizar varios intercambiadores en serie
Diferencia de temperatura media corregida
La diferencia media de temperaturas MTD en un intercambiador de calor de tubo coraza
es la diferencia media logariacutetmica de temperaturas multiplicada por un factor F
MTD = F LMTD Ec 14
De la ecuacioacuten 13 tenemos que
190
= Ec15
Siendo T temperatura de fluido caliente t temperatura de fluido frio
1 entrada 2 salida
El factor F se obtiene de las graficas que se daraacuten en el apeacutendice 1 Un valor de F lt 08
no es admisible por disentildeo hay que calcular P y R seguacuten las condiciones
Ec 16
Ec17
SELECCIOacuteN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Se tiene que obtener primeramente el calor removido por el intercambiador de calor para
lo cual se utilizara la ec1
q=mhch∆T Ec 11
Ch=1BTUlb 0F
∆T=88 0F
mh=Qρ Ec 12
donde
Q=15 m3h = 5297 ft
3h
ρ=6199 lbft3 Para 100
oF (ver anexo 1)
Sustituyendo en la ec12
mh=5297 ft3h6199 lbft
3 = 32836103 lbh
por lo tanto sustituyendo valores en la ec 12
q=27182539 BTUh
q=796599 W
191
Con los datos suministrados se seleccionara el intercambiador de calor adecuado
Thi = 1004
T h0 = 9158
m c = 15 h = 6605 GPM
T c i = 824
T c0 = 912
q = 27182539 BTUh
U = 150 BTUpie2
obtenido de la tabla 31
TABLA 31 ESCALA DE PRESION Y VALOR U PARA TIPOS DE
INTERCAMBIADORES DE CALOR[16]
De la Ec 2 obtenemos el aacuterea de transferencia del intercambiador
Ec 18
192
MTD = LMTD F diferencia de temperaturas medias corregidas
LMTD = 918 este valor es obtenido de la Ec 15
Para encontrar el factor de correccioacuten F utilizamos el Apeacutendice C Ingresando los valores
P y R dadas en las ecuaciones 16 y 17 obtenemos
P = 055
R = 117
F = 09
Por lo tanto
MTD = 918 09 = 82
Por la Ec 18 el aacuterea de transferencia de calor es
A = 2209 pie2 = 2052 m
2
Para calcular el nuacutemero de tubos del intercambiador tubo coraza se plantea la siguiente
ecuacioacuten
Ec 19
ardquo es un factor obtenido para el tubo frac34 obtenido del Apeacutendice E y es 0193 piepie2
por
el aacuterea de disponibilidad donde se construiraacute el sistema tiene una longitud de 8 pie
Por lo tanto el nuacutemero de tubos requeridos para el intercambiador de calor es
Nt = 14072 tubos de frac34rdquo
193
TABLA 32 AREA TRANSVERSAL DE FLUJO Y SUPERFICIE PARA
INTERCAMBIADORES DE CALOR [16]
35 Uso de Software para
Seleccioacuten de Intercambiador de Calor
En este punto se pretende realizar un anaacutelisis comparativo de los resultados obtenidos
mediante el meacutetodo analiacutetico frente al uso de un software mediante el cual se
seleccionara el intercambiador de calor requerido para el sistema de enfriamiento que se
trata
El software que se utilizara es el ESP ndash PLUS V 20 HEAT EXCAHANGER este software
daraacute como resultados el tipo de intercambiador de calor que existe comercialmente
FIGURA 38 VENTANA DE INICIO DEL PROGRAMA
194
FIGURA 38 VENTANA DE SELECCIOacuteN DE TIPO DE INTERCAMBIADOR A UTILIZARSE Y LOS
TIPOS DE FLUIDOS
195
FIGURA 39 VENTANA INGRESO DE DATOS TANTO PARA INTERCAMBIADOR COMO PARA EL
FLUIDO CIRCUNDANTE DA COMO RESULTADO LA TAZA DE FLUJO EN GPM
196
FIGURA 310 SE INTRODUCE LOS DATOS DE MATERIALES DEL INTERCAMBIADOR DE
CALOR
197
FIGURA 311 VENTADA EN LA QUE SE INTRODUCE DATOS DE LONGITUD DEL
INTERCAMBIADOR PRESION INTERNA EN LOS TUBOS Y FACTOR DE FRICCION DENTRO DE
LOS TUBOS
198
FIGURA 312 VENTANA RESULTADOS EN LA PRESION DE DISENO MATERIAL DE TAPAS
DEL INTERCAMBIADOR MATERIAL DE LOS TUBOS Y TUBERIA DE INGRESO AL MATERIAL
199
FIGURA 313 VENTANA DE RESULTADOS
200
FIGURA 314 VENTANA DE RESULTADOS
De acuerdo a este software el intercambiador que se va a seleccionar es el WU16 7 ndash 2 4 que es la
denominacioacuten comercial del constructor ITT Bell amp Gosset creador de este software
La denominacioacuten WU 16 7 ndash 2 4 cada letra y nuacutemero tiene su significado teacutecnico que a continuacioacuten se
detalla
WU Serie de intercambiador de calor
16 Diaacutemetro de la coraza del intercambiador en unidades inglesas
7 Longitud de tubo
2 Numero de pasos del intercambiador de calor
201
4 Espaciamiento de bafles
Al realizar el anaacutelisis comparativo con los meacutetodos de seleccioacuten se tiene que por el meacutetodo analiacutetico se
tiene un aacuterea de 221 ft2 frente al software que nos arroja un aacuterea de 274 ft
2 este valor diferencia
notoriamente a que la seleccioacuten del factor U en el meacutetodo analiacutetico se lo selecciono 150 BTUpie2
el
software utiliza y factor de 137 BTUpie2
notando este paraacutemetro relativamente la diferencia de aacuterea
de los dos anaacutelisis serian casi indiferentes con lo que estariacuteamos en capacidad de decidir si el
intercambiador dotado por la Armada Nacional esta dentro de los paraacutemetros requeridos dado que este
consta de 160 tubos en disposicioacuten triangular dando un aacuterea de transferencia de calor de 24707 ft2
certificando de esta manera que el intercambiador que se posee entra en el rango requerido para el
sistema por lo tanto se lo utilizara para el proceso requerido de enfriamiento del fluido caliente extraiacutedo
del banco de bateriacuteas que estaacuten en el proceso de activacioacuten
FIGURA 315 DISPOSICIONES DEL HAZ DE TUBOS [9]
Los resultados obtenidos del software se presentaran en el Anexo 3
36 Disentildeo de la Torre de
Enfriamiento
El proceso de termotransferencia que se produce en una torre para
enfriamiento de agua cualquiera fuese su tipo es el resultado de la
202
interaccioacuten entre el medio gaseoso refrigerante (aire) y el fluido a
enfriar (agua)
En las torres el agua se encuentra en contacto directo con el aire que
la enfriacutea y el proceso de transferencia de calor se realiza en parte por
intercambio de calor sensible entre la fase liacutequida y la gaseosa pero
en mayor medida por la formacioacuten de vapor de agua en la interfase
liacutequidogas y su posterior difusioacuten en el aire que la circunda
El proceso de transferencia de masa entre el liacutequido y el aire estaacute
iacutentimamente conectado con el de transferencia de calor En efecto
con el cambio de fase desde liacutequido a vapor se absorbe calor lo cual
da lugar a gradientes de temperatura en el aire adyacente a la
superficie liacutequida En muchos casos praacutecticos las condiciones en
que se desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse
que la difusividad teacutermica y el coeficiente de difusioacuten maacutesico son
iguales
203
FIGURA 316 IDEALIZACION DEL FENOMENO DE
TRANSFERENCIA [10]
361 Fundamento del Enfriamiento por Evaporacioacuten
El principio fundamental en que se basa el enfriamiento del
agua por evaporacioacuten es en el que el agua para transformarse
en vapor necesita calor (calor latente de vaporizacioacuten) cuyo
valor el alrededor de 1000 BTU lb de agua evaporada valor
que pone en manifiesto que pequentildeas cantidades de agua
evaporada producen altos efectos de enfriamiento
Este calor es tomado principalmente del liacutequido remanente lo
que produce un descenso de su temperatura
La evaporacioacuten se produce poniendo en contacto directo agua
caliente con aire atmosfeacuterico ambiente de humedad relativa
204
baja en dispositivos especiales que variacutean en complejidad
desde piscinas o lagunas abiertas hasta las torres de
enfriamiento de tiro mecaacutenico
Cuando se requiere enfriar raacutepidamente y continuamente
grandes cantidades de agua las torres de enfriamiento son las
teacutecnicas maacutes ventajosas y su funcioacuten principal es la de reducir
la temperatura del agua circulante a los valores maacutes
adecuados seguacuten el tipo de operacioacuten que tenga
Baacutesicamente el funcionamiento de una torre de enfriamiento
convencional es el siguiente
El agua caliente llega por tuberiacuteas a un distribuidor situado en la
parte superior de la unidad a una temperatura Tho luego es
distribuida en forma de pequentildeas gotas a traveacutes de una
instalacioacuten compleja de material de relleno de diferentes tipos y
calidades variando desde madera incorruptible materiales de
fribrocemento PVC ceraacutemica etc los cuales son ubicados en
forma de mallas o enrejados que dispersan la corriente
descendente del liquido y de esta forma obtener una aacuterea
maacutexima de transferencia con el aire atmosfeacuterico el cual entra
por parte inferior de la torre con una temperatura Tci de bulbo
205
seco y una humedad absoluta Yrsquo1 expresada en lb de vapor de
agua lb de aire seco
362 Caacutelculos
Datos para realizar el caacutelculo de la torre de enfriamiento
Flujo a ser enfriado L
66 GPM
Calor removido por el
intercambiador q 27182539 BTUh
Temperatura que
sale del intercambiador de calor para entrar en la torre tL2
9120 0F
Temperatura del
agua requerida luego del enfriamiento en la torre de
enfriamiento tL1 8240 0F
Temperatura de
bulbo huacutemedo tbh 7880 0F
Temperatura de
bulbo seco del aire que entra tG1 7900 0F
Temperatura del
agua de la tuberiacutea de alimentacioacuten a la torre de enfriamiento
tm 8500 0F
206
Con los datos suministrados se desea obtener los siguientes valores
a Valor teoacuterico del coeficiente total de transferencia de masa Kya
b Calculo de la seccioacuten transversal de la torre A
c Calculo del flujo de aire que circula por la torre Gs
d Calculo de la zona empaquetada Z
e Calculo de agua de compensacioacuten M
Para realizar el disentildeo de la torre de enfriamiento se debe seguir
ciertos pasos que daraacuten la pauta para disentildear una torre de
enfriamiento para cualquier necesidad o requerimiento
1 Capacidad de la
Torre de Enfriamiento
q=27182539 BTUh
Este es el calor que remueve el intercambiador de calor y que
es transmitido al agua de la torre
La capacidad de la torre se mide en Toneladas de
Refrigeracioacuten TR que es una unidad de potencia
207
Es asiacute que se tiene las siguientes relaciones para poder saber
en teacuterminos de TR la capacidad de disentildeo para la torre de
enfriamiento
1TR=3517 W = 3024 Kcalh = 3024 Frigh Ec 20
De donde
27182539 BTUh 1 TR12000 BTUh = capacidad de la torre
Capacidad de la torre = 2262 TR
Flujo especifico Lrsquo
L es flujo de agua y Lrsquo es el flujo especifico de agua que se en
encuentra en la figura 318 este valor se encuentra en
funcioacuten del rango de enfriamiento del agua (Tho ndash Thi) y la
temperatura de bulbo huacutemedo Tbh
FIGURA 317 FLUJO ESPECIFICO Lrsquo [7]
208
El valor de flujo especifico de agua que nos da la figura 317
es Lrsquo=20 galmin ft2
L= 66 GPM
Datos para las condiciones de disentildeo de la torre de
enfriamiento
E-1
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
AIREAGUA
q=27182539 BTUh
L=33000 lbh
tL2=9120 FHrsquo2=
Yrsquo2=
tL1=8240 F
Gs=
tG1=79 F
Tw1=788 F
Yrsquo1=002
Hrsquo1=
tM=85 F
M(lbh)
FIGURA 318 DIAGRAMA DEL SISTEMA PARA EL
DISENtildeO
209
Anaacutelisis de la curva de equilibrio
La teoriacutea del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento es la
que desarrolloacute el Dr Merkel Se basa en la diferencia del potencial de entalpiacutea
entonces se supone que cada partiacutecula de agua estaacute rodeada por una peliacutecula de
aire y que la diferencia de entalpiacutea entre la misma y el aire circundante
proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento
A continuacioacuten se ilustran las relaciones del agua aire y el potencial impulsor que
existe en una torre de contra flujo
FIGURA 319 RELACIONES DE AGUA Y AIRE DE UNA TORRE A
CONTRA FLUJO [25]
De la figura anterior la operacioacuten del agua estaacute representada por la liacutenea AB y se
especifica por medio de las temperaturas del agua de la torre en la entrada y
salida La liacutenea de operacioacuten del aire inicia en C verticalmente por debajo de B y
en un punto que tiene una entalpiacutea correspondiente a la temperatura de entrada
de bulbo huacutemedo La liacutenea BC representa la fuerza impulsora inicial (hrsquo- h) El
aire que sale de la torre se representa por medio del punto D y la gama de
210
enfriamiento es la longitud proyectada de la liacutenea CD sobre la escala de
temperaturas
Resumiendo la teoriacutea del Dr Merkel como se observa en la figura 319
considera el flujo de masa y energiacutea del agua a la interfase y de la interfase a la
masa gaseosa Cuando el flujo cruza estas dos fronteras cada una ofrece una
resistencia a la transferencia de materia y energiacutea que resulta en gradientes de
temperatura entalpiacutea y de humedades
El Dr Merkel demostroacute que
Q = KS(hw - ha) Ec21
S = aV Ec22
Donde
Q Calor total transferido en Btuh oacute kJh
K Coeficiente total de transferencia en lbh pie2 oacute kgh m
2
S Aacuterea de transferencia en pie2 oacute m
2 caracteriacutestica fiacutesica
a Aacuterea de transferencia equivalente por unidad de volumen 1pie oacute 1m
V Volumen efectivo de la torre pie3 oacute m
3
hw Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura del agua Btulb oacute kJkg
ha Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura de bulbo huacutemedo Btulb oacute kJkg
Existen paraacutemetros citados en la Ec21 que no son constantes tanto entalpiacuteas
como temperaturas cambian a lo largo de la torre luego derivaacutendola
dQ = d[KS(hw-ha)] = K(hw-ha)dS Ec23
Para la transferencia de calor del lado del agua
Q = CwL(thw ndash tcw) Ec24
dQ = CwLdtw Ec25
211
donde
Cw Calor especiacutefico del agua kJ(kg ordmK) BTUlb F
L Flujo maacutesico del agua que ingresa a la torre kgs lbh
tw Temperatura del agua en contacto con el relleno ordmK 0F
thw Temperatura del agua caliente que ingresa a la torre ordmK 0F
tcw Temperatura del agua friacutea que sale de la torre ordmK 0F
Para la transferencia de calor del lado del aire
Q = G(hoa ndash hia) Ec26
dQ = Gdha Ec27
Donde
G Flujo maacutesico del aire que ingresa a la torre lbh oacute kgs
hia Entalpiacutea de mezcla gaseosa que ingresa a la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
hoa Entalpiacutea de mezcla gaseosa que sale de la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
Haciendo uso de las ecuaciones 23 25 y 27 se puede obtener el calor total por
medio de las siguientes ecuaciones
K(hw-ha)dS = CwLdtw Ec28
K(hw-ha)dS = Gdha Ec29
Que se puede rescribir de la siguiente manera
aw
a
hh
dhGdSK
Ec30
aw
ww
hh
dtC
L
dSK
Ec31
Integrando las Ecuaciones 30 y 31 se tiene
hoa
hia aw hh
dh
L
G
L
KaV
L
KS Ec32
212
thw
tcw aw
ww
hh
dtC
L
KaV
L
KS Ec33
ldquoAl teacutermino KaVL se lo denomina la caracteriacutestica de la torrerdquo
La curva caracteriacutestica es utilizada para determinar el buen funcionamiento de la
torre KaVL es una medida del grado de dificultad para los requerimientos de
enfriamiento del liquido Esta curva tambieacuten puede llamarse ldquoCurva de
Requerimientos de Disentildeordquo puesto que es una medida del grado de dificultad para
alcanzar los requerimientos de disentildeo
2 Calculo de la
humedad absoluta Yrsquo1y entalpia del aire entrando Hrsquo1
para la temperatura tbh
De la carta psicomeacutetrica que se encuentra en el Apeacutendice H
se puede construir la siguiente tabla mostrada en la tabla 33
esta tabla nos indica valores de entalpias y humedades para
mezclas de aire ndash agua a 147 lbplg2
Interpolando se obtiene valores para
Yrsquo1=0022 lb de vapor de agualb de aire seco
De las relaciones psicomeacutetricas para el sistema aire ndash agua
se obtiene que
Hrsquo1= (024+045Yrsquo1)(tG1 - 32) + 10758 Yrsquo1 Ec 34
213
Hrsquo1= 249 BTUlb de aire seco
Con los datos de las temperaturas entalpias encontradas se
puede construir el diagrama de operacioacuten para esta torre de
enfriamiento representada en la figura 320 con los valores
de entalpia de la mezcla aire ndash vapor de agua como
ordenadas y los valores de temperatura como abscisas aquiacute
se representa la curva de entalpia para el aire saturado dado
en la carta psicomeacutetrica H la cual es construida con los datos
de la tabla ubicada en el Apeacutendice H
Para obtener la liacutenea de operacioacuten sobre este diagrama se
ubica el punto N que representa las condiciones de entrada
de la torre esto es tL1=8240 0F y Hrsquo1= 249 BTUlb de aire
seco
La liacutenea de operacioacuten pasara por el punto N y terminara en
alguacuten punto sobre la ordenada trazada por el punto
tL2 = 91200F Para el miacutenimo valor de Gs la liacutenea de
operacioacuten tendraacute la mayor pendiente y tocara
tangencialmente a la curva de equilibrio por lo tanto pasara a
traveacutes del punto Orsquo en donde Hrsquo2= 52 BTU por lb de aire seco
214
Seguacuten lo anterior la pendiente de la liacutenea OrsquoN seraacute por lo
tanto
L CGs min = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1 Ec35
=
Gs min = 1071586 lb de aire seco h
Para que la torre no sea muy alta se considera 15 veces Gs
min
Gs real = 15 1071586 lb de aire seco h
Gs real = 1607380 lb de aire seco h
Una vez determinado el valor Gs real se puede hallar el valor
de la relacioacuten de flujos liacutequido ndash aire
L Gs real = 33000 lbh 1607380 lbh
L Gs real = 205
Como ya se tiene el valor de la pendiente de la liacutenea de
operacioacuten LG que se va a utilizar para el disentildeo faltariacutea
determinar el valor de la ordenada del punto de interseccioacuten
entre la liacutenea de operacioacuten y la vertical trazada por el punto
tL2=912 0F
215
Calculo de la entalpia del aire que sale Hrsquo2
De la ec22 tenemos que
L CGs real = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1
Despejando el valor Hrsquo2 se tiene
Hrsquo2 = (L CGs real (t L2 ndash t L1)) + Hrsquo1
Hrsquo2 = 4294 BTUlb de aire seco
Con los valores obtenidos se puede representar el punto O y
finalmente la liacutenea de operacioacuten seraacute la liacutenea ON
representada en la figura 320
216
FIGURA 320 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE
ENFRIAMIENTO DEL AGUA
3 Calculo de la altura de la
zona empaquetada Z
Utilizando el teacutermino KaVL que nos representa la ldquoCurva de Requerimientos de
Disentildeordquo dado en al ec 33 se procede a calcular la altura de la zona empaquetada
=
Para determinar el valor del integral de la ecuacioacuten propuesta
el cual puede ser calculado por tres formas
a Analiacuteticamente si se conoce la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo
b Integracioacuten grafica
c Integracioacuten numeacuterica
Como se tiene la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo dado en la figura 320 se
usara el meacutetodo de integracioacuten numeacuterica a intervalos de 2 0F
t H Hrsquo H ndash Hrsquo (H ndash Hrsquo)2 At(H ndashHrsquo)2
80 251 185 66
82 272 2217 503 58 034
84 323 2703 527 515 038
217
86 375 3109 641 584 034
88 415 3480 67 655 030
90 487 4120 75 710 028
92 542 4480 94 845 023
= 187
TABLA 33 VALORES DE ENTALPIA
= 187
El valor de kya se obtiene de la tabla 34 interpolando entre
los valores de L 500 ndash 1000 y G 250 por lo tanto tenemos un
Kya=347
Lrsquo=2GPM =`1000 lb de aguah ft2
Por lo tanto el valor de Z es
Z = 538 ft = 163 m
218
TABLA 34 CARACTERISTICAS DE HUMIDIFICACION [4]
4 Calculo de la
Cantidad de Agua de Compensacioacuten M
Realizando un balance de entalpias de acuerdo a la figura
318 se tiene
q + M Cw (tM ndash t0) = Gs (Hrsquo2 ndash Hrsquo1) Ec336
donde
q = 27182539 BTUh
Cw = 1 BTUlb 0F
tM = 85 0F
t0 = 32 0F
Hrsquo2 = 4294 BTU lb de aire seco
219
Hrsquo1 = 2490 BTUlb de aire seco
Reemplazando valores se tiene
27182539 + M (53) = Gs (1804)
De donde
M = Gs(1804) - 27182539 53 Ec 336-1
Haciendo un balance de liquido de acuerdo a la figura 318 se
tiene
M = Gs(Yrsquo2 ndash Yrsquo1) Ec337
Yrsquo2 no es conocido para determinarlo es necesario asumir
que el aire que sale de la torre estaacute saturado y su humedad
Yrsquo2 deberaacute ser la del aire saturado para Hrsquo2 = 4294 BTU lb
de aire seco
Entrando a la curva psicomeacutetrica dada en el Apeacutendice H se
tiene que
Yrsquo2 = 0024 lb de vapor de agualb de aire seco
M = Gs(0024 ndash 002) = 0004 Gs
Sustituyendo la ec 337 en la ec 336 ndash 1 se tiene que
0004 Gs 53 = Gs(1804) - 27182539
1804 Gs ndash 0004 Gs = 27182539
Gs = 1507126 lb de aireh
Reemplazando en la ec 337 el valor Gs
220
M = 6028 lb de aguah = 274 lth
CAPITULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS
CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
41 Partes Componentes de las Torres de Enfriamiento
Ya se ha definido que el mejor disentildeo para el sistema de enfriamiento
requerido de acuerdo a los paraacutemetros de evaluacioacuten es una Torre de
Enfriamiento de Tiro Inducido Flujo en Contracorriente
Este tipo de elementos ademaacutes del cuerpo vertical consta de los
siguientes elementos
Empaquetaduras sistemas de distribucioacuten deposito de coleccioacuten
eliminadores de arrastre ventilador motor y estructura
221
Empaquetaduras
Su funcioacuten es generar una mayor aacuterea de contacto entre el aire y el
agua como sea posible con una miacutenima presioacuten de aire
Existe variedad de empaquetaduras que van desde soacutelidos muy
faacuteciles de adquirir como piedras botellas rotas trozos de porcelana
hasta formas geomeacutetricas complejas y de alto costo econoacutemico
Sistemas de Distribucioacuten
Tiene como funcioacuten principal distribuir el agua caliente en la parte alta
de la torre se recomienda atomizarla para facilitar el contacto con el
aire
La importancia de adecuado sistema de distribucioacuten sobre las
empaquetaduras de una torre es indispensable para una buena
eficiencia en el enfriamiento
Depoacutesito de Coleccioacuten
Se trata de un recipiente donde es colectada el agua friacutea que sale de
la torre
Su construccioacuten deberaacute ser tal que elimine el peligro de que la bomba
absorba aire cuando opera con un miacutenimo de agua y accesible para
remover la suciedad acumulada en el fondo
222
Estructura
Es el soporte de la torre de enfriamiento
Su forma y solidez dependen de las caracteriacutesticas de disentildeo de la
torre que tiene que ser con normas especificas que dependen de su
capacidad de enfriamiento
Ventilador
Tiene como objetivo mantener el flujo constante de aire atreves de la
torre Para la torre seleccionada este aditamento se encontrara en la
parte superior
Motor
Es el que impulsara el ventilador La transmisioacuten se efectuara en
forma directa
Los elementos anteriores forman parte de la construccioacuten interna de la
torre de enfriamiento
Sin embargo existen otros componentes externos a la torre que juntos
constituyen el sistema de enfriamiento deseado Estos son
Bomba de Agua
223
Es el equipo que adicionara energiacutea al agua para hacerla re circular a
traveacutes de todo el sistema
Su capacidad dependeraacute del sistema de operacioacuten en el que va a
utilizar
Tuberiacuteas y Vaacutelvulas
Son los conductos ndash reguladores por los cuales fluiraacute el agua
El material de la tuberiacutea y los tipos especiacuteficos de vaacutelvulas estaraacuten
sujetos al aspecto teacutecnico econoacutemico y esteacutetico del sistema en
cuestioacuten
224
FIGURA 41 DISENO DE FORMA DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTO
42 Determinacioacuten de la Seccioacuten Transversal de la Torre de
Enfriamiento
Datos
Densidad del agua ρL 6222 lbft3 = 1010 Kgm3
Densidad del aire ρa 0077 lbft3 = 125 Kgm3
Relacioacuten de flujos LG 205
Flujo de aire Greal 446 lbs = 2027 Kgs
Tensioacuten superficial del agua σ 2 dinacm
Factor liquido - vapor FLV
Caacutelculos
Una aproximacioacuten para estimar las velocidades maacuteximas permisibles
ha sido presentada por Fair la cual se basa en datos obtenidos con
platos perforados y otros tipos de contactores de etapas finitas y toma
en cuenta el efecto de la tensioacuten superficial del liquido en la columna
la razoacuten de flujo de liquido a flujo de gas las densidades del aire y el
liquido y dimensiones y arreglo del contactor En este meacutetodo la
225
ecuacioacuten baacutesica para velocidad del vapor maacutexima permisible
equivalente a la Ec (41) es
Ec 41
donde
Vrsquom = velocidad de vapor maacutexima permisible basada en aacuterea neta
para el flujo de vapor la cual usualmente es el aacuterea de seccioacuten
transversal activa en fts
Krsquov = constante empiacuterica fts
σ = tensioacuten superficial del liquido en la torre dinascm
Krsquov
226
FIGURA 41 VALORES DE Kv EN FUNCION DEL
ESPACIADO
] Ec42
Sustituyendo valores en la ec 42 se tiene que
FLV = 0090
Se asume un espaciado entre platos de 740 plg = 188 mm
A partir de la fig 41 Kv = 017 fts
De la ec 41
Vrsquom = 3047 fts
Velocidad maacutesica del vapor Gm
Gm = Vrsquom ρa = (3047)(0077) = 023 lbs pie2 Ec43
227
Aacuterea de seccioacuten transversal de la torre A
A = Greal Gm Ec 44
Sustituyendo valores en la ec 44 se tiene que el aacuterea de la seccioacuten
transversal de la torre de enfriamiento es
A = 192 ft2
A = 8ft 24ft = 2430 mm 731 mm
43 Seleccioacuten de la Columna de Contacto de la Torre de Enfriamiento
En esta seccioacuten se tratara de decidir el tipo de columna a utilizar ya
sea de bandejas perforadas o de relleno en funcioacuten de las
caracteriacutesticas de la operacioacuten deseada y de los componentes en
contacto en este caso liquido - aire tomando para la decisioacuten algunos
aspectos
La seleccioacuten entre una columna de bandejas perforadas o una de
relleno depende de conceptos econoacutemicos Sin embargo en un estudio
228
preliminar podemos basar su seleccioacuten en las siguientes ventajas e
inconvenientes de cada una de ellas
1- La eficiencia de una torre de relleno se basa en datos
experimentales para cada tipo de relleno La eficiencia variacutea no solo
por el tipo y tamantildeo del relleno sino tambieacuten por las propiedades del
fluido caudales diaacutemetro de columna etc
2- Si el flujo de liacutequido es pequentildeo comparado con el del aire es
preferible utilizar columnas de platos pues necesitan menores
factores de seguridad en el disentildeo por causa de la dispersioacuten del
liacutequido
3- Las columnas de bandejas perforadas pueden manejar un rango
maacutes amplio de caudales sin inundacioacuten
4- Si los liacutequidos tienen soacutelidos en suspensioacuten se prefieren torres de
bandejas perforadas por la facilidad de limpieza
5- Si se necesita enfriamiento intermedio de la columna es preferible
que sean de bandejas perforadas por la facilidad de la instalacioacuten
del sistema de enfriamiento
6- El peso total de una columna de bandejas perforadas es menor que
en una de relleno si estaacuten vaciacuteas en cambio llenas tienen un peso
similar
229
7- La informacioacuten de disentildeo de una columna de bandejas perforadas
es maacutes accesible que en una de relleno
8- Si hay grandes cambios de temperatura son preferibles las
columnas de bandejas perforadas pues el incremento de
temperatura puede romper el relleno
10-Las columnas de rellenos son maacutes faacuteciles de construir y mas
baratas si se trabaja con fluidos corrosivos
11-Si se tiene liacutequidos con gran tendencia a formar espuma se deben
utilizar torres empaquetadas
12-El almacenamiento de liacutequido en la columna es muy inferior para
las torres de relleno
13-Las torres de relleno tienen menos peacuterdida de carga que las
bandejas perforadas y el relleno previene contra el colapso por lo
que se utilizan en operaciones a vaciacuteo
Por lo expuesto anteriormente se utilizara en el disentildeo de la
empaquetadura de la torre de enfriamiento el sistema de bandejas
perforadas
230
FIGURA 42 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE UNA BANDEJA
PERFORADA
431 Altura de la las Paredes de la Bandeja
La altura de la bandeja determina el volumen de liacutequido sobre la
bandeja y es un importante factor para determinar la eficiencia de
la bandeja con orificios Una mayor altura incrementaraacute la
eficiencia de la bandeja pero a expensas de un alta caiacuteda de
presioacuten en la bandeja Para columnas operando alrededor de la
presioacuten atmosfeacuterica la altura de las paredes de la bandeja variacutea
entre 40 a 90 mm (15 a 35 pulg) [7]
Para el disentildeo de estos elementos se tomara una altura de 90
mm para obtener una buena eficiencia de la bandeja ya que el
231
volumen de agua colocada en la bandeja por mayor tiempo
tendraacute mayor tiempo de contacto con el aire
Aacuterea Perforada
El aacuterea disponible para perforacioacuten se deduciraacute por la obstruccioacuten
causada por las partes estructurales (tales como soportes anillos
y vigas) y por el uso de zonas libres Las zonas libres son
espacios no perforados de la bandeja en los lados de salida y
entrada El ancho de cada zona es usualmente la misma valores
recomendados son
Ancho de la columna Ancho de la zona sin perforar
lt 15 m 75 mm
gt15 m 100 mm
TABLA 41 DIMENSIONES DE ZONA SIN PERFORAR [17]
De acuerdo a la tabla 41 se tomara una franja sin perforar de 75m
Dimensiones de las perforaciones
Los platos perforados tienen perforaciones de 25 mm a 12 mm
(18 a 12 pulg) de diaacutemetro siendo el tamantildeo comuacuten de 5 mm
(316 pulg) las perforaciones se hacen siguiendo un arreglo
232
triangular o cuadrado con una distancia entre centros entre 2 a 5
veces el diaacutemetro de las perforaciones (el oacuteptimo es 38) [17]
Se toma el valor recomendado del agujero de 316rdquo por lo tanto el
espaciamiento entre centros de los agujeros seria
D= 90 mm
Se escogeraacute un arreglo triangular para los orificios
De acuerdo al aacuterea de la seccioacuten transversal de la torre 2430
mm731 mm y la disposicioacuten del disentildeo de forma se tiene unas
dimensiones en las bandejas de
Bandeja = 2000 mm 731 mm
Al dejar una franja por los cuatro lados sin perforar de 75 mm
FIGURA 43 DISPOSICION DE AGUJEROS EN LAS
BANDEJAS
Por lo planteado en el capiacutetulo 3 se obtuvo que la altura de la zona
empaquetada es de
Z = 538 ft = 2044 mm
233
Para hallar el aacuterea de la seccioacuten transversal en el inciso 42 de
este capiacutetulo se asumioacute un espaciamiento entre bandejas de
e = 740 plg = 188 mm
Por lo tanto se necesitariacutea 5 bandejas perforadas en la disposicioacuten
dada en el disentildeo de forma de la fig 41
Para calcular el nuacutemero de agujeros en la bandeja se recurre a la
ecuacioacuten siguiente
Nh = 4Ahπd2h
Nh = 112 orificios en la bandeja
Espesor de las Bandejas
Se considera un espesor del material para la bandeja de 14 mm
Se considerara la presioacuten que ejerceriacutea el agua asumiendo la
bandeja llena al 100 la carga que ejerce el agua en el volumen
de la bandeja es de 42453 N
Se utilizara el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad
234
Anaacutelisis de Resistencia mediante el Meacutetodo de Elementos
Finitos
ANSYS en INVENTOR 10 analiza concentradores de esfuerzos
mecaacutenicas de fracturas bajo cargas estaacuteticas y dinaacutemicas asiacute
como frecuencias naturales y estabilidad El programa ofrece
distintos materiales a seleccionar para el anaacutelisis con
asunciones sobre su comportamiento Lineal (la tensioacuten es
directamente proporcional a la presioacuten) Constante (la
temperatura de todas las propiedades es independiente)
Homogeacutenea (las propiedades no cambian en todo el volumen de
la pieza) Isotroacutepica (las propiedades de los materiales son
ideacutenticas en todas las direcciones) El factor de seguridad se
calcula utilizando el equivalente maacuteximo de la teoriacutea de falla de
tensioacuten para materiales duacutectiles A continuacioacuten se muestran los
informes de los anaacutelisis practicados a las bandejas perforadas
las figuras indican en su parte superior izquierda la escala
colorida con sus respectivos valores de Tensioacuten Equivalente y
Factores de seguridad mayores a 13 Aceptables [19]
235
TABLA 42 INFORME DE RESULTADOS DEL
ANALISIS DE LA BANDEJA PERFORADA
INFORME DE ANALISIS DE BANDEJA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935 Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 934e-4 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 8688 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
236
FIGURA 44 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 45 DEFORMACION
FIGURA 46 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 2 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
237
Disentildeo del Depoacutesito de Coleccioacuten de la Torre de Enfriamiento
Para determinar las dimensiones del depoacutesito de coleccioacuten de agua
para la torre de enfriamiento se debe conocer el tiempo que demora
el agua en circular a traveacutes del sistema
Se asume que el ciclo demora un minuto y se parte del dato que el
depoacutesito deberiacutea tener una capacidad mayor a la cantidad de agua
que debe fluir por el sistema en un minuto y asi evitar que esta se
quede sin liquido ademaacutes el mismo colector debe soportar el peso de
la torre con sus accesorios
Entonces el problema consiste en seleccionar dimensiones para la
piscina que provean mayor economiacutea y aseguren un buen
funcionamiento Por lo general se establece el aacuterea transversal del
depoacutesito un poco mas grande que el aacuterea transversal de la torre de
enfriamiento que permita el montaje de la tuberiacutea de succioacuten o alguacuten
otro accesorio necesario
Para el disentildeo de la piscina se basara en el coacutedigo ASME para
recipientes a presioacuten seccioacuten Div 1 para tanques rectangulares que
trabajan bajo presioacuten atmosfeacuterica [15]
Notacioacuten
238
α Factor que depende del largo y ancho del tanque HL fig47
E Modulo de elasticidad 30000000 psi para aceros al carbono
G Gravedad especifica del liacutequido Agua=1
I Momento de Inercia plg4
l Maacutexima distancia entre soportes plg
L Largo del tanque plg
R Reaccioacuten con subiacutendices indicando el lugar de aplicacioacuten lbplg
S Esfuerzo del material
t Espesor requerido de la plancha plg
w Carga por unidad de longitud lbplg
FIGURA 47 VALORES DE α
Seleccioacuten del espesor de plancha
239
Ec 45
El espesor se incrementara con el factor de corrosioacuten para este
caso se le aumentara 00645 plg o 163 mm
FIGURA 48 DIMENSIONES DEL DEPOSITO DE COLECCIOacuteN DE
AGUA
L=8 ft
H=2 ft
B=4 ft
Relacioacuten HL = 025
De la figura 47 se obtiene el valor α = 00010
S=23200 lbplg2 para el acero estructural A ndash 36
G=1 para el agua
Sustituyendo valores en la ec 45 se tiene un espesor de
plancha
240
t=000109 plg
A este valor se le suma el factor de corrosioacuten 00626 plg
Por lo tanto
t=0063 plg o t=161mm se utilizara plancha de 2mm de
espesor
Carga en las paredes del depoacutesito
FIGURA 49 CARGAS HIDROSTATICAS
Ec 46
Sustituyendo valores se tiene que
w=162 lbplg
R1=03w Ec 47
R1=03162=486
R2=07w Ec 48
241
R2=07162=1134
442 Momento de Inercia miacutenimo requerido
Ec 49
Sustituyendo valores
Imin=0003 plg4 = 12486 mm4
443 Distancia entre soportes de la piscina
FIGURA 410 DISTANCIA ENTRE SOPORTES
Ec 410
Si el numero de soportes es 4 entonces = 26 plg = 6604mm
Sustituyendo en la ecuacioacuten 410
t=0141 plg
Despejando el valor de la ecuacioacuten 410 se tiene
242
Sustituyendo valores
Por lo tanto
11968 plg 2583 plg = Numero de soportes = N
N=463 es decir se fiacutesicamente se necesitan 5 soportes con un
espaciamiento de 2583 plg
E=656 mm
El disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de agua se encuentra en el
Plano N 3
Se utilizaraacute el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad del colector sometido a
toda la carga de la torre con su peso propio y la carga de agua
contenida en las bandejas
243
TABLA 43 INFORME DE RESULTADOS DEL
COLECTOR DE AGUA
INFORME DE ANALISIS DEL COLECTOR DE AGUA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1976Kg
Volumen de la pieza 2517+007 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 47950
Elementos 26630
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Fuerza 1481 N
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 5455e-005 MPa 2437 MPa
Deformacioacuten 0 mm 0102 mm
Factor de seguridad 15 NA
244
FIGURA 412 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 413 DEFORMACION
FIGURA 414 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 3 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
245
44 Seleccioacuten del Ventilador
Para la seleccionar el ventilador para la torre de enfriamiento es
necesario conocer los siguientes datos
1 Flujo de aire que circulara por la torre en ft3min
2 La presioacuten estaacutetica o presioacuten de resistencia contra la que debe
operar el ventilador expresada en plg de agua
Flujo de aire que circula por la torre Gs = 16056 lbh
Gs=2676 lbmin
Para determinar los pies cuacutebicos por minuto (pcm) de aire que salen
a traveacutes del extractor se divide las libras de aire seco por minuto
para la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
pcm = Gs (lbmin) densidad de la temperatura de operacioacuten Ec411
Para determinar la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
es necesario calcular la temperatura a la que sale el aire de la torre
Para esto conociendo el valor de la humedad absoluta Yrsquo2 lb de
vapor de agua por lb de aire seco con que sale el aire y asumiendo
que el aire se encuentra cercanamente saturado 95 se puede
246
entrar en la carta psicomeacutetrica Apeacutendice H y determinar dicha
temperatura
Yrsquo2= 0024
Con una temperatura de salida de la torre
T=84 0F
Con este valor dado en la figura se encuentra que la relacioacuten de
densidad del aire (RDA) a 84 0F y a nivel del mar es
RDA= densidad del aire en condiciones estaacutendar densidad del aire en condiciones de operacioacuten
Ec 412
RDA=105
De la ec411
105=0077lbft3 densidad del aire que opera a 84 0F
ρ84 F= 0075 lbft3
De la ec 412 se tiene
pcm=354483 ft3min = 116707 m3h
Con respecto a la caiacuteda de presioacuten estaacutetica contra la que debe
operar el ventilador se vio que en torres de este tipo era
ordinariamente menor que una pulgada de agua por lo tanto
tomando en consideracioacuten la resistencia ofrecida al paso del aire por
247
la zona empaquetada y los separadores de gotas se considera
suficiente utilizar el valor de 05 pulH20 o 127 mmH2O valores que
estaacuten dentro del rango de caiacuteda de presiones para este tipo de
ventiladores
Se ha escogido la curva del fabricante de la marca Ventiladores
Casals y sus caracteriacutesticas se indican en el Apeacutendice K
FIGURA 415 DIAGRAMA PARA SELELCCIONAR MODELO DE
VENTILADOR
Ingresando en el diagrama de la fig 415 con los datos planteados se
selecciona el ventilador modelo 56 T4 1 con las siguientes
caracteriacutesticas
Diaacutemetro = 650 mm
m3h = 12700
Peso = 36 Kg
248
RPM max = 1525
Potencia = 075 Kw
Ruido = 73 db
FIGURA 416 VENTILADOR SELECCIONADO
Con el peso del ventilador se disentildearaacute la campana de extraccioacuten de vapor de
agua se asumiraacute un espesor de 14 mm Se utilizara el programa
computacional INVENTOR 10 para analizar su deformacioacuten y el factor de
seguridad de la campana
249
TABLA 44 INFORME DE RESULTADOS DE LA
CAMPANA DE EXTRACCION
INFORME DE ANALISIS DE LA CAMPANA DE
EXTRACCION
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 9348+-5 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
250
FIGURA 417 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 418 DEFORMACION
FIGURA 419 FACTOR DE SEGURIDAD
251
45 Seleccioacuten de Diaacutemetro de la Tuberiacutea
Los criterios a utilizar para el caacutelculo del diaacutemetro de la tuberiacutea
son
1 Si la energiacutea
necesaria para el movimiento del fluido es gratis utilizar el
diaacutemetro miacutenimo que permita el caudal deseado
2 Si el fluido ha de ser
bombeado hay que calcular el tamantildeo que permita tener los
menores costes anuales (caacutelculo del diaacutemetro econoacutemico)
Velocidades tiacutepicas y caiacutedas de presioacuten permisibles que pueden
utilizarse para estimar el diaacutemetro de la tuberiacutea son
Velocidad (ms) ∆P(kPam)
Liacutequidos bombeados (no viscosos) 1 ndash 3 05
Liacutequidos flujo por gravedad - 0005
Gases y vapores 15 ndash 30 002 presioacuten de liacutenea
Flujos a alta presioacuten 30 - 60
TABLA 45 VELOCIDADES Y CAIDAS DE PRESION
PERMISIBLES [4]
Si se considera la densidad del fluido la velocidad oacuteptima es
252
Densidad del fluido
(Kgm3)
Velocidad del fluido
(ms)
1600 24
800 30
160 49
16 94
016 180
0016 340
TABLA 46 DENSIDAD DEL FLUIDO EN FUNCION DE LA
VELOCIDAD [4]
En la seleccioacuten de las tuberiacuteas se tiene que considerar el caudal
maacuteximo no el nominal (aumentar 20 a 50)
De acuerdo a la tablas 45 y 46 se tiene que
Flujo de agua = 15 m3h
Por lo tanto se escoge una velocidad
V = 2475 ms este valor es interpolado de la tabla 43 para
liacutequidos bombeados
Conocido el caudal y la velocidad se puede encontrar el
diaacutemetro
Q = A V Ec413
253
A = π4 D = QV
Donde D diaacutemetro de la tuberiacutea despejando D se tiene
D = 00508 m o tuberiacutea de 2rdquo
46 Seleccioacuten de la Bomba para la Torre de Enfriamiento
Se tiene los siguientes datos para la torre
Q = 15 m3h
Altura de la torre se la torre 12m
Considerando las tablas del Apeacutendice J del manual del
fabricante Golds Pumps se selecciona la siguiente bomba
Modelo 3196
STX 1x 1 frac12 - 6
Capacidad 70 GPM 3 frac12 ldquo 1 frac12 HP
Frecuencia 60 Hz
254
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
51 Diagrama de Gantt para la Ejecucioacuten del Proyecto
Diagrama de Gantt- Para la planificacioacuten de la construccioacuten montaje se contara con la
ayuda del software Microsoft Project
Que se lo muestra a continuacioacuten
255
FIGURA 51 DIAGRAMA DE GANTT
El diagrama de la figura anterior da los pasos que se siguieron describiendo todo el
proceso que se llevo a cabo en el proyecto utilizando oacuteptimamente el recurso humano
existente y el tiempo requerido para realizarlo
Levantamiento de planos del disentildeo de forma del sistema de enfriamiento- Este
procedimiento se hizo para obtener una referencia del espacio disponible y con ello ver
las posibles soluciones a implementar Este proceso no consta en el diagrama de Gantt
ya que lo hizo previo a la licitacioacuten ya que seria acreedora del contrato la empresa
participante que presente su mejor propuesta y cotizacioacuten sin embargo se tomo 5 diacuteas
para realizar este proceso
511 Preparacioacuten de Documentos Planos de Taller y Movilizacioacuten
Elaboracioacuten de planos de taller- Se procederaacute al disentildeo del sistema mas optimo en
este caso torre de enfriamiento certificacioacuten de intercambiador de calor disentildeo de
estructura moacutevil y de su estructura de soporte a ser ejecutado para la alternativa
seleccionada Asimismo se procederaacute al disentildeo eleacutectrico bajo la responsabilidad
ERMARLO SA Los planos seraacuten sometidos a la aprobacioacuten del departamento
encargado por parte de la Armada del Ecuador para iniciar los trabajos de
construccioacuten de acuerdo al cronograma presentado
256
Ninguacuten data sheet mostrado en la oferta podraacute ser utilizado como base para la
construccioacuten del sistema en mencioacuten por parte de la Armada del Ecuador o terceros si
la obra no se adjudica a ERMARLO SA con amparo a la ley de derechos de autor
Movilizacioacuten- Durante el periacuteodo de elaboracioacuten de planos se procederaacute con la
movilizacioacuten de equipos herramientas material a las instalaciones de la Armada
Nacional del Ecuador ubicada en la Base Sur Se utilizaraacuten bantildeos portaacutetiles con
mantenimiento perioacutedico Ademaacutes la logiacutestica del proyecto seraacute reforzada con el
apoyo de las oficinas e instalaciones de ERMARLO SA Ubicadas en la viacutea a Daule
Parque industrial Inmaconsa
512 Fabricacioacuten en el Taller
El disentildeo suministro de los materiales prefabricacioacuten y pre pintura interior y exterior
de las estructuras seraacuten ejecutados por ERMARLO SA En el taller se construiraacute
Rieles de movilizacioacuten para los soportes que llevaran la tuberiacutea de agua destilada
friacutea y caliente con sus respectivos acoples
Construccioacuten de la Torre de Enfriamiento y sus accesorios
Se ha contemplado la supervisioacuten de un teacutecnico de la Armada Nacional en los talleres
de ERMARLO SA asi mismo la supervisioacuten en campo de un teacutecnico durante la etapa
de montaje Para el efecto se ha considerado cubrir con todos los gastos relacionados
con esta visita salvo los honorarios de este teacutecnico los cuales correraacuten por cuenta de
la institucioacuten contratante
1 Materiales- De conformidad con los planos de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas para la construccioacuten de las rieles de deslizamiento y torre de
257
enfriamiento se selecciona el material a utilizar verificando calidad espesores y
dimensiones generales de laacuteminas y tuberiacuteas
Principalmente para laacuteminas de acero se verifican las marcas estampadas en
cada plancha contra los certificados emitidos por el fabricante de estar todo
conforme se libera el material para fabricacioacuten
2- Fabricacioacuten
21-Corte- Se posiciona la laacutemina seleccionada en la mesa de corte
procediendo al trazo y verificacioacuten conforme a medidas de plano de fabricacioacuten
Se transfieren las marcas originales de la laacutemina a cada parte y pieza a ser
cortada para mantener su identificacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten y en la
torre de enfriamiento terminada Se regulan los flujos de gases y velocidad de
avance de la maacutequina de conformidad con el procedimiento especiacutefico de cada
maacutequina y se procede a cortar el material En esta etapa se define dentro del
proceso de corte el tipo de bisel que se deja en el filo de las planchas para el
posterior proceso de soldadura todos los biseles tienen que estar detallados en
los planos de fabricacioacuten Una vez cortadas las piezas se realiza una limpieza
mecaacutenica de los bordes de la laacutemina especialmente los biseles de soldadura se
inspecciona y libera el material para el siguiente proceso
22-Conformado- Dependiendo de la parte de la torre que esteacute en proceso las
bandejas perforadas se las fabricara con este procedimiento Adicionalmente
todas las partes conformadas seraacuten pre-ensambladas en taller para verificar su
correcto dimensionamiento y agilizar el proceso de ensamble final en campo
23-Soldadura- Se realizaraacute soldadura en faacutebrica par elementos como patas
soportes de la cuba colectora de agua tuberiacuteas de carga y descarga conexiones
para instrumentacioacuten de acuerdo con el requerimiento del cliente Todas las
258
soldaduras de faacutebrica deben estar definidas en los planos de fabricacioacuten
indicando el proceso de soldadura y paraacutemetros generales que seraacuten ejecutados
Todas las soldaduras se realizaraacuten con procedimientos y soldadores calificados
de conformidad con coacutedigo ASME uacuteltima edicioacuten Los principales procesos a ser
utilizados son SAW GMAW SMAW
Toda soldadura deberaacute ser inspeccionada y verificada cumpliendo los
requerimientos del coacutedigo ASME y condiciones particulares del Cliente si
existieran
24-Tratamiento de Superficies- Tanto las laacuteminas de cuerpo como tuberiacuteas
soportes plataformas seraacuten preparadas y recubiertas de acuerdo con las
especificaciones del cliente En taller se realizaraacute aplicaraacute la primera capa de
revestimiento y en campo se completara el sistema luego del montaje
y pruebas del tanque El procedimiento a seguir es el siguiente
Se prepararaacute la superficie utilizando chorro de granalla metaacutelica hasta obtener un
acabado SSPC - SP 10 metal casi blanco con un perfil de anclaje de 2 a 3 mils
que garantice la adherencia y resistencia mecaacutenica del sistema de pintura a
aplicar Se dispone con los equipos y condiciones adecuadas para garantizar una
buena limpieza
La pintura seraacute aplicada conforme las recomendaciones y especificaciones de la
hoja teacutecnica del fabricante de pintura Durante el proceso de aplicacioacuten se
controla y registran los paraacutemetros externos y condiciones de aplicacioacuten como
temperatura ambiente temperatura de la pieza humedad relativa punto de
rociacuteo espesor huacutemedo y espesor seco
25 Factibilidad de construccioacuten- Se quiere resaltar las ventajas de la
fabricacioacuten de la torre de enfriamiento en Ecuador ya que ademaacutes del arancel
que tendraacute que pagarse sobre el tanque importado cuando se trata de proyectos
de intereacutes puacuteblico de acuerdo a la Ley la Armada del Ecuador puede requerir la
259
aprobacioacuten de la importacioacuten de bienes de capital El Ministerio encargado
certificaraacute si hay manufactura local o no para los bienes a ser importados El
producto local debe ser similar al importado debe tener la misma funcioacuten precio
competitivo igual calidad y tiempo de entrega Si los productos locales cumplen
con los estaacutendares de los productos importados deben entonces ser comprados
localmente caso contrario el Ministerio no autorizaraacute su importacioacuten
513 Montaje del Sistema de Enfriamiento
El Supervisor de montaje seraacute responsable de la eficiente
coordinacioacuten del Proyecto la Armada del Ecuador seraacute informado
continuamente de todas las acciones a tomar
ERMARLO SA dispondraacute de todos los equipos y herramientas
necesarios para enfrentar adecuadamente los trabajos
incluyendo gruacuteas compresores generadores soldadoras equipo
para prueba hidrostaacutetica etc
El montaje del sistema de enfriamiento obedece a una secuencia establecida en los
procedimientos y normas aplicables para este tipo de trabajos
En resumen las actividades principales que es necesario cumplir son las siguientes
Revisioacuten de la fundacioacuten de las estructuras deslizantes y la torre de enfriamiento
Antes del montaje del sistema de guiacuteas para la estructura
deslizante y para la torre de enfriamiento se verificaraacuten
260
cuidadosamente la topografiacutea e integridad estructural de las
fundaciones Tambieacuten se comprobaraacute que el terreno esteacute
adecuado para los diferentes movimientos de los equipos de
montaje
FIGURA 53 ALINEACION DE PISO DONDE SE ASENTARA LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Montaje de la estructura de soporte del sistema deslizante
Una vez revisada y aprobada las estructuras donde se va a montar el sistema
deslizante la cual llevara las tuberiacuteas de agua destilada a las bateriacuteas por parte de
ERMARLO SA se procederaacute a la instalacioacuten de cada una de las vigas transversales
donde se delizara el sistema de tuberiacuteas
261
FIGURA 52 SISTEMA DE DESLIZAMIENTO
Soldadura en obra
Las vigas del sistema de deslizamiento la torre y sus estructuras seraacuten soldados por
cualquiera de los procesos SMAW y SAW utilizando los equipos adecuados La
soldadura puede ser manual semi-automaacutetica o automaacutetica de conformidad a lo que
establezca del procedimiento de soldadura correspondiente
Se tendraacute una revisioacuten estricta de las condiciones de los biseles eliminacioacuten de escoria
antes de efectuar el siguiente cordoacuten inspecciones visuales de la soldadura
inspecciones radiograacuteficas de acuerdo al Coacutedigo se es necesario
Las laacuteminas del cuerpo en juntas de tope seraacuten alineadas en su posicioacuten antes de
soldar las mismas
514 Preparacioacuten de Superficie y Pintura en Sitio
262
Con el fin de asegurar la culminacioacuten del proyecto dentro del tiempo especificado asiacute
como para minimizar los dantildeos ambientales y proteger los materiales prefabricados
durante su transporte se ha considerado realizar la preparacioacuten y pre pintura de
superficies exterior e interior de las estructuras en taller
Las capas finales de pintura seraacuten aplicadas en el campo de acuerdo a las
especificaciones establecidas propuestas por ERMARLO SA Las aacutereas de pintura que
deban reparase o terminarse en se las repararaacute en obra
515 Prueba Hidrostaacutetica del Sistema de Tuberiacuteas e Intercambiador de Calor
Una vez instalado y pintado la torre de enfriamiento con el intercambiador de calor
sumergido en la piscina recolectora de la torre se procederaacute a realizar la prueba
hidrostaacutetica y la posterior desinfeccioacuten del mismo de acuerdo a lo especificaciones en
las bases de licitacioacuten entregada por la Armada del Ecuador
516 Bombas de agua
Existen dos bombas a ser montadas veacutease la figura 53 La bomba 1 para el sistema
de agua destilada de circulacioacuten por las bateriacuteas y al intercambiador de calor la bomba
2 figura 54 para la recirculacioacuten del agua en la torre de enfriamiento Las
caracteriacutesticas de todas ellas han sido ya establecidas en capiacutetulos anteriores
263
FIGURA 53 BOMBA PARA AGUA DESTILADA QUE ENTRA EN LAS BATERIA
FIGURA 54 BOMBA DE AGUA PARA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Para el montaje se deben respetar las especificaciones dadas ya sea por las normas
respectivas o seguir recomendaciones teacutecnicas En este caso se haraacute lo posible por
cumplir las recomendaciones dadas[12] Para el caso de la tuberiacutea de succioacuten se da la
figura 55
264
FIGURA 55 TUBERIA DE SUCCION [12]
Otra recomendacioacuten dada radica en que se debe evitar para el transporte el uso de
tuberiacuteas de igual diaacutemetro al de ingreso o salida del agua de la bomba deben ser
las inmediatas superiores Esto se cumple con los caacutelculos solo cuando la bomba
estaacute bien dimensionada pero no en el caso de la bomba 2 debido a que esta se
encuentra sobredimensionada Por ello el diaacutemetro de la tuberiacutea de salida es igual
diaacutemetro de la tuberiacutea de transporte de agua en el ingreso caso igual se usa una
tuberiacutea de 2rdquo
516 Instalacioacuten Eleacutectrica
Se ha contemplado el disentildeo instalacioacuten suministro y pruebas de
un sistema eleacutectrico el mismo que tendraacute los controles y mandos
para activar ventilador de la torre activacioacuten de las bombas de
agua control de ventiladores del cuarto de activacioacuten
265
FIGURA 56TABLERO DE CONTROL ELECTRICO
Toda tuberiacutea eleacutectrica se aseguraraacute con abrazaderas o soportes
de acero a la estructura de la torre o a las paredes por donde
crucen los cables
517 Graficas Representativas del Montaje de la Torre de
Enfriamiento
266
FIGURA 57 INTERCAMBIADOR SUMERGIDO EN COLECTOR
DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
FIGURA 58 BANDEJAS PERFORADAS INSTALADAS EN LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
267
FIGURA 59 TORRE DE ENFRIAMIENTO INSTALADA
52 Lista de materiales y equipos requeridos para el montaje
En las siguientes tablas se listan los materiales y equipos requeridos para el montaje
realizado adicionalmente se indica si se empleoacute algo usado o nuevo asiacute como su cantidad
268
EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
Equipoherramienta Tamantildeoespecificacioacuten Condicioacuten
01 Arco para sierra Estaacutendar de 12rdquo En bodega
02 Broca para acero HSS Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
03 Broca para cemento Percusioacuten Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
04 Broca para cemento Percusioacuten Oslash frac12 rdquo x 6rdquo En bodega
06 Cepillo de acero 6 hileras En bodega
07 Destornillador plano 5 mm x 150 mm En bodega
08 Emulsioacuten lubricante Proporcioacuten 120 En bodega
09 Flexoacutemetro 8 m x 25 mm En bodega
10 Guantes de cuero Par manga corta (10rdquo) En bodega
11 Hoja de sierra 12rdquo x frac12rdquo x 132rdquo Comprada
12 Hoja de sierra 24rdquo x 1frac14rdquo x 116rdquo Comprada
13 Llave mixta ⅜rdquo En bodega
14 Llave mixta 916rdquo En bodega
15 Llave mixta 58rdquo En bodega
16 Llave para tubo Largo 12rdquo abre hasta 2rdquo En bodega
17 Llave para tubo Largo 24rdquo abre hasta 3frac12rdquo En bodega
18 Llave para tubo Largo 36rdquo abre hasta 5rdquo En bodega
19 Nivel Aluminio largo 24rdquo En bodega
20 Pie de amigo De 24rdquo de aacutengulo de frac34rdquo Construido
21 Piola de algodoacuten Rollo de 50 gramos Comprado
22 Prensa para tubo De tornillo para Oslash 4rdquo En bodega
23 Sierra alternativa Para aserrar acero En taller
269
24 Taladro de mano Capacidad frac12rdquo asymp 13 mm En bodega
25 Taco Fisher F10 Comprado
26 Tarraja para tubo Manual para Oslash frac12rdquo a 2rdquo En bodega
27 Tefloacuten Rollo 19mmx15mx02mm Comprado
29 EPP Comprado
30 Material de aporte E6011 E6013 etc Comprado
31 Equipo de oxicorte Acetileno oxigeno manom En bodega
32 extintores Polvo quiacutemico seco En taller
33 tecle 2 Ton En bodega
34 Maq De soldar En bodega
TABLA 51 LISTA DE EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
53 RESUMEN DE COSTOS
ITEM MATERIALES Cantidad unid mater peso V Unitario V Venta
Soportariacutea fija y estructura moacutevil
Correa G 125 x 50 x 15 x 3 6 unid 3324 3291 19745
plancha 4 1 unid 9334 9241 9241
aacutengulo laminado 40 x 3 9 unid 1100 1089 9801
aacutengulo laminado 50 x 4 3 unid 2355 2331 6994
Correa G 80 x 50 x 15 x 3 9 unid 2406 2382 21437
malla electro ARMEX R- 131 (515) 52 mc 100 200 10400
perno expansioacuten 58 x 3 24 unid 012 060 1440
270
Pintura 4 galoacuten 100 1500 6000
ruedas para correas 12 unid 100 2500 30000
aacutengulo laminado 25 x 3 6 unid 706 699 4194
Materiales estructura 119252
Mano de obra estructura 71551
Total estructura 190803
Sistema de tuberiacuteas y accesorios
tubo PVC 2 20 unid 100 1400 28000
accesorio T 2 2 unid 030 240 480
tapoacuten 2 4 unid 020 160 640
unioacuten 2 10 unid 020 160 1600
bushing 2 x 14 4 unid 020 160 640
manguera 2 6 m 100 3500 21000
acople para manguera 2 x 2 4 unid 200 1600 6400
abrazaderas 2 8 unid 100 600 4800
manguera 14 300 m 100 250 75000
abrazadera 14 480 unid 100 030 14400
tubo galvanizado 1 14 7 unid 100 3360 23520
codo pvc 2 4 unid 020 160 640
codo galvanizado 1 14 4 Unid 020 180 720
nudo 2 4 unid 030 240 960
acoples para manguera 14 240 unid 100 24000
Materiales sistema distribucioacuten agua
enfriamiento aire 202800
Mano de obra sistema distribucioacuten agua 81120
271
enfriamiento
Total sistema distribucioacuten 283920
Torre de enfriamiento
tubo cuadrado 80 x 3 4 unid 4521 4476 17903
aacutengulo laminado 50 x 3 8 unid 1430 1416 11326
ventilador axial para torre enfriamiento 1 unid 120000 120000
plancha 3 para deposito de agua torre 2 unid 7040 6970 13939
control nivel de agua torre 1 global 1500 1500
plancha galvanizada para bandejas 8 unid 4224 5914 47309
plancha galvanizada para paredes 8 unid 3285 4599 36792
bomba de circulacioacuten 80 gpm ndash 30 psi 1 unid 120000 120000
arrancador para bomba de circulacioacuten y
ventilador 1 global 32000 32000
difusores y encausadores de torre 1 global 35000 35000
tuberiacutea y vaacutelvulas de control de circulacioacuten 1 global 23500 23500
Material torre 459269
Mano de obra torre 156151
Total torre 615420
EQUIPOS SUMINISTRADOS POR ARMADA DEL ECUADOR
Intercambiador de calor de haz tubular 000
Bomba PN 50 ndash 32 ndash 145 para agua des-ionizada 000
NOTA no se encuentra agregado el valor del IVA
272
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
61 Conclusiones
1 El meacutetodo usado por el texto de Procesos de transferencia de calor de Kern y al
comparar con el programa computacional para la seleccioacuten del intercambiador de calor
son similares concluyendo que el programa funciona correctamente y este caso el
intercambiador disponible cumple con los requerimientos para reducir la temperatura
requerida para el sistema
2 El equipo disentildeado cumple con lo establecido en el anaacutelisis del problema y las
restricciones
3 El meacutetodo de construccioacuten utilizado especialmente los procesos de soldadura garantizan
el buen funcionamiento del equipo
4 Se ha adquirido mas conocimientos sobre las torres de enfriamiento y sobre su valor
caracteriacutestico KaVL A mayor valor mayor dificultad para lograr el enfriamiento deseado
Adicionalmente se ratifico los conocimientos adquiridos
273
5 Se ha utilizado varios sistemas computacionales para comprobar los resultados
adquiridos e implementar estos programas en el trabajo diario dentro del departamento de
proyectos de ERMARLO SA
6 Se ha utilizado tablas normas y coacutedigos de seleccioacuten y disentildeo de esta manera logrando
un meacutetodo de seleccioacuten maacutes raacutepida para la ejecucioacuten de un proyecto
7 El control de calidad dentro del proceso de construccioacuten y montaje es muy importante en
la entrega final del trabajo para la satisfaccioacuten del cliente y realzar el nombre de la
empresa constructora
8 Una gran experiencia de trabajo en equipo tanto con el personal encargado de la
construccioacuten como la interaccioacuten con el personal de la Armada del Ecuador
62 Recomendaciones
1 Cuando se desee realizar la evaluacioacuten de un intercambiador de calor o una torre de
enfriamiento se debe seguir un sin nuacutemero de especificaciones para tenerlas a mano
Personalmente me parecioacute muy buena la guiacutea del texto Procesos de Transferencia de
Calor
2 Se requiere implementar un estudio detallado para el manejo de todos los desechos
generados
3 Se tendriacutea que hacer un plan de mantenimiento para los equipos constitutivos del sistema
de enfriamiento
4 Revisar permanentemente las instalaciones eleacutectricas ya que se tiene un ambiente
explosivo por las emanaciones de hidrogeno de las bateriacuteas al estar activaacutendose
274
5 La pintura de la torre de enfriamiento deberiacutea estar en control para evitar corrosioacuten en la
estructura
6 En la construccioacuten y el montaje se recomienda el correcto uso del Equipo de Proteccioacuten
Personal asiacute como los implementos para realizar trabajos en altura trabajos en caliente o
lugares confinados para evitar lesiones por parte de los integrantes del proyecto
7 Tener en consideracioacuten todas las normas de seguridad que tiene la institucioacuten (Armada
del Ecuador) para evitar sanciones al personal que estaacute ejecutando el proyecto
8 Implementar un mejor sistema de ventilacioacuten en el cuarto de activacioacuten de bateriacuteas ya que
este tiene demasiados contaminantes en el ambiente
275
BIBLIOGRAFIA
1 Gonzalez Jorge ldquoAplicacioacuten de la Investigacion de Operaciones al
Diseno Optimo de un Intercambiador de Calorrdquo (Tesis Facultad de
Ingenieria en Mecanica y Ciencias de la Produccion Escuela Superior
Politecnica del Litoral 1970)
2 Kern Donald Procesos de Transferencia de Calor Editorial CECSA
1995
3 Hickstyler Manual de Calculos para las Ingenierias Tercera Edicion
Tomo II McGraw Hill 1998
4 Torres Alberto ldquoDiseno de una Torre de Enfriamiento de Agua para Uso
Industrialrdquo (Tesis Facultad de Ingenieria Mecanica y Ciencias de la
Produccion Escuela Superior Politecnica del Litoral 1973)
5 Andrade Francisco Ing Ventilacioacuten Industrial Diplomado en Manejo
Ambiental ESPOL julio 2001
6 Manual Praacutectico de Ventilacioacuten Catalogo Teacutecnico Salvador Escoda
SA
7 Perry Robert-Green Don PERRY Manual del Ingeniero Quiacutemico
Seacuteptima Edicioacuten Volumen II Mc Graw Hill
8 Load amp Resistance Factor Design Manual of Steel Construction AISC
First Edition
9 Incropera P Frank-De Witt P David Fundamentos de Transferencia de
Calor Cuarta Edicioacuten Prentice Hall
10 Granet Irving Termodinaacutemica Tercera Edicioacuten Editorial Prentice Hall
1998
11 Goulds Pump Manual Sexta Edicioacuten Goulds Pumps Inc 1995
276
12 McNaughton Kenneth Bombas Seleccioacuten Uso y Mantenimiento
Editorial Mc Graw Hill 1992
13 David Linden Thomas B Reddy Handbook of Batteries McGraw Hill
Third Edition 1995
14 Pedro Fernaacutendez Diez Bombas Centrifugas y Volumeacutetricas 2002
15 Eugene F Megyesy Pressure Vessel Handbook Publishing Inc Sexta
edicioacuten
16 Holman J P Transferencia de Calor Octava edicioacuten Prentice Hall
2001
17 Dpto Ingenieria Quiacutemica y Textil Disentildeo de Equipos e Instalaciones
(Facultad de Ciencias Quiacutemicas Universidad de Salamanca)
18 Peters and Timmerhaus Plant Design and Economics For Chemical
Engineers McGraw Hill
19 Introduccioacuten al Programa ANSYS
20 Avallone Eugene A Baumeister III Theodore MARKS Manual del
Ingeniero Mecaacutenico Novena Edicioacuten Tomos I y II Mc Graw Hill
21 httpwwwipacesacerofabricacionasp
22 httpwwwevapcocom
23 httpwwwcasalscom
24 httpwwwamcotcom
25 httpwwwmonografiastrabajos10toentoenzip
277
109
Luis G Laverde Naranjo
AGRADECIMIENTO
A todas las personas que
de uno u otro modo
colaboraron en la
realizacioacuten de este
trabajo y especialmente
en el Ing Juliaacuten Pentildea
Director de Tesis por
su invaluable ayuda
A DIOS porque El es Bueno y Excelso al permitirme tener eacutexito en mis
estudios
A mi familia especialmente mis padres hermanos mis sobrinos en especial
Daniel por su ayuda en todo momento de mi vida
A mi director de Tesis Ing Ernesto Martiacutenez por su mano de apoyo siempre
presta e incondicional dispuesta a brindar su amistad y ayuda como
formador de los futuros profesionales
A la compantildeiacutea ERMARLO SA y todo su personal empresa en la cual me
he forjado y me ha permitido desarrollar este tema de tesis
A todos mis familiares amigos y personas que me ayudaron y apoyaron
para alcanzar mi objetivo
110
DEDICATORIA
A DIOS
A MIS PADRES
GONZALO E ISABEL
111
A MI FAMILIA
RESUMEN
El presente trabajo consiste en dar una solucioacuten real a la necesidad actual y futura del enfriamiento de
las bateriacuteas que se utilizan en los submarinos de la Armada Nacional del Ecuador en el proceso de
activacioacuten de eacutestas en tierra
En el Capiacutetulo Uno se plantea las generalidades detallando las partes constitutivas de los submarinos
caracteriacutesticas de las bateriacuteas que se utilizan en los submarinos meacutetodos de carga de las bateriacuteas y
administracioacuten de la temperatura en el proceso de activacioacuten de eacutestas
El Capiacutetulo Dos trata de la descripcioacuten del problema en esta seccioacuten se describe los requerimientos
dados por el fabricante de las bateriacuteas para que estas puedan entrar en funcionamiento se plantea
varias alternativas de solucioacuten que permita solucionar el problema planteado
El Capiacutetulo Tres se realiza el anaacutelisis teacutermico de acuerdo a datos teacutecnicos dados por los fabricantes
de las bateriacuteas que aplicando conocimientos de termodinaacutemica y transferencia de calor se podraacute
plantear las ecuaciones adecuadas para tener resultados y poder dimensionar los equipos necesarios
para lograr el objetivo planteado
112
En el Capiacutetulo Cuatro conocidos los paraacutemetros teacutermicos actuantes en el sistema se procede a
realizar la seleccioacuten y disentildeo mecaacutenico de los componentes involucrados en el funcionamiento del
sistema de enfriamiento
El Capiacutetulo Cinco realiza una evaluacioacuten teacutecnica para la construccioacuten y montaje de los equipos la
evaluacioacuten econoacutemica del proyecto y actividades de taller
El Capiacutetulo Seis se da conclusiones y recomendaciones a las que se llega como consecuencia del
desarrollo de este trabajo Ademaacutes recomendaciones para que se implemente en un proceso de
mejora continua
IacuteNDICE GENERAL
Paacuteg
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I
IacuteNDICE GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip III
ABREVIATURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VII
SIacuteMBOLOGIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XI
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XII
IacuteNDICE DE PLANOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XIV
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XV
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
CAPIacuteTULO 1
1 GENERALIDADEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
11 Descripcioacuten del sistema de poder de los submarinoshelliphelliphellip 4
113
12 Caracteriacutesticas generales del submarino U - 209helliphelliphelliphelliphellip 6
13 Proceso de activacioacuten de las bateriacuteas para submarinohelliphellip
131 Anaacutelisis del sistema operativohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
132 Caracteriacutesticas de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
133 Capacidad de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
134 Autodescargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
135 Almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
136 Principales meacutetodos de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
137 Control de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
138 Control de la temperatura en las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphellip
7
7
14
16
21
23
24
27
29
CAPIacuteTULO 2
2 DESCRIPCION DEL PROBLEMAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
21 Requerimientos para el proceso de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 36
22 Consideraciones teacutecnicas para la activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
23 Alternativas de solucioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
37
38
231 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
232 Sistema de enfriamiento con intercambiador enfriado por
airehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
233 Sistema de enfriamiento utilizando chillerhelliphelliphelliphelliphelliphellip
234 Sistema de enfriamiento utilizando intercambiador de calor y torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
42
43
45
24 Seleccioacuten mejor alternativahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
25 Torres de enfriamiento y su clasificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
26 Seleccioacuten de la torre a utilizarsehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
114
CAPIacuteTULO 3
3 ANAacuteLISIS TEacuteRMICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
31 Descripcioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
32 Datos de operacioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 64
33 Seleccioacuten del intercambiador de calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
331 Meacutetodo FLMTDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
332 Uso de software para seleccioacuten del intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
34 Disentildeo teacutermico de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
351 Fundamento del enfriamiento por evaporacioacutenhelliphelliphellip 87
352 Caacutelculoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89
CAPIacuteTULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 105
41Componentes de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 104
42 Determinacioacuten de la seccioacuten transversal de la torrehelliphelliphelliphellip 108
43 Seleccioacuten de la columna de contactohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 112
431 Altura de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
432 Aacuterea perforadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
433 Dimensiones de las perforacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
434 Espesor de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 117
44 Disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de la torre de enfriamiento 121
441 Seleccioacuten del espesor de planchahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 123
442 Carga en las paredes del depoacutesitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
444 Momento de inercia miacutenimo requeridohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
433 Distancia entre soportes del colectorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
115
44 Seleccioacuten del ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 129
45 Seleccioacuten de diaacutemetro de la tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 135
46 Seleccioacuten de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 137
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
51 Diagrama de Gantthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
511 Preparacioacuten de documentos planos de taller y
movilizacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 139
512 Fabricacioacuten en el tallerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
513 Montaje del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
514 Preparacioacuten de superficie y pintura en sitiohelliphelliphelliphelliphellip 148
515 Pruebas hidrostaacuteticas de tuberiacuteas e intercambiadorhellip 149
516 Bombas de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
517 Instalacioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
52 Materiales y equipos requeridoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
53 Resumen de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 156
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
61 Conclusioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
62 Recomendacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 160
APEacuteNDICES
BIBLIOGRAFIacuteA
116
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 11 Partes constitutivas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
Figura 12 Estado de descarga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Figura 13 Estado de carga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
117
Figura 14 Variacioacuten de la capacidad seguacuten reacutegimen de descargahelliphellip 17
Figura 15 Variacioacuten de la capacidad seguacuten la temperaturahelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Variacioacuten de la capacidad seguacuten nuacutemero de cicloshelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Variacioacuten de la vida uacutetil en funcioacuten de la descargahelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Variacioacuten de la capacidad por autodescarga 22
Figura 19 Reaccioacuten exoteacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 21 Trabajos preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 22 Esquema de enfriamiento de bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 23 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Figura 24 Enfriamiento utilizando intercambiador enfriado por aire 43
Figura 25 Sistema de enfriamiento utilizando un chiller 44
Figura 26 Sistema de enfriamiento utilizando torre de enfriamiento e intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
Figura 27 Torre de enfriamiento de tiro forzadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
Figura 28 Torre de flujo a contracorriente y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
Figura 29 Torre de flujo cruzado y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
Figura 31 Disposicioacuten de las bateriacuteas en el cuarto de activacioacutenhelliphelliphellip 61
Figura 32 Disposicioacuten de tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
Figura 33 Sistema de desplazamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 34 Bateriacuteas en cuarto de activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 35 Sistema moacutevil para llevar el fluido de enfriamiento a las
bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
Figura 36 Disentildeo de forma del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
Figura 37 Distribucioacuten de temperaturas en un intercambiador de calor de doble tubo en
paralelohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 69
Figura 38 Ventana de inicio del programahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
Figura 39 Ventana de seleccioacuten de tipo de intercambiador a utilizarse y definicioacuten de
fluidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
Figura 310 Datos del material del intercambiadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 80
118
Figura 311 Ventana de ingreso de datos de intercambiador de calorhellip 81
Figura 312 Ventana de resultados en la presioacuten de disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphellip 82
Figura 313 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 83
Figura 314 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 84
Figura 315 Disposiciones del haz de tuboshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
Figura 316 Idealizacioacuten del fenoacutemeno de transferenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
Figura 317 Flujo Especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
Figura 318 Diagrama del sistema para el disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
Figura 319 Relaciones de agua y aire de una torre a contra flujohelliphelliphellip 93
Figura 320 Diagrama de operacioacuten de enfriamiento del aguahelliphelliphelliphelliphellip 101
Figura 41 Disentildeo de Forma de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 108
Figura 42 Diagrama de operacioacuten de una bandeja perforadahelliphelliphelliphellip 114
Figura 43 Disposicioacuten de agujeros en las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
Figura 44 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 45 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 46 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 47 Valores de alfahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
Figura 48 Dimensionamiento del depoacutesito de coleccioacuten de aguahelliphelliphellip 123
Figura 49 Cargas hidrostaacuteticashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
Figura 410 Distancia entre soporteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
Figura 412 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 413 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 414 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 415 Diagrama para seleccionar modelo de ventiladorhelliphelliphelliphelliphellip 131
Figura 416 Ventilador seleccionadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 132
Figura 417 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 418 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 419 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 51 Diagrama de Gantt 138
119
Figura 52 Sistema de deslizamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 171
Figura 53 Alineacioacuten de piso donde se asentaraacute la torrehelliphelliphelliphelliphelliphellip 172
Figura 54 Bomba de agua para torrehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 175
Figura 55 Tuberiacutea de succioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 176
Figura 56 Tablero de control eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 177
Figura 57 Intercambiador sumergido en colector de la torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 58 Bandejas perforadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 59 Torre de enfriamiento instaladahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 179
120
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphellip 6
Tabla 12 Paraacutemetros de almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
Tabla 21 Programa de carga eleacutectrica para la activacioacuten de las bateriacuteas de los
submarinoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
Tabla 22 Impurezas maacutes comunes en el agua que afectan los sistemas de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 23 Matriz de decisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
Tabla 24 Clasificacioacuten de las torres de enfriamiento 49
Tabla 25 Matriz de decisioacuten para seleccionar el tipo de torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
Tabla 31 Escala de presioacuten y valor U para tipos de intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Tabla 32 Aacuterea transversal de flujo y superficie para intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Tabla 33 Valores de entalpiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 102
Tabla 34 Caracteriacutesticas de humidificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103
Tabla 41 Dimensiones de zona sin perforarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
Tabla 42 Informe de resultados del anaacutelisis de la bandeja perforadahellip 119
Tabla 43 Informe de resultados del colector de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 127
Tabla 44 Informe de resultados de la campana de extraccioacutenhelliphelliphelliphellip 133
Tabla 45 Velocidades y caiacutedas de presioacuten permisibles 135
Tabla 46 Densidad del fluido en funcioacuten de la velocidadhelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
Tabla 51 Lista de equipos y herramientashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
121
IacuteNDICE DE PLANOS
Plano 1 Torre de enfriamiento y sus partes
Plano 2 Bandejas perforadas
Plano 3 Campana de extraccioacuten
Plano 4 Tanque colector
Plano 5 Placa soporte
Plano 6 Dimensiones de estructura de torre de enfriamiento
122
ABREVIATURAS
ordmC Grados centiacutegrados
Mg Magnesio
Si Silicio
m Metros
cm Centiacutemetros
mm Miliacutemetros
kg Kilogramos
t Toneladas meacutetricas
MVA Mega voltamperios
kwh Kilovatio hora
tkwh Kilovatio hora por tonelada
Nm3
Metro cuacutebico normalizado
FeMn Ferromanganeso
MgO Oacutexido de magnesio
m Microacutemetro
NO2 Dioacutexido de nitroacutegeno
3Nmg
Gramos por metro cuacutebico de aire normalizado
ht Toneladas por hora
3mg
Gramos por metro cuacutebico
123
3mmg
Miligramos por metro cuacutebico
3pieg
Gramos por pieacute cuacutebico
min
3pie Pieacute cuacutebico por minuto
gal galoacuten
CFM Pies cuacutebicos por minuto
t
Kg Kilogramos por tonelada
hm3
Metros cuacutebicos por hora
th
m3
Metros cuacutebicos por hora por tonelada
s Densidad del soacutelido
3mg
Microgramos por metro cuacutebico
3mkg
Kilogramo por metro cuacutebico
sm Metros por segundo
OHmmCol 2 Miliacutemetros de columna de agua
atm atmoacutesferas
Pa Pascales
FPM Pies cuacutebicos por minuto
A Aacuterea
V Velocidad
Q Caudal
sm3
Metros cuacutebicos por segundo
124
SP Presioacuten estaacutetica
VP Presioacuten dinaacutemica
kPa Kilopascales
MPa Megapascales
2lgpulb Libras por pulgadas cuadradas
antildeomm Miliacutemetro por antildeo
hmm
2
3
Metros cuacutebicos por metro cuadrado por hora
psi Libras por pulgada cuadrada
diaacutemetro
ppm Partes por milloacuten
M Momento
mpy Mileacutesimas de pulgada por antildeo
Mw Megavatios
T Diferencia de temperaturas
CkgJ
ordm Joules por kilogramo por grado centiacutegrado
k Conductividad
h Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
R Sumatoria de resistencias
f Factor de friccioacuten
St Nuacutemero de stanton
KmW
2 Vatios por metro cuadrado por grados kelvin
125
INTRODUCCIOacuteN
La Armada del Ecuador a cargo de la Direccioacuten de Mantenimiento de la
institucioacuten con el propoacutesito de brindar mantenimiento al escuadroacuten de
submarinos nacionales SS ndash 11 ldquoShyrirdquo y SS ndash 12 ldquoHuancavilcardquo tipo U ndash 209
de fabricacioacuten alemana considera el cambio inmediato de las bateriacuteas de
propulsioacuten instaladas en dichos submarinos por haber cumplido su ciclo de
vida
Las unidades submarinas son de propulsioacuten diesel ndash eleacutectricas las bateriacuteas
son las encargadas de suministrar la energiacutea necesaria para propulsar y
alimentar la red abordo
Las bateriacuteas operan desde el antildeo 1997 tiempo de operacioacuten hasta la fecha
de 11 antildeos que sobrepasan el tiempo de vida uacutetil que es de 10 antildeos lo que
requiere un reemplazo inmediato de las bateriacuteas
Es por eso que las bateriacuteas de propulsioacuten fueron adquiridas a traveacutes de la
Junta de Defensa Nacional a la compantildeiacutea alemana Hawker GMBH una
126
remesa de 960 bateriacuteas estas son del tipo plomo ndash aacutecido las bateriacuteas se
someten a un proceso de carga y descarga cuando estaacuten montadas en el
submarino este proceso genera calor y produccioacuten de hidroacutegeno en el
ambiente
Para controlar la generacioacuten de calor existe en el submarino un sistema de
enfriamiento utilizando agua del mar las bateriacuteas nuevas adquiridas no
vienen activadas de fabrica para evitar problemas de danos y eliminar
riesgos durante el viaje hasta las instalaciones de la Armada Nacional es por
eso que la institucioacuten a dispuesto un lugar estrateacutegico donde se va a
proceder a la construccioacuten del sistema de activacioacuten de las bateriacuteas lo que
conlleva a realizar trabajos preliminares para la puesta en marcha de estos
equipos
Como este proceso tiene que ser realizado en tierra la Armada del Ecuador
convoca a diferentes empresas para licitar en el disentildeo construccioacuten y
montaje de un sistema de enfriamiento de agua que va a ser utilizada en la
activacioacuten de 120 bateriacuteas a la vez
ERMARLO SA empresa en la cual me desenvolviacutea en el departamento de
proyectos fue adjudicada la licitacioacuten y fue asignado el proyecto de disentildeo y
construccioacuten del sistema de enfriamiento el cual es el objetivo de esta tesis
127
Se utilizaran varios programas computacionales como Inventor 10 ESP plus
con el fin de utilizarlos en la praacutectica con mayor destreza para solucionar
problemas
CAPITULO 1
1 GENERALIDADES 11 Descripcioacuten del Sistema de Poder de los Submarinos
A fin de clarificar ciertos aspectos importantes para comprender el sistema de
propulsioacuten de los submarinos se realizaraacute una breve descripcioacuten generalizada de
este tipo de buque
El submarino tipo U ndash 209 es un buque disentildeado exclusivamente para
operar bajo el agua esta afirmacioacuten puede parecer redundante pero
es necesaria para diferenciar los submarinos modernos de los usados
durante la primera y segunda guerras mundiales que era propiamente
128
ldquosumergiblesrdquo es decir los buques con capacidad de permanecer
periodos relativamente cortos bajo la superficie esto explica el disentildeo
de estos con cantildeones en cubierta para la defensa aeacuterea y de
superficie
Hasta la llegada de la propulsioacuten nuclear marina la mayoriacutea de los submarinos del
siglo XX usaron bateriacuteas eleacutectricas para la navegacioacuten subacuaacutetica y motores de
combustioacuten interna para la superficie y recargar las bateriacuteas Los primeros modelos
usaban gasolina como combustible pero pronto se sustituyoacute por parafina y luego
gasoacuteleo gracias a su menor inflamabilidad La combinacioacuten diesel-eleacutectrico se
convertiriacutea en el medio de propulsioacuten estaacutendar Inicialmente el motor diesel o gasolina
y el eleacutectrico separados por embragues estaban en el mismo eje e impulsaban el
propulsor Esto permitiacutea que el primero usase al segundo como generador para
recargar las bateriacuteas e impulsar tambieacuten al submarino si era necesario Cuando el
submarino se sumergiacutea se desembragaba el motor diesel de forma que se usase el
eleacutectrico para girar la heacutelice El motor eleacutectrico puede tener maacutes de un inducido sobre
el eje estando eleacutectricamente acoplados en serie para velocidades bajas y en
paralelo para velocidades altas
129
12 Caracteriacutesticas Principales del Submarino U ndash 209
Desplazamiento
(sumergidos)
1285 Ton
Dimensiones 559 6355 m
Propulsioacuten 4 MTU MD 12V992 Tb 90
diesel de 600 CV un
Siemens eleacutectrico de
5000 CV y 4
generadores eleacutectricos
de 405 Kw
Tipo Submarino diesel
eleacutectrico de ataque SSK
Astillero de origen Howaldtswerke Kiel
Alemania
Desplazamiento 1265 ton (superficie)
1396 ton (inmersioacuten)
Casco Acero naval reforzado
Celdas 480 de 11500 Amp ndash h y
un peso total de 257 ton
Combustible 108 ton
Profundidad
maacutexima
500 metros
Armamento 553 mm torpedos en
tubos (14) misil Sub-
130
Harpoon
Tripulacioacuten 33
TABLA 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U ndash 209
El submarino posee 4 bateriacuteas de 120 celdas cada una
Cada celda estaacute disentildeada para almacenar cargas con voltajes que no
exceden los 275 voltios de corriente continua Las 120 celdas estaacuten
conectadas en serie esto para cada bateriacutea
FIGURA 11 PARTES CONSTITUTIVAS DEL SUBMARINO U -209
13 Proceso de Carga y Descarga de las Bateriacuteas en el Submarino
131
Para activar las bateriacuteas antes de ser puestas en operacioacuten se
requiere que se cumpla un determinado procedimiento el cual
implica periodos de carga y descarga de acuerdo a un plan
establecido
131 Anaacutelisis del Sistema Operativo de las Bateriacuteas
El suministro de energiacutea eleacutectrica dentro del buque tiene un solo
responsable estas son las celdas del buque
Primeramente entieacutendase por celdas al elemento unitario de
energiacutea eleacutectrica del buque que baacutesicamente es un acumulador de
plomo y aacutecido o pila secundaria que puede recargarse invirtiendo
la reaccioacuten quiacutemica
La celda electroliacutetica que describiremos a continuacioacuten el
acumulador de plomo
Estos acumuladores constan de una serie de placas de plomo
dispuestas una al lado de la otra y separadas entre siacute por medio de
los separadores
Las placas son unas rejillas rectangulares en las que se efectuacutea
una transformacioacuten de energiacutea quiacutemica en eleacutectrica o viceversa
seguacuten se descargue o cargue repetidamente el acumulador
132
Existen dos clases de placas las positivas constituidas a base de
peroacutexido de plomo cuyo color es negruzco y las negativas
constituidas de plomo combinado con materiales inertes que no
intervienen en la transformacioacuten generalmente antimonio Al
peroacutexido de plomo y al plomo que componen las placas se les
denomina materia activa del acumulador
Las placas positivas estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute
mediante una barra o laacutemina metaacutelica denominada puente de
unioacuten Lo mismo ocurre para las placas negativas Sobre ambos
puentes se hallan los bornes del acumulador uno positivo y otro
negativo
El conjunto de placas positivas y negativas alternadas se
encuentran sumergidas en agua acidulada que es una mezcla de
acido sulfuacuterico y agua que hace las veces de electrolito
En las condiciones hasta ahora descritas el acumulador se halla
cargado es decir que si entre sus bornes conectamos un
consumidor por ejemplo una laacutempara por ella circula corriente y
por tanto se encenderaacute ello es debido a que entre sus placas de
peroacutexido de plomo y de plomo existe una diferencia de potencial
capaz de producir corriente eleacutectrica cuando circula esta corriente
a traveacutes de un consumidor el acumulador se estaacute descargando
133
Durante dicha descarga para la corriente desde la placa positiva a
la negativa por el por el receptor o consumidor exterior a la bateriacutea
y por el interior desde la placa negativa a traveacutes del electrolito a la
placa positiva
Al pasar la corriente por el electrolito se descompone la moleacutecula
del aacutecido sulfuacuterico en dos iones (SO4-) y (2H+) con cargas
negativas y positivas respectivamente que reaccionan formando
en la placa positiva peroacutexido de plomo (PbO2) mas agua en el
recipiente Esta agua se genera porque el oxiacutegeno liberado de la
placa positiva del peroacutexido de plomo se combina con el hidroacutegeno
descompuesto del aacutecido sulfuacuterico
De la misma manera se forma sulfato plumboso en la placa
negativa y agua en el recipiente La reaccioacuten de la descarga la
podriacuteamos resumir asiacute
134
A medida que se va descargando la concentracioacuten de aacutecido
sulfuacuterico en el electrolito va disminuyendo lo que origina que sea
menos conductor provocando este fenoacutemeno un aumento de la
resistencia interior en el elemento lo que produce una caiacuteda de
tensioacuten tan grande que deja la bateriacutea fuera del servicio uacutetil
Cuando ha sido atacado todo el peroacutexido de plomo y todo el plomo
cesa la transformacioacuten y con ella la corriente eleacutectrica el
acumulador descargado incapaz de producir maacutes corriente
eleacutectrica
Si estando el acumulador descargado aplicamos en sus bornes
una diferencia de potencial se produciraacute la electroacutelisis del agua
contenida en el recipiente y las transformaciones que habraacuten
tenido lugar durante la descarga se invertiraacuten es decir en las
placas positivas se transformara el sulfato plumboso en peroacutexido
de plomo y aacutecido sulfuacuterico y en las negativas en plomo y aacutecido
sulfuacuterico con lo que el acumulador quedara nuevamente cargado y
con la facultad de poder suministrar de nuevo corriente eleacutectrica
La reaccioacuten de carga se habraacute efectuado asiacute
135
Estos fenoacutemenos quiacutemicos se llevan a cabo en el interior del
acumulador se va intentar representarlos por una serie de figuras
Por ejemplo en la Figura 12 Se tiene una aproximacioacuten a un
esquema de reaccioacuten quiacutemica durante la descarga del acumulador
La laacutempara representa el aparato consumidor que estaacute recibiendo
energiacutea eleacutectrica en este momento En el interior del acumulador
se estaacuten descomponiendo del modo que indican las flechas las
moleacuteculas de cada uno de los componentes de las placas
conjuntamente y en colaboracioacuten con el electrolito y su
composicioacuten quiacutemica
Obseacutervese como en la parte baja de las placas se produce la
presencia del sulfato de plomo (PbSO4) que es el indicio claro de la
descarga (En este esquema se mantiene el sentido electroacutenico de
la corriente es decir el paso del negativo al positivo tal como
ocurre en la realidad aunque se ha aceptado convencionalmente la
inversa)
136
La descarga total del acumulador llegariacutea a producirse cuando
ambas placas se hallaran saturadas de sulfato de plomo y el
electrolito fuera praacutecticamente formado por agua destilada La luz
dejara de brillar en sentildeal evidente de la falta de energiacutea eleacutectrica
FIGURA 12 ESTADO DE DESCARGA DE UN ACUMULADOR
El proceso de carga podemos verlo en la Figura 13 La colocacioacuten
de un generador de corriente continua entre los bornes del
acumulador hace que la corriente circule entre placas y electrolito
Tal como puede verse en la parte alta de las placas la presencia
del sulfato plumboso (PbSO4) es general lo que indica su estado
descarga pero al paso de la corriente eleacutectrica proveniente del
generador activa una reaccioacuten quiacutemica en la que de nuevo acido
sulfuacuterico se recompone Poco a poco la placa negativa recobra su
137
plomo inicial y la positiva su peroacutexido de plomo mientras el
electrolito aumenta su densidad por encima de los valores casi del
agua que teniacutea en el estado totalmente descargado debido a su
enriquecimiento de acido sulfuacuterico [13]
Estas son pues las transformaciones quiacutemicas mediante las
cuales es posible convertir energiacutea eleacutectrica en energiacutea quiacutemica y
viceversa
FIGURA 13 ESTADO DE CARGA DE UN ACUMULADOR [13]
132 Caracteriacutesticas de las Bateriacuteas
138
A pesar de su diversa constitucioacuten todas las bateriacuteas pueden
ser definidas mediante unas caracteriacutesticas comunes que se
consideran seguidamente
Resistencia interna- Formada por la resistencia oacutehmica
de sus componentes (terminales electrodos soportes y
electrolito) y por una resistencia virtual variable en funcioacuten
del estado de carga y de las distintas polarizaciones y
concentraciones Aumenta con las bajas temperaturas
con la descarga de la bateriacutea y con el envejecimiento
Rendimiento- Es la relacioacuten entre la energiacutea
suministrada durante la descarga y la que se necesita
para cargar plenamente la bateriacutea Las peacuterdidas en una
bateriacutea se deben sobre todo a una produccioacuten de energiacutea
caloriacutefica en los procesos quiacutemicos que tienen lugar
durante la carga y descarga
Velocidad de carga y descarga - Las corrientes de
carga y descarga a menudo se especifican con unos
teacuterminos que indican la descarga completa en un periacuteodo
continuo de una hora Estos teacuterminos son los regiacutemenes C
y sus muacuteltiples y submuacuteltiplos son un medio muy coacutemodo
para especificar las velocidades de carga y descarga Por
tanto 10C es la corriente que descarga la bateriacutea en seis
139
minutos mientras que C10 es la corriente que descarga
la bateriacutea en diez horas
Vida uacutetil - La vida uacutetil de una bateriacutea no se mide en antildeos
sino por la cantidad de ciclos de carga - descarga que es
capaz de realizar Asiacute si se la somete a un reacutegimen de
trabajo de muchos ciclos diarios probablemente soacutelo
duraraacute unos meses mientras que si el reacutegimen es de un
ciclo al diacutea o incluso maacutes lento (como ocurre en el caso de
iluminacioacuten de viviendas con energiacutea solar) la bateriacutea
puede durar al menos diez antildeos
133 Capacidad de una Bateriacutea
Es la cantidad de electricidad que puede entregar cuando se
descarga antes de que su tensioacuten disminuya por debajo de un
nivel miacutenimo Su siacutembolo es C y se expresa en A - h Otro
factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una bateriacutea
es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten quiacutemica
que tiene lugar en el acumulador se acelera demasiado y la
vida se acorta Si la temperatura es baja la vida se prolonga
pero si baja demasiado puede correr el riesgo de congelacioacuten
En este caso lo mejor seraacute mantener la bateriacutea en un nivel de
140
carga alto ya que cuanto mayor sea la concentracioacuten del
electrolito el punto de congelacioacuten seraacute maacutes bajo
La capacidad de una bateriacutea variacutea seguacuten el reacutegimen de
descarga aumenta a medida que la descarga es maacutes lenta y
disminuye cuando esta es maacutes raacutepida
Por esta razoacuten el valor de C debe venir referenciado con el
tiempo de descarga
FIGURA 14 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
REGIMEN DE DESCARGA [13]
Un incremento de la temperatura dentro de unos liacutemites
aumenta la actividad de los procesos quiacutemicos y por lo tanto
la capacidad de la bateriacutea Por el contrario a bajas
temperaturas la actividad quiacutemica es menor y la capacidad
disminuye considerablemente
141
FIGURA 15 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN LA
TEMPERATURA [13]
La historia de la bateriacutea afecta tambieacuten a la capacidad Si una
bateriacutea lleva un largo periacuteodo sin ser recargada en toda su
capacidad se produce un efecto memoria que impide que
recupere su capacidad nominal siendo necesarios varios
ciclos de carga y descarga para recuperarla El
envejecimiento de una bateriacutea merma su capacidad y va
disminuyendo a lo largo de su vida en funcioacuten del servicio de
carga - descarga a que sea sometida Para el caacutelculo de la
capacidad nominal necesaria hay que tener en cuenta la vida
uacutetil que se desea para la bateriacutea si se desea una vida uacutetil de
142
3 antildeos y el fabricante indica que al final de este periacuteodo soacutelo
se mantiene el 50 de la capacidad habraacute que utilizar una
bateriacutea de capacidad doble a la estimada necesaria
FIGURA 16 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
NUacuteMERO DE CICLOS [13]
Ademaacutes de los ciclos de carga - descarga tambieacuten hay que
considerar la profundidad de la descarga media que se
produce en cada uno de ellos Si dicha descarga es
moderada y soacutelo de vez en cuando se alcanza una
profundidad elevada el nuacutemero de ciclos que soportaraacute las
bateriacuteas seraacute elevado A medida que se la someta a
descargas maacutes profundas el nuacutemero de ciclos que podraacute
realizar y por tanto su vida uacutetil iraacute disminuyendo En
143
cualquier caso la profundidad de descarga maacutexima admisible
para un acumulador plomo - aacutecido es del 80
FIGURA 17 VARIACION DE LA VIDA UTIL EN FUNCION
DE LA DESCARGA [13]
Con un reacutegimen de descarga diaria del 25 de su capacidad
y un 80 de descarga 2 veces al antildeo (condiciones que
normalmente se dan en una instalacioacuten fotovoltaica) la
bateriacutea solar puede alcanzar una vida uacutetil de maacutes de 11 antildeos
Otro factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una
bateriacutea es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten
quiacutemica que tiene lugar en el acumulador se acelera
demasiado y la vida se acorta Si la temperatura es baja la
144
vida se prolonga pero si baja demasiado puede correr el
riesgo de congelacioacuten En este caso lo mejor seraacute mantener
la bateriacutea en un nivel de carga alto ya que cuanto mayor sea
la concentracioacuten del electrolito el punto de congelacioacuten seraacute
maacutes bajo
Las mayores formas de acortar la vida uacutetil de un acumulador
son
someterlos a cargas y descargas violentas y repetidas
descargarlo hasta el agotamiento
trabajar a temperaturas extremas
134 Autodescarga
La autodescarga de una bateriacutea consiste en la peacuterdida de
energiacutea por reaccioacuten entre los materiales que forman los
elementos de la bateriacutea en condiciones de circuito abierto es
decir cuando no hay carga alguna conectada al circuito de la
bateriacutea Depende del tipo de bateriacutea y muy directamente de la
temperatura aumentando con esta Por ello y dado que los
valores estaacutendar suelen venir referidos a una temperatura
145
media (unos 20 oacute 25ordmC) es preciso tener en cuenta que este
factor puede alterarse en algunos casos
FIGURA 18 VARIACION DE LA CAPACIDAD POR
AUTODESCARGA [13]
La autodescarga hay que considerarla como un consumo
adicional que demanda un cierto porcentaje de energiacutea
almacenada Su valor es aproximadamente de un 05 a un
1 diario en bateriacuteas plomo - aacutecido
146
135 Almacenamiento
Los fabricantes suelen dar recomendaciones para el almacenamiento
Mostramos las condiciones recomendadas para aplicaciones solares
en la tabla siguiente
TABLA 12 PARAMETROS DE ALMACENAMIENTO [18]
Las bateriacuteas almacenadas llenas y cargadas requieren un periodo de
recarga antes de su instalacioacuten El fabricante debe proporcionar las
instrucciones acerca de los intervalos y meacutetodos en los que debe
efectuarse
La exposicioacuten a alta temperatura y humedad durante el
almacenamiento puede ocasionar una peacuterdida de capacidad La
temperatura de una bateriacutea guardada en un recipiente expuesto a la
luz directa del sol puede subir a 60 degC o maacutes durante el diacutea
147
136 Principales Meacutetodos de Carga
La vida uacutetil de una bateriacutea y sus prestaciones dependen
directamente de los procesos de carga a los que es sometida
Por esta razoacuten hay que seguir en cada caso las
recomendaciones que da el fabricante
Los principales meacutetodos de carga son
1 Tensioacuten constante
2 Corriente constante
3 Corriente descendente
4 Dos niveles de tensioacuten constante
Tensioacuten constante
El meacutetodo de carga a tensioacuten constante es el maacutes usado para
cargar bateriacuteas de plomo - aacutecido Consiste en aplicar una
tensioacuten constante de 23 24 oacute 25 Velemento limitando la
corriente inicial de carga a 01C oacute 02 C amperios siendo C la
capacidad de la bateriacutea en amperios - hora El tiempo de
carga va de 40 horas a 10 horas y la tensioacuten debe regularse
seguacuten la temperatura ambiente si la temperatura es alta la
tensioacuten de carga debe ser baja y viceversa
148
Algunos fabricantes admiten la utilizacioacuten de este meacutetodo sin
limitacioacuten de corriente pues sus bateriacuteas estaacuten
dimensionadas para fuertes corrientes En este caso si se
inicia el proceso con 23Velemento la corriente inicial
despueacutes de una descarga profunda seraacute de 3C amperios y de
un 05C durante un periacuteodo largo
Corriente constante
El meacutetodo de carga a corriente constante es recomendado
por algunos fabricantes para las bateriacuteas de niacutequel - cadmio
limitando la corriente entre 025C y 005C amperios En el
caso de carga profunda se admiten corrientes de 1C
amperios pero vigilando la tensioacuten de la bateriacutea o la
temperatura
La carga a corriente constante se utiliza como carga de
igualacioacuten en bateriacuteas plomo - aacutecido para corregir diferencias
de capacidad entre las bateriacuteas de un mismo grupo Para
evitar una sobrecarga que destruya la bateriacutea es necesario
terminar cuando la bateriacutea alcance su maacutexima capacidad
149
Corriente descendente
Es el sistema de carga maacutes econoacutemico y es utilizado por
algunos fabricantes para sus bateriacuteas niacutequel - cadmio
Consiste en una carga sin regulacioacuten limitada por una
resistencia serie que en algunos casos es la propia
resistencia del devanado del transformador de alimentacioacuten
A medida que la bateriacutea se va cargando la corriente de carga
va descendiendo gradualmente Es un meacutetodo antiguo y muy
peligroso porque la tensioacuten y corriente de carga dependen de
las fluctuaciones de la corriente de la red con lo que existe
riesgo impliacutecito de sobrecarga
Dos niveles de tensioacuten constante
Es el meacutetodo recomendado para cargar una bateriacutea de plomo
- aacutecido hermeacutetica en un periacuteodo corto de tiempo y mantener la
bateriacutea en plena carga en situacioacuten de flotacioacuten Inicialmente
se carga a un nivel alto de tensioacuten (245Velemento)
limitando la corriente A partir de que esta disminuya por
debajo de un nivel se pasa a tensioacuten constante permanente o
de flotacioacuten Este meacutetodo es el maacutes eficiente pues minimiza el
tiempo de carga y la bateriacutea queda protegida de sobrecargas
150
Despueacutes de una descarga profunda es necesario un tiempo
de carga maacutes largo de lo normal Inicialmente la corriente que
admite la bateriacutea es baja ya que la resistencia interna tiene
un valor elevado y no adquiere su valor normal hasta pasados
unos 30 minutos Por este motivo es necesario inhibir el
control durante este periacuteodo de tiempo pues el cargador
podriacutea suponer que la bateriacutea estaacute cargada y dejarla en
flotacioacuten
137 Control de Carga
Para mantener el rendimiento oacuteptimo de una bateriacutea es esencial que
su carga se controle adecuadamente Al comienzo del ciclo de carga la
corriente deberiacutea limitarse para asegurar que no se produzca
generacioacuten de gases a causa de un voltaje excesivo aplicado al vaso
mientras la capacidad se recupera la corriente de carga debe
limitarse para mantener el voltaje de los vasos en el umbral requerido
para la generacioacuten de gases o ligeramente inferior una vez
recuperada la plena capacidad se deberiacutea aplicar una carga final a
corriente constante por un periacuteodo de tiempo fijo (carga de
igualacioacuten) Aunque estas condiciones no puedan lograrse
praacutecticamente en los sistemas de energiacutea fotovoltaica hay ciertas
151
circunstancias que se necesitan para minimizar el mantenimiento y
mantener la vida de la bateriacutea Los paraacutemetros del regulador tendraacuten
en cuenta los efectos del disentildeo del generador fotovoltaico la carga
la temperatura y los valores liacutemite recomendados para proteger la
bateriacutea Las de plomo-aacutecido o de niacutequel-cadmio tendraacuten el electrolito
suficiente para cubrir el periacuteodo entre por lo menos las visitas de
mantenimiento planificadas [13]
La sobrecarga excesiva no aumenta la energiacutea almacenada en la
bateriacutea En cambio la sobrecarga afecta al intervalo de servicio
debido al consumo de agua destilada en las bateriacuteas aacutecidas como
resultado de la generacioacuten de gases Para minimizar este efecto el
voltaje de regulacioacuten de la carga debe compensarse con los cambios
en la temperatura del electrolito ya que esto afecta directamente al
umbral de voltaje de generacioacuten de gases Contrariamente a esto la
estratificacioacuten puede ocurrir en bateriacuteas de electrolito liacutequido
particularmente en sistemas fotovoltaicos doacutende la insolacioacuten es a
menudo insuficiente para proporcionar generacioacuten de gases durante
el funcionamiento normal La estratificacioacuten se produce cuando capas
menos densas de electrolito se depositan sobre capas maacutes densas
situadas en el fondo de los vasos lo que produce una reduccioacuten de
152
capacidad Esto puede corregirse con la agitacioacuten que se produce
durante el proceso de gasificacioacuten Por consiguiente el proceso de
regulacioacuten de carga debe disentildearse para promover la generacioacuten de
gases a intervalos regulares Esto puede lograrse elevando el voltaje
de control de carga durante un periacuteodo y restablecieacutendolo una vez
que se ha producido la generacioacuten de gases
138 Administracioacuten de la Temperatura en las Bateriacuteas
Limites de temperatura de operacioacuten
Todas las bateriacuteas dependen para su funcionamiento de un proceso electroquiacutemico
ya sea en carga o descarga y sabemos que estas reacciones quiacutemicas son en alguna
manera dependientes de la temperatura La capacidad nominal de una bateriacutea se
especifica usualmente en alguacuten punto dentro del rango de trabajo entre +20ordmC hasta
+30ordmC (+68ordmF ~ +86ordmF) sin embargo la capacidad real puede desviarse
substancialmente del valor nominal si la bateriacutea es forzada a trabajar a mayores o
menores temperaturas (Figura 18) La Ley de Arrhenius dice que la velocidad a la
cual una reaccioacuten quiacutemica se produce incrementa exponencialmente seguacuten la
temperatura aumenta Esto permite que se extraiga mayor potencia de la bateriacutea en
un instante a mayores temperaturas que la de trabajo Al mismo tiempo las mayores
temperaturas aumentan la movilidad de los electrones o iones reduciendo asiacute la
impedancia interna de la celda por consiguiente aumentando su capacidad Sin
embargo en el extremo superior de la escala las altas temperaturas pueden
tambieacuten iniciar reacciones quiacutemicas no deseadas o irreversibles yo peacuterdida de
electrolito lo cual puede causar un dantildeo permanente o falla completa de la bateriacutea
En el extremo inferior de la escala el electrolito se puede congelar fijando un liacutemite
153
para la capacidad a bajas temperaturas Por debajo del punto de congelamiento del
electrolito la capacidad de la bateriacutea comienza a deteriorarse seguacuten la velocidad de
la reaccioacuten quiacutemica se reduce Auacuten cuando una bateriacutea esteacute especificada para
trabajar bajo los -20ordmC oacute -30ordmC la capacidad a 0ordmC y por debajo de este punto de
disminuye considerablemente Debemos tomar en cuenta que el liacutemite inferior de
temperatura de trabajo de una bateriacutea puede depender de su estado de carga Un
sistema real puede por lo tanto necesitar ambos calentamiento y enfriamiento
ambiental forzado para mantenerlo no soacutelo dentro de los rangos liacutemite de trabajo
especificado por el fabricante sino dentro de un rango maacutes limitado para alcanzar
desempentildeo oacuteptimo
FIGURA 18 CAPACIDAD DE CARGA DE BATERIAS PLOMO ndash ACIDO A
DIFERENTES TEMPERATURAS
Efectos teacutermicos externos
154
Efectos teacutermicos externos La condicioacuten teacutermica de la bateriacutea es tambieacuten dependiente
de su ambiente Si su temperatura estaacute sobre la temperatura ambiente perderaacute calor
por efecto de la conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten Si la temperatura ambiente es
mayor la bateriacutea absorberaacute calor de sus alrededores
Cuando la temperatura ambiente es muy alta el sistema de manejo de la
temperatura debe trabajar muy duro para mantener la temperatura bajo control Una
sola celda puede trabajar muy bien a la temperatura ambiente de una sala por siacute
sola pero si es parte de un paquete de bateriacuteas rodeada de celdas similares todas
generando calor auacuten si la carga es la misma para todas podriacutea exceder sus liacutemites
de temperatura
FIGURA 19 REACCION EXOTERMICA
155
CAPITULO 2
2 DESCRIPCIOacuteN DEL PROBLEMA
Las unidades navales de la Armada del Ecuador dentro de los escenarios
en tiempo de paz y conflicto una de sus principales funciones es de
mantener los equipos y sistemas operativos como parte fundamental en
la operatividad como parte de estas funciones la Direccioacuten de
Mantenimiento de la institucioacuten es la encargada de realizar el cambio de
las bateriacuteas del Escuadroacuten de submarinos de que son las encargadas
suministrar energiacutea eleacutectrica a todo el submarino
156
Se adquiere una remesa de 960 bateriacuteas nuevas para eacutel los submarinos
a la empresa alemana Hawker GMBH ya que es necesario se efectuacutee la
remocioacuten de las bateriacuteas por cuanto su tiempo de vida uacutetil fue alcanzado
en el antildeo 2006 estos equipos vienen realizados sus pruebas de control
de calidad pero no vienen eleacutectricamente cargadas por lo que se
requiere realizar la operacioacuten de activacioacuten en tierra antes de ser puestas
en los submarinos
Para esto se requiere construir un sistema que permita la carga de 120
bateriacuteas a la vez Como se analizoacute en el Capitulo 1 existen tres
paraacutemetros que se debe controlar en el momento de carga o activacioacuten
de estos elementos que son
Voltaje
Corriente
Temperatura
El paraacutemetro de voltaje es necesario conocerlo para saber cuando las
celdas necesitan recargarse o cuando una de las celdas esta averiada y
tomar las acciones necesarias para continuar con el procedimiento de
activacioacuten de los elementos
157
El paraacutemetro de la corriente es necesario conocerlo para saber queacute
cantidad de energiacutea eleacutectrica estaacute entregando o recibiendo las celdas y
de esta manera conocer los amperios ndash hora que estaacute recibiendo las
celdas
El paraacutemetro de temperatura es criacutetico y es el paraacutemetro que esta tesis
estaacute encargada de controlar en este proceso de activacioacuten ya que se
desprende hidrogeno y sabiendo que el hidrogeno es un gas inflamable y
que al combinarse con el oxigeno en un determinado porcentaje es
detonante por este motivo se debe tener estricto control en la
temperatura de las celdas y de la concentracioacuten de hidrogeno en el aacuterea
de activacioacuten
El resultado de los efectos termo-eleacutectricos y termo-quiacutemicos posiblemente aumentados por las
condiciones ambientales es generalmente un aumento en la temperatura y como se dijo
anteriormente esto provocaraacute un incremento exponencial en la velocidad a la cual la reaccioacuten
quiacutemica se da Tambieacuten sabemos que si el aumento de temperatura es excesivo muchas cosas
desagradables pueden suceder
Los quiacutemicos activos se expanden causando que la celda se
ldquohincherdquo
Distorsiones mecaacutenicas en los componentes de la celda pueden
provocar corto circuitos o circuitos abiertos
158
Pueden darse reacciones quiacutemicas irreversibles las cuales
causaraacuten una reduccioacuten permanente en los quiacutemicos activos y por
lo tanto en la capacidad de la celda
Operacioacuten prolongada a altas temperaturas puede causar roturas
en partes plaacutesticas de la celda
Se expeleraacuten muchos gases de la celda debido a lo cual aumenta
la presioacuten dentro de esta lo que puede llevar eventualmente a una
ruptura o explosioacuten de la misma
Se podriacutean liberar quiacutemicos toacutexicos o inflamables
21 Requerimientos para el Proceso de Enfriamiento de las
Bateriacuteas de los Submarinos
Las bateriacuteas son colocadas en un cuarto de activacioacuten designado por la Armada del
Ecuador este cuarto debe ser adecuado para colocar 240 bateriacuteas colocadas sobre
plataformas de carga 4 unidades por plataforma en fila cada bateriacutea debe ser enfriada
de acuerdo a los paraacutemetros especificados por el fabricante
159
FIGURA 21 TRABAJOS PRELIMINARES
El enfriamiento de los elementos de la bateriacutea se consigue haciendo pasar el agua
destilada a traveacutes de los polos negativos y positivos que son huecos pasando desde
aquiacute a traveacutes de tuberiacuteas de salida hacia la tuberiacutea principal
Salida de agua
destilada caliente
Ingreso de agua
destilada friacutea
Salida de agua
destilada caliente
160
FIGURA 22 ESQUEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIA POR MEDIO DE AGUA
DESTILADA
22 Condiciones Teacutecnicas para la Activacioacuten de las Bateriacuteas de
Los Submarinos
Por lo que debe cumplirse con los programas de carga y descarga
siendo la temperatura un paraacutemetro a controlar principalmente en
el periodo de carga
Carga 10 h 590 A 5900 A-h
40 h 435 A 17400 A-h
Ingreso de agua
destilada friacutea
161
4 h Pausa
18 h 200 A 3600 A-h
Descarga 16 h 564 A
Carga aprox 31 h Carga Factor carga 125
27 Cargar 2h 200 A1h pausa
Descarga 20 h 564 A
Carga aprox 36 h Cargar IUI
TABLA 21 PROGRAMA DE CARGA ELECTRICA PARA LA ACTIVACION DE LAS
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
23 Alternativas de Solucioacuten
Los procesos de enfriamiento del agua se cuentan entre los maacutes antiguos que haya
desarrollado el hombre Por lo comuacuten el agua se enfriacutea exponiendo la superficie al aire
Algunos de estos procesos son lentos como el enfriamiento del agua en la superficie
de un estanque otros son comparativamente raacutepidos por ejemplo el rociado de agua
hacia el aire todos estos procesos implican la exposicioacuten de la superficie del agua al
aire en diferentes grados
Al enfriar agua es importante tener en cuenta consideraciones que mejoraran al modo
de enfriamiento del agua y que pueden significar un mayor rendimiento en el proceso
industrial Por esta razoacuten los meacutetodos de enfriamiento pueden ser mejorados en base a
estudios preliminares que cumplen con las normas existentes
162
El agua en estado puro no existe y dependiendo de la fuente de donde provenga
contiene un sin nuacutemero de impurezas a continuacioacuten enlistaremos solo las que nos
afectan en el tratamiento interno de los sistemas de enfriamiento
Constituyente Formula Quiacutemica
Dificultad de causa
Dureza Sales de Ca y Mg Fuente principal de incrustaciones en tuberiacuteas
Acidez mineral H2SO4
Libre HCl Corrosioacuten
Dioacutexido de carbono CO2 Corrosioacuten en las liacuteneas de agua
Sulfatos
SO4
Aumenta el contenido de soacutelidos en el agua Se combina con calcio para formar sales incrustantes de sulfato de calcio
Cloruros
Cl como NaCl
Aumento el contenido de soacutelidos e incrementa el caraacutecter corrosivo del agua
Siacutelice
SiO2
Incrustacioacuten en sistemas de agua de enfriamiento
Hierro Fe +2 ferroso
Fe +3 feacuterrico
Fuente de depoacutesitos en las tuberiacuteas
Oxigeno O2 Oxidacioacuten en tuberiacuteas
Sulfuro de hidrogeno H2S Corrosioacuten
Soacutelidos disueltos Elevadas concentraciones de soacutelidos son indeseables debido a que originan formacioacuten de lodos
Soacutelidos suspendidos Originan depoacutesitos en equipos intercambiadores de calor y tuberiacuteas ocasionan formacioacuten de lodos o incrustaciones
Microorganismos Algas limo y hongos
Formacioacuten de adherencia suciedad bioloacutegica corrosioacuten olores desagradables
TABLA 22 IMPUREZAS MAS COMUNES EN EL AGUA QUE AFECTAN LOS
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
De acuerdo a las especificaciones indicadas anteriormente
principalmente se requiere remocioacuten de calor de las bateriacuteas
163
mientras estas se encuentran en el proceso de activacioacuten en tierra
para la cual se plantea algunas alternativas de varios sistemas de
enfriamiento para posteriormente escoger la maacutes oacuteptima
231 Sistema de enfriamiento directo
Las instalaciones donde se van a colocar las bateriacuteas para ser
activadas estaacuten cerca del estero para lo cual se analizaran
ventajas y desventajas de utilizar este sistema
E-1
Agua de mar
Cuarto de
activacion de
baterias
FIGURA 23 ESQUEMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
DIRECTO
Ventajas
Se tiene agua permanente y en gran cantidad tomada desde
el estero
164
No se requiere instalaciones hidraacuteulicas complicadas
Desventajas
El agua que debe ingresar al sistema de enfriamiento de las
bateriacuteas debe ser esteacuteril pero el agua del estero contiene
cantidades apreciables de sales disueltas lo que implica el
que se tendriacutea que pensar en una planta de tratamiento de
agua
El agua caliente que sale como producto de la remocioacuten de
calor retorna al estero se presenta el problema de
contaminacioacuten teacutermica que puede ser tan grave como
cualquier otra forma de contaminacioacuten ya que el agua tibia
estimula el crecimiento anormal de algas que en cierto modo
consume el oxigeno de uso animal
232 Sistema de enfriamiento para Bateriacuteas de Submarino
utilizando Intercambiadores Enfriados por Aire
Consiste en una serie de tubos situados en una corriente de
aire que puede ser forzada con ayuda de un ventilador
Ventajas
Los tubos suelen tener aletas para aumentar el aacuterea de
transferencia de calor
165
Pueden ser de hasta 12 m de largo y 25 a 5 m de ancho
Un intercambiador de aire tiene una diferencia de
temperatura de unos 12 oC
Desventajas
En un intercambiador de calor enfriado por aire hay que
considerar gastos de enfriamiento del agua es
relativamente caro
E-1
Cuarto de activacion de
baterias
E-2
FIGURA 24 ESQUEMA DE SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
UTILIZANDO INTERCAMBIADORES ENFRIADOS POR AIRE
233 Sistema de Enfriamiento de Bateriacuteas de Submarino
Utilizando Chiller
Un Chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea
para el enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor
generado en un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que
el proceso finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su
temperatura y el agua durante el paso por el proceso la eleva
El agua ahora caliente retorna al chiller donde nuevamente se reduce su
temperatura para ser enviada nuevamente al proceso
166
Ventajas
El chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten
Alimentacioacuten al sistema con diferentes caudales y presiones y temperaturas
de agua
Alto rango de enfriamiento inclusive temperaturas de congelacioacuten con
adicioacuten de anticongelantes
Desventajas
Mantenimiento costoso ya que incluye un compresor un condensador
evaporador vaacutelvula de expansioacuten refrigerante y tuberiacuteas
Consumo de energiacutea
CHILLER
ENFRIADOR DE AGUA
DESTILADA
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
FIGURA 25 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIAS PARA
SUBMARINO UTILIZANDO UN CHILLER
234 Sistema de Enfriamiento Utilizando Intercambiador de
Calor y Torre de Enfriamiento
167
Ventajas
Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para
enfriar un fluido que esta maacutes caliente de lo deseado
transfiriendo este calor a otro fluido que esta frio y
necesita ser calentado
La transferencia de calor se realiza a traveacutes de una
pared metaacutelica o de un tubo que separa ambos fluidos
Las torres para enfriamiento de agua son dispositivos
cuya finalidad es extraer calor del agua a traveacutes del
contacto directo con el aire
Las torres tienen muacuteltiples aplicaciones desde
pequentildeas instalaciones de aire acondicionado hasta en
grandes complejos de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
Se puede decir que su uso estaacute justificado en sistemas
que utilizan agua como medio refrigerante donde sea
necesario disipar grandes cantidades de calor a bajo
costo y el salto de temperatura requerido sea del orden
de 10degC
La Armada del Ecuador proporcionara el banco de
tubos de un Intercambiador de Calor en desuso
Desventajas
Sistema ocupa mayor espacio fiacutesico
168
Tiempo de montaje relativamente largo
Sistemas sujetos a mayor corrosioacuten
Alcanza diferenciales de temperatura bajos en relacioacuten
a los otros sistemas
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
INTERCAMBIADOR
DE CALOR
AGUA DE TORRE CALIENTE (SALE
DEL INTERCAMBIADOR)
AGUA DESTILADA
CALIENTE SALE DE
BANCO DE BATERIAS
AGUA FRIA DE
TORRE ENTRA AL
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA FRIA
SALE DE
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA A
TEMPERATURA
ADECUADA (FRIA)
ENTRA A LAS BATERIAS
FIGURA 26 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO UTILIZANDO
INTERCAMBIADOR DE CALOR Y TORRE DE
ENFRIAMIENTO
24 Seleccioacuten de la Mejor Alternativa para el Sistema de
Enfriamiento de las Bateriacuteas
169
Para la seleccioacuten del sistema de enfriamiento para las bateriacuteas
de los submarinos se utilizaraacute una matriz de decisioacuten de
acuerdo a los paraacutemetros descritos anteriormente tomando en
cuenta las ventajas y las desventajas de cada sistema se ha
tomado en cuenta para esta operacioacuten los paraacutemetros maacutes
significativos en el proceso de la solucioacuten del problema
asignando a cada uno un porcentaje de acuerdo a la
importancia que este brinda para escoger la solucioacuten
Para ingresar a la matriz a las alternativas se les reconoceraacute
con sus iniciales
Sistema de enfriamiento directo SED
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador
enfriado por aire
SEIEA
Sistema de enfriamiento utilizando chiller SECh
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador de
calor y Torre de enfriamiento
SEICTE
170
Paraacutemetros
1 Costos de los sistemas de enfriamiento 3
2 Mantenimiento de equipos 4
3 Cumple con especificaciones y requerimientos de la
propuesta 2
4 Facilidad para adquisicioacuten de equipos 3
5 Durabilidad del sistema 1
1 2 3 4 5 Total
3 4 2 3 1
SED 25 2 0 15 05 65
SEIEA 15 10 10 10 05 50
SECh 05 10 10 10 10 45
SEICTE 15 15 15 15 10 70
TABLA 23 MATRIZ DE DECISION
De acuerdo a la matriz de decisioacuten planteada la solucioacuten maacutes
adecuada es la propuesta del sistema de enfriamiento con
intercambiador de calor y torre de enfriamiento
Existen varias torres de enfriamiento que se podriacutean adaptar al
sistema a continuacioacuten se mencionaran cada una de estas para
seleccionarla de por medio de otra matriz de decisioacuten
171
25 Torres de Enfriamiento y su Clasificacioacuten
251 Torres de circulacioacuten natural
Estas no hacen uso de ventiladores para la circulacioacuten de aire se clasifican en
torres atmosfeacutericas
torres de tiro natural
Torres atmosfeacutericas
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Utilizan las corrientes de aire de la atmoacutesfera (son de flujo cruzado)
2 Son abiertas
3 Deben instalarse en lugares muy despejados de forma que ninguacuten obstaacuteculo
pueda impedir la libre circulacioacuten de aire a traveacutes de la torre
4 Tienen un costo inicial alto debido a su gran tamantildeo pero el costo de
mantenimiento es reducido al no existir partes mecaacutenicas moacuteviles
5 Se debe garantizar que funcionaraacute habitualmente expuesta a vientos de
velocidades iguales o superiores a los 8 kmh
6 Si la velocidad promedio del viento es baja los costos fijos y de bombeo
aumentan mucho en relacioacuten a una torre de tiro mecaacutenico y no compensan el
ahorro del costo de ventilacioacuten Actualmente las torres atmosfeacutericas estaacuten en
desuso
172
Torres de tiro natural
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno
2 La diferencia de densidades entre el aire huacutemedo caliente y el aire atmosfeacuterico
es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a traveacutes de la torre
3 La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el
viento que circula por la parte superior de la chimenea tambieacuten ayuda a
establecer el flujo de aire
4 Son altas y deben tener una seccioacuten transversal grande para facilitar el
movimiento del aire ascendente
5 Tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes
caudales de agua
6 Al igual que las torres atmosfeacutericas no tienen partes mecaacutenicas
7 La velocidad media del aire a traveacutes de la torre suele estar comprendida entre 1
y 2 ms
8 No es posible conseguir un valor de acercamiento pequentildeo y es muy difiacutecil
controlar exactamente la temperatura del agua
9 En las torres de tiro -natural no se pueden utilizar rellenos de gran compacidad
debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo maacutes pequentildea posible
10 Estas torres son muy utilizadas en centrales teacutermicas muy pocas veces son
aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversioacuten inicial necesaria
252 Torres de tiro mecaacutenico
1 Proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado
2 Son torres compactas con una seccioacuten transversal y una altura de bombeo
pequentildeas en comparacioacuten con las torres de tiro natural
3 Valores de acercamiento muy pequentildeos (hasta de 1 a 2 ordmC aunque en la
praacutectica acostumbra a ser de 3 a 4 ordmC)
4 Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire el tiro es forzado
173
5 Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire se habla de tiro
inducido
Torres de tiro forzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre
2 Son casi siempre de flujo a contracorriente
3 Son maacutes eficientes que las torres de tiro inducido puesto
que la presioacuten dinaacutemica convertida a estaacutetica realiza un
trabajo uacutetil El aire que se mueve es aire friacuteo de mayor
densidad que en el caso de tiro inducido
4 El ventilador trabaja con aire friacuteo y no saturado
5 El equipo mecaacutenico tendraacute una duracioacuten mayor que en el caso de tiro inducido
6 El inconveniente radica en la posibilidad de recirculacioacuten del
aire de salida hacia la zona de baja presioacuten creada por el
ventilador en la entrada de aire En la siguiente figura se
puede observar la distribucioacuten de sus partes constituyentes
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
174
Flujo de aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 27 TORRE DE ENFRIAMIENTO DE TIRO FORZADO
Torres de tiro inducido
Estas torres son de gran importancia a nivel industrial son solucioacuten econoacutemica
a los requerimientos de enfriamiento pueden ser de dos tipos
De flujo a contracorriente
De flujo cruzado
Torres de tiro inducido y flujo a contracorriente
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Tanto el agua como el aire van en la misma direccioacuten pero en
sentidos opuestos
2 El agua maacutes friacutea se pone en contacto con el aire maacutes seco
lograacutendose un maacuteximo rendimiento
3 El aire puede entrar a traveacutes de una o maacutes paredes de la torre
4 Altura de entrada de aire reducida en comparacioacuten con las de tiro
inducido y flujo cruzado Existe el riesgo de arrastre de suciedad y
cuerpos extrantildeos dentro de la torre debido a la velocidad de
entrada de aire
5 La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se
traduce en un aumento de la potencia de ventilacioacuten en
comparacioacuten con otras torres En la siguiente figura se observa la
distribucioacuten de las partes constituyentes de este tipo de torre
175
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Ducto de salida de aire
Ventilador
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
Bandeja colectora de agua friacutea
Agua friacutea
Acceso de aire friacuteo no saturado
FIGURA 28 TORRE DE FLUJO A CONTRACORRIENTE Y TIRO
INDUCIDO
Torres de tiro inducido y flujo cruzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
176
1 El aire circula en direccioacuten perpendicular respecto al
agua que desciende
2 Tienen una altura menor que las torres de flujo a
contracorriente ya que la altura total de la torre es
praacutecticamente igual a la del relleno Pero su
diaacutemetro o seccioacuten transversal es relativamente
mayor a las de tiro inducido y flujo a contracorriente
3 El mantenimiento de estas torres es menos
complicado que en el caso de las torres a
contracorriente
4 Facilidad de inspeccioacuten de los distintos
componentes internos de la torre
5 La principal desventaja de estas torres es que no
son recomendables para aquellos casos en los que
se requiera un gran salto teacutermico y un valor de
acercamiento pequentildeo puesto que ello significaraacute
maacutes superficie transversal y maacutes potencia de
ventilacioacuten que en el caso de una torre de flujo a
contracorriente
En la siguiente figura se observan sus partes
177
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Depoacutesito
surtidor de agua caliente
Aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 29 TORRE DE FLUJO CRUZADO Y TIRO INDUCIDO
253 Especificacioacuten del Tipo de Torre de Enfriamiento a Usarse
Para seleccionar el tipo de torre de enfriamiento adecuado empleo una matriz de
decisioacuten en la que en la primera fila pondero al costo inicial costo de operacioacuten
tamantildeo compacto facilidad de mantenimiento y sobre todo al espacio requerido
para el montaje como las caracteriacutesticas requeridas para solucionar el problema
Las alternativas de solucioacuten son las 5 clases de torre de enfriamiento a las que
asigno una jerarquiacutea del 1 al 10 en funcioacuten de las caracteriacutesticas dadas en la
anterior clasificacioacuten de las torres de enfriamiento
De la sumatoria de los valores resultantes de la multiplicacioacuten de ponderacioacuten y
jerarquiacutea de cada tipo de torre se elegiraacute al tipo que posea mayor resultado
178
TABLA 25 MATRIZ DE DECISION PARA SELECCIONAR EL TIPO DE TORRE
Es evidente que la mejor opcioacuten es el tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico
y flujo a contracorriente Esto debido a que comparativamente tiene menor tamantildeo
y aacuterea de montaje requerido aunque no posea los menores costos iniciales y de
operacioacuten tal es el caso del tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico forzado
Esta es relativamente maacutes difiacutecil de limpiar y realizar su montaje razoacuten por la que
se descarta
179
CAPITULO 3
3 ANALISIS TEacuteRMICO
31 Descripcioacuten del Sistema
A partir de la figura 26 implica algunos anaacutelisis para el disentildeo del sistema de enfriamiento y es asiacute
que
Las bateriacuteas como se indico en los requerimientos del sistema van a ser cargadas 120 a la vez esto se
lo va a realizar en el galpoacuten asignado por el personal encargado del proyecto por parte de la Armada
del Ecuador
En este sitio tiene capacidad para almacenar 240 bateriacuteas como se vio en los requerimientos
eleacutectricos las bateriacuteas tienen periodos de tiempo de carga y descarga por lo que se requiere realizar
primeramente un disentildeo de un sistema que permita enfriar primeramente a 120 bateriacuteas por un tiempo
y en el periodo de descarga llevar a cargar las 120 bateriacuteas que se encuentran a continuacioacuten
180
FIGURA 31 DISPOCISION DE LAS BATERIAS EN EL CUARTO DE ACTIVACION
Para ello se disentildeo un sistema moacutevil que consta de parrillas suspendidas en ruedas en esta parrilla se
colocara las tuberiacuteas de circulacioacuten de agua destilada friacutea y saldraacute de las bateriacuteas agua destilada
caliente se indica esta disposicioacuten en el Plano 1 la parte del disentildeo de la estructura moacutevil no seraacute
parte de esta tesis
FI
GURA 32 DISPOSICION DE TUBERIA
FIGURA 33 SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO
181
FIGURA 34 DISPOSICION DE BATERIAS EN CUARTO DE ACTIVACION CON SISTEMA DE
DESPLAZAMIENTO
FIGURA 35 SISTEMA MOVIL PARA LLEVAR FLUIDO DE ENFRIAMIENTO A LAS BATERIAS
CONSTRUIDO
182
Una vez que se ha descrito el sistema el cual va a llevar el agua destilada para el enfriamiento de las
bateriacuteas se tiene que describir el sistema de enfriamiento en si del agua destilada para ello la Armada
del Ecuador doto de un intercambiador de calor que por el interior circulara agua destilada caliente para
que por su exterior circule agua friacutea proveniente de la torre de enfriamiento cerrando de esta manera el
circuito cabe notar que el intercambiador de calor es del tipo tubo coraza pero el intercambiador
adquirido no posee su coraza
Antes de hacer el disentildeo se hizo un anaacutelisis de la factibilidad de construir este sistema en nuestro
medio se consulto en el mercado el costo de una torre de enfriamiento adquirida en una empresa
importadora de estos equipos frente al anaacutelisis de una torre que se pueda construir en ERMARLO SA
resultando maacutes conveniente la construccioacuten de la torre y el acondicionamiento en el sistema de
enfriamiento este anaacutelisis se demostrara en el capiacutetulo de costos
32 Datos de Operacioacuten
A) FLUJO
1) Agua destilada
15 m3h
2) Agua de mar
15 m3h
B) PRESION
1) Agua destilada
25 kgcm2
2) Agua de mar
de la torre
C) TEMPERATURA DE
ENTRADA
183
1) Agua destilada
38 0C
2) Agua de mar
28 0C
D) TEMPERATURA DE
SALIDA
1) Agua destilada
3310C
2) Agua de mar
329 0C
E) DATOS DEL AIRE
1) Temperatura de bulbo seco
322 0C
2) Temperatura de bulbo
huacutemedo 788
33 Consideraciones del
Sistema
El sistema se instalara en un
patio al aire libre
El intercambiador de calor
debe permitir facilidades de limpieza y mantenimiento
El agua a usarse para la
torre seraacute agua potable
184
La velocidad del viento en Guayaquil es variable asiacute que el disentildeo de la torre no debe
depender de la velocidad del viento
El intercambiador de calor
dotado por parte de la Armada del Ecuador del tipo de haz de tubos y coraza este
dispositivo no posee la coraza
Para lo cual el
intercambiador de calor se analizara sumergiendo eacutel en la piscina de la torre de
enfriamiento esta disposicioacuten arrancara calor de los tubos del intercambiador para por el
meacutetodo de conduccioacuten teacutermica pasar calor al agua de la torre y hacerla circular
El agua destilada y el agua
de la torre no deben mezclarse
FIGURA 36 DISENO DE FORMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
185
34 Seleccioacuten del
Intercambiador de Calor
Un intercambiador de calor es un dispositivo que efectuacutea la transferencia de calor de un fluido a otro
que se encuentran a diferentes temperaturas y separados por una frontera solida
En forma muy general se pueden clasificar los intercambiadores de calor de acuerdo al tipo de
superficie
FIGURA 36 INTERCAMBIADOR DE HAZ DE TUBOS
186
En la primera etapa se toman en cuenta consideraciones referidas al tipo de intercambio de calor que
se produce En la segunda etapa se obtienen las propiedades de los fluidos en funcioacuten de las variables
conocidas y se calcula el coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A En la tercera etapa se elige
un intercambiador adecuado para este servicio teniendo en cuenta el coeficiente global U el aacuterea de
intercambio A y las caracteriacutesticas de los fluidos y de las corrientes En la cuarta se vuelve a calcular el
coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A Si no coinciden con el intercambiador previamente
elegido se vuelve al paso tres Si coinciden se da por terminado el proceso [2]
341 Meacutetodo F ndash LMTD para Seleccionar el Intercambiador de Calor
El balance de energiacutea da como resultado
[Energiacutea perdida por el flujo caliente]= [Energiacutea ganada por el flujo friacuteo]
O bien
mh ch(Thi ndash Th0) =mc cc(Tci ndash Tc0) Ec1
Donde
m h Flujo maacutesico del fluido caliente
c h Calor especiacutefico del fluido caliente
Thi Temperatura de entrada del fluido caliente
T h0 Temperatura de salida del fluido caliente
m c Flujo maacutesico del fluido friacuteo
c c Calor especiacutefico del fluido friacuteo
T c i Temperatura de entrada del fluido friacuteo
T c0 Temperatura de salida del fluido friacuteo
El producto (mc) aparece con frecuencia en el anaacutelisis de intercambiadores de calor y
es denominado Capacidad caloriacutefica C
C (mc)
Existen dos metodologiacuteas de anaacutelisis teacutermico de intercambiadores de calor
187
1 Meacutetodo F-LMTD
2 Meacutetodo - NTU
A continuacioacuten se presentara el anaacutelisis F-LMTD para la seleccioacuten del intercambiador de
calor
FIGURA 37 DISTRIBUCION DE TEMPERATURAS EN UN INTERCAMBIADOR DE
DOBLE TUBO EN TUBO PARALELO[1]
Se propone calcular el flujo de calor mediante
Ec 2
Donde
q Flujo de calor [W]
U Coeficiente global de transferencia de calor [Wm2K]
A Aacuterea de transferencia de calor consistente con U
Diferencia de temperatura media
188
En la figura 37 se muestra la historia de las temperaturas de los fluidos friacuteos y calientes
de este modo un balance de energiacutea nos da como resultado
Ec 3
Incorporando la capacidad caloriacutefica y arreglando la ecuacioacuten tenemos
= Ec4
Ec5
Restando ambas ecuaciones
Ec6
Sustituyendo la expresioacuten de calor expresada por
Ec7
Se obtiene la siguiente ecuacioacuten diferencial
Ec8
Integrando la ecuacioacuten anterior entre el punto 1 y el 2 se obtiene
Ec9
Si
Ec10
Ec 11
De manera que sustituyendo las ecuaciones anteriores en la ecuacioacuten previamente
integrada S
189
Ec12
Que al despejar de la ecuacioacuten anterior q se tiene
Ec13
De la uacuteltima ecuacioacuten se reconoce
Donde LMTD son las siglas en ingles de Logarithm Mean Temperature Difference
(Diferencia de temperatura logariacutetmica media)
Esta ecuacioacuten se aplica la misma expresioacuten para LMTD tanto en flujo paralelo como en
contra corriente[1]
Asignacioacuten de flujos
Las reglas aplicables para determinar que fluido va por el casco y cual por los tubos son
1- El fluido a mayor presioacuten va en los tubos
2- El fluido maacutes corrosivo va en los tubos
3- Los fluidos maacutes sucios van en los tubos
4- El fluido con menor peacuterdida de presioacuten va en el casco
5- El fluido a condensar en el casco
Diagramas Teacutermicos
Un diagrama teacutermico es la representacioacuten de la temperatura de las corrientes en funcioacuten
del calor transferido o de la longitud Si existe cruce de temperaturas seraacute necesario
utilizar varios intercambiadores en serie
Diferencia de temperatura media corregida
La diferencia media de temperaturas MTD en un intercambiador de calor de tubo coraza
es la diferencia media logariacutetmica de temperaturas multiplicada por un factor F
MTD = F LMTD Ec 14
De la ecuacioacuten 13 tenemos que
190
= Ec15
Siendo T temperatura de fluido caliente t temperatura de fluido frio
1 entrada 2 salida
El factor F se obtiene de las graficas que se daraacuten en el apeacutendice 1 Un valor de F lt 08
no es admisible por disentildeo hay que calcular P y R seguacuten las condiciones
Ec 16
Ec17
SELECCIOacuteN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Se tiene que obtener primeramente el calor removido por el intercambiador de calor para
lo cual se utilizara la ec1
q=mhch∆T Ec 11
Ch=1BTUlb 0F
∆T=88 0F
mh=Qρ Ec 12
donde
Q=15 m3h = 5297 ft
3h
ρ=6199 lbft3 Para 100
oF (ver anexo 1)
Sustituyendo en la ec12
mh=5297 ft3h6199 lbft
3 = 32836103 lbh
por lo tanto sustituyendo valores en la ec 12
q=27182539 BTUh
q=796599 W
191
Con los datos suministrados se seleccionara el intercambiador de calor adecuado
Thi = 1004
T h0 = 9158
m c = 15 h = 6605 GPM
T c i = 824
T c0 = 912
q = 27182539 BTUh
U = 150 BTUpie2
obtenido de la tabla 31
TABLA 31 ESCALA DE PRESION Y VALOR U PARA TIPOS DE
INTERCAMBIADORES DE CALOR[16]
De la Ec 2 obtenemos el aacuterea de transferencia del intercambiador
Ec 18
192
MTD = LMTD F diferencia de temperaturas medias corregidas
LMTD = 918 este valor es obtenido de la Ec 15
Para encontrar el factor de correccioacuten F utilizamos el Apeacutendice C Ingresando los valores
P y R dadas en las ecuaciones 16 y 17 obtenemos
P = 055
R = 117
F = 09
Por lo tanto
MTD = 918 09 = 82
Por la Ec 18 el aacuterea de transferencia de calor es
A = 2209 pie2 = 2052 m
2
Para calcular el nuacutemero de tubos del intercambiador tubo coraza se plantea la siguiente
ecuacioacuten
Ec 19
ardquo es un factor obtenido para el tubo frac34 obtenido del Apeacutendice E y es 0193 piepie2
por
el aacuterea de disponibilidad donde se construiraacute el sistema tiene una longitud de 8 pie
Por lo tanto el nuacutemero de tubos requeridos para el intercambiador de calor es
Nt = 14072 tubos de frac34rdquo
193
TABLA 32 AREA TRANSVERSAL DE FLUJO Y SUPERFICIE PARA
INTERCAMBIADORES DE CALOR [16]
35 Uso de Software para
Seleccioacuten de Intercambiador de Calor
En este punto se pretende realizar un anaacutelisis comparativo de los resultados obtenidos
mediante el meacutetodo analiacutetico frente al uso de un software mediante el cual se
seleccionara el intercambiador de calor requerido para el sistema de enfriamiento que se
trata
El software que se utilizara es el ESP ndash PLUS V 20 HEAT EXCAHANGER este software
daraacute como resultados el tipo de intercambiador de calor que existe comercialmente
FIGURA 38 VENTANA DE INICIO DEL PROGRAMA
194
FIGURA 38 VENTANA DE SELECCIOacuteN DE TIPO DE INTERCAMBIADOR A UTILIZARSE Y LOS
TIPOS DE FLUIDOS
195
FIGURA 39 VENTANA INGRESO DE DATOS TANTO PARA INTERCAMBIADOR COMO PARA EL
FLUIDO CIRCUNDANTE DA COMO RESULTADO LA TAZA DE FLUJO EN GPM
196
FIGURA 310 SE INTRODUCE LOS DATOS DE MATERIALES DEL INTERCAMBIADOR DE
CALOR
197
FIGURA 311 VENTADA EN LA QUE SE INTRODUCE DATOS DE LONGITUD DEL
INTERCAMBIADOR PRESION INTERNA EN LOS TUBOS Y FACTOR DE FRICCION DENTRO DE
LOS TUBOS
198
FIGURA 312 VENTANA RESULTADOS EN LA PRESION DE DISENO MATERIAL DE TAPAS
DEL INTERCAMBIADOR MATERIAL DE LOS TUBOS Y TUBERIA DE INGRESO AL MATERIAL
199
FIGURA 313 VENTANA DE RESULTADOS
200
FIGURA 314 VENTANA DE RESULTADOS
De acuerdo a este software el intercambiador que se va a seleccionar es el WU16 7 ndash 2 4 que es la
denominacioacuten comercial del constructor ITT Bell amp Gosset creador de este software
La denominacioacuten WU 16 7 ndash 2 4 cada letra y nuacutemero tiene su significado teacutecnico que a continuacioacuten se
detalla
WU Serie de intercambiador de calor
16 Diaacutemetro de la coraza del intercambiador en unidades inglesas
7 Longitud de tubo
2 Numero de pasos del intercambiador de calor
201
4 Espaciamiento de bafles
Al realizar el anaacutelisis comparativo con los meacutetodos de seleccioacuten se tiene que por el meacutetodo analiacutetico se
tiene un aacuterea de 221 ft2 frente al software que nos arroja un aacuterea de 274 ft
2 este valor diferencia
notoriamente a que la seleccioacuten del factor U en el meacutetodo analiacutetico se lo selecciono 150 BTUpie2
el
software utiliza y factor de 137 BTUpie2
notando este paraacutemetro relativamente la diferencia de aacuterea
de los dos anaacutelisis serian casi indiferentes con lo que estariacuteamos en capacidad de decidir si el
intercambiador dotado por la Armada Nacional esta dentro de los paraacutemetros requeridos dado que este
consta de 160 tubos en disposicioacuten triangular dando un aacuterea de transferencia de calor de 24707 ft2
certificando de esta manera que el intercambiador que se posee entra en el rango requerido para el
sistema por lo tanto se lo utilizara para el proceso requerido de enfriamiento del fluido caliente extraiacutedo
del banco de bateriacuteas que estaacuten en el proceso de activacioacuten
FIGURA 315 DISPOSICIONES DEL HAZ DE TUBOS [9]
Los resultados obtenidos del software se presentaran en el Anexo 3
36 Disentildeo de la Torre de
Enfriamiento
El proceso de termotransferencia que se produce en una torre para
enfriamiento de agua cualquiera fuese su tipo es el resultado de la
202
interaccioacuten entre el medio gaseoso refrigerante (aire) y el fluido a
enfriar (agua)
En las torres el agua se encuentra en contacto directo con el aire que
la enfriacutea y el proceso de transferencia de calor se realiza en parte por
intercambio de calor sensible entre la fase liacutequida y la gaseosa pero
en mayor medida por la formacioacuten de vapor de agua en la interfase
liacutequidogas y su posterior difusioacuten en el aire que la circunda
El proceso de transferencia de masa entre el liacutequido y el aire estaacute
iacutentimamente conectado con el de transferencia de calor En efecto
con el cambio de fase desde liacutequido a vapor se absorbe calor lo cual
da lugar a gradientes de temperatura en el aire adyacente a la
superficie liacutequida En muchos casos praacutecticos las condiciones en
que se desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse
que la difusividad teacutermica y el coeficiente de difusioacuten maacutesico son
iguales
203
FIGURA 316 IDEALIZACION DEL FENOMENO DE
TRANSFERENCIA [10]
361 Fundamento del Enfriamiento por Evaporacioacuten
El principio fundamental en que se basa el enfriamiento del
agua por evaporacioacuten es en el que el agua para transformarse
en vapor necesita calor (calor latente de vaporizacioacuten) cuyo
valor el alrededor de 1000 BTU lb de agua evaporada valor
que pone en manifiesto que pequentildeas cantidades de agua
evaporada producen altos efectos de enfriamiento
Este calor es tomado principalmente del liacutequido remanente lo
que produce un descenso de su temperatura
La evaporacioacuten se produce poniendo en contacto directo agua
caliente con aire atmosfeacuterico ambiente de humedad relativa
204
baja en dispositivos especiales que variacutean en complejidad
desde piscinas o lagunas abiertas hasta las torres de
enfriamiento de tiro mecaacutenico
Cuando se requiere enfriar raacutepidamente y continuamente
grandes cantidades de agua las torres de enfriamiento son las
teacutecnicas maacutes ventajosas y su funcioacuten principal es la de reducir
la temperatura del agua circulante a los valores maacutes
adecuados seguacuten el tipo de operacioacuten que tenga
Baacutesicamente el funcionamiento de una torre de enfriamiento
convencional es el siguiente
El agua caliente llega por tuberiacuteas a un distribuidor situado en la
parte superior de la unidad a una temperatura Tho luego es
distribuida en forma de pequentildeas gotas a traveacutes de una
instalacioacuten compleja de material de relleno de diferentes tipos y
calidades variando desde madera incorruptible materiales de
fribrocemento PVC ceraacutemica etc los cuales son ubicados en
forma de mallas o enrejados que dispersan la corriente
descendente del liquido y de esta forma obtener una aacuterea
maacutexima de transferencia con el aire atmosfeacuterico el cual entra
por parte inferior de la torre con una temperatura Tci de bulbo
205
seco y una humedad absoluta Yrsquo1 expresada en lb de vapor de
agua lb de aire seco
362 Caacutelculos
Datos para realizar el caacutelculo de la torre de enfriamiento
Flujo a ser enfriado L
66 GPM
Calor removido por el
intercambiador q 27182539 BTUh
Temperatura que
sale del intercambiador de calor para entrar en la torre tL2
9120 0F
Temperatura del
agua requerida luego del enfriamiento en la torre de
enfriamiento tL1 8240 0F
Temperatura de
bulbo huacutemedo tbh 7880 0F
Temperatura de
bulbo seco del aire que entra tG1 7900 0F
Temperatura del
agua de la tuberiacutea de alimentacioacuten a la torre de enfriamiento
tm 8500 0F
206
Con los datos suministrados se desea obtener los siguientes valores
a Valor teoacuterico del coeficiente total de transferencia de masa Kya
b Calculo de la seccioacuten transversal de la torre A
c Calculo del flujo de aire que circula por la torre Gs
d Calculo de la zona empaquetada Z
e Calculo de agua de compensacioacuten M
Para realizar el disentildeo de la torre de enfriamiento se debe seguir
ciertos pasos que daraacuten la pauta para disentildear una torre de
enfriamiento para cualquier necesidad o requerimiento
1 Capacidad de la
Torre de Enfriamiento
q=27182539 BTUh
Este es el calor que remueve el intercambiador de calor y que
es transmitido al agua de la torre
La capacidad de la torre se mide en Toneladas de
Refrigeracioacuten TR que es una unidad de potencia
207
Es asiacute que se tiene las siguientes relaciones para poder saber
en teacuterminos de TR la capacidad de disentildeo para la torre de
enfriamiento
1TR=3517 W = 3024 Kcalh = 3024 Frigh Ec 20
De donde
27182539 BTUh 1 TR12000 BTUh = capacidad de la torre
Capacidad de la torre = 2262 TR
Flujo especifico Lrsquo
L es flujo de agua y Lrsquo es el flujo especifico de agua que se en
encuentra en la figura 318 este valor se encuentra en
funcioacuten del rango de enfriamiento del agua (Tho ndash Thi) y la
temperatura de bulbo huacutemedo Tbh
FIGURA 317 FLUJO ESPECIFICO Lrsquo [7]
208
El valor de flujo especifico de agua que nos da la figura 317
es Lrsquo=20 galmin ft2
L= 66 GPM
Datos para las condiciones de disentildeo de la torre de
enfriamiento
E-1
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
AIREAGUA
q=27182539 BTUh
L=33000 lbh
tL2=9120 FHrsquo2=
Yrsquo2=
tL1=8240 F
Gs=
tG1=79 F
Tw1=788 F
Yrsquo1=002
Hrsquo1=
tM=85 F
M(lbh)
FIGURA 318 DIAGRAMA DEL SISTEMA PARA EL
DISENtildeO
209
Anaacutelisis de la curva de equilibrio
La teoriacutea del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento es la
que desarrolloacute el Dr Merkel Se basa en la diferencia del potencial de entalpiacutea
entonces se supone que cada partiacutecula de agua estaacute rodeada por una peliacutecula de
aire y que la diferencia de entalpiacutea entre la misma y el aire circundante
proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento
A continuacioacuten se ilustran las relaciones del agua aire y el potencial impulsor que
existe en una torre de contra flujo
FIGURA 319 RELACIONES DE AGUA Y AIRE DE UNA TORRE A
CONTRA FLUJO [25]
De la figura anterior la operacioacuten del agua estaacute representada por la liacutenea AB y se
especifica por medio de las temperaturas del agua de la torre en la entrada y
salida La liacutenea de operacioacuten del aire inicia en C verticalmente por debajo de B y
en un punto que tiene una entalpiacutea correspondiente a la temperatura de entrada
de bulbo huacutemedo La liacutenea BC representa la fuerza impulsora inicial (hrsquo- h) El
aire que sale de la torre se representa por medio del punto D y la gama de
210
enfriamiento es la longitud proyectada de la liacutenea CD sobre la escala de
temperaturas
Resumiendo la teoriacutea del Dr Merkel como se observa en la figura 319
considera el flujo de masa y energiacutea del agua a la interfase y de la interfase a la
masa gaseosa Cuando el flujo cruza estas dos fronteras cada una ofrece una
resistencia a la transferencia de materia y energiacutea que resulta en gradientes de
temperatura entalpiacutea y de humedades
El Dr Merkel demostroacute que
Q = KS(hw - ha) Ec21
S = aV Ec22
Donde
Q Calor total transferido en Btuh oacute kJh
K Coeficiente total de transferencia en lbh pie2 oacute kgh m
2
S Aacuterea de transferencia en pie2 oacute m
2 caracteriacutestica fiacutesica
a Aacuterea de transferencia equivalente por unidad de volumen 1pie oacute 1m
V Volumen efectivo de la torre pie3 oacute m
3
hw Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura del agua Btulb oacute kJkg
ha Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura de bulbo huacutemedo Btulb oacute kJkg
Existen paraacutemetros citados en la Ec21 que no son constantes tanto entalpiacuteas
como temperaturas cambian a lo largo de la torre luego derivaacutendola
dQ = d[KS(hw-ha)] = K(hw-ha)dS Ec23
Para la transferencia de calor del lado del agua
Q = CwL(thw ndash tcw) Ec24
dQ = CwLdtw Ec25
211
donde
Cw Calor especiacutefico del agua kJ(kg ordmK) BTUlb F
L Flujo maacutesico del agua que ingresa a la torre kgs lbh
tw Temperatura del agua en contacto con el relleno ordmK 0F
thw Temperatura del agua caliente que ingresa a la torre ordmK 0F
tcw Temperatura del agua friacutea que sale de la torre ordmK 0F
Para la transferencia de calor del lado del aire
Q = G(hoa ndash hia) Ec26
dQ = Gdha Ec27
Donde
G Flujo maacutesico del aire que ingresa a la torre lbh oacute kgs
hia Entalpiacutea de mezcla gaseosa que ingresa a la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
hoa Entalpiacutea de mezcla gaseosa que sale de la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
Haciendo uso de las ecuaciones 23 25 y 27 se puede obtener el calor total por
medio de las siguientes ecuaciones
K(hw-ha)dS = CwLdtw Ec28
K(hw-ha)dS = Gdha Ec29
Que se puede rescribir de la siguiente manera
aw
a
hh
dhGdSK
Ec30
aw
ww
hh
dtC
L
dSK
Ec31
Integrando las Ecuaciones 30 y 31 se tiene
hoa
hia aw hh
dh
L
G
L
KaV
L
KS Ec32
212
thw
tcw aw
ww
hh
dtC
L
KaV
L
KS Ec33
ldquoAl teacutermino KaVL se lo denomina la caracteriacutestica de la torrerdquo
La curva caracteriacutestica es utilizada para determinar el buen funcionamiento de la
torre KaVL es una medida del grado de dificultad para los requerimientos de
enfriamiento del liquido Esta curva tambieacuten puede llamarse ldquoCurva de
Requerimientos de Disentildeordquo puesto que es una medida del grado de dificultad para
alcanzar los requerimientos de disentildeo
2 Calculo de la
humedad absoluta Yrsquo1y entalpia del aire entrando Hrsquo1
para la temperatura tbh
De la carta psicomeacutetrica que se encuentra en el Apeacutendice H
se puede construir la siguiente tabla mostrada en la tabla 33
esta tabla nos indica valores de entalpias y humedades para
mezclas de aire ndash agua a 147 lbplg2
Interpolando se obtiene valores para
Yrsquo1=0022 lb de vapor de agualb de aire seco
De las relaciones psicomeacutetricas para el sistema aire ndash agua
se obtiene que
Hrsquo1= (024+045Yrsquo1)(tG1 - 32) + 10758 Yrsquo1 Ec 34
213
Hrsquo1= 249 BTUlb de aire seco
Con los datos de las temperaturas entalpias encontradas se
puede construir el diagrama de operacioacuten para esta torre de
enfriamiento representada en la figura 320 con los valores
de entalpia de la mezcla aire ndash vapor de agua como
ordenadas y los valores de temperatura como abscisas aquiacute
se representa la curva de entalpia para el aire saturado dado
en la carta psicomeacutetrica H la cual es construida con los datos
de la tabla ubicada en el Apeacutendice H
Para obtener la liacutenea de operacioacuten sobre este diagrama se
ubica el punto N que representa las condiciones de entrada
de la torre esto es tL1=8240 0F y Hrsquo1= 249 BTUlb de aire
seco
La liacutenea de operacioacuten pasara por el punto N y terminara en
alguacuten punto sobre la ordenada trazada por el punto
tL2 = 91200F Para el miacutenimo valor de Gs la liacutenea de
operacioacuten tendraacute la mayor pendiente y tocara
tangencialmente a la curva de equilibrio por lo tanto pasara a
traveacutes del punto Orsquo en donde Hrsquo2= 52 BTU por lb de aire seco
214
Seguacuten lo anterior la pendiente de la liacutenea OrsquoN seraacute por lo
tanto
L CGs min = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1 Ec35
=
Gs min = 1071586 lb de aire seco h
Para que la torre no sea muy alta se considera 15 veces Gs
min
Gs real = 15 1071586 lb de aire seco h
Gs real = 1607380 lb de aire seco h
Una vez determinado el valor Gs real se puede hallar el valor
de la relacioacuten de flujos liacutequido ndash aire
L Gs real = 33000 lbh 1607380 lbh
L Gs real = 205
Como ya se tiene el valor de la pendiente de la liacutenea de
operacioacuten LG que se va a utilizar para el disentildeo faltariacutea
determinar el valor de la ordenada del punto de interseccioacuten
entre la liacutenea de operacioacuten y la vertical trazada por el punto
tL2=912 0F
215
Calculo de la entalpia del aire que sale Hrsquo2
De la ec22 tenemos que
L CGs real = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1
Despejando el valor Hrsquo2 se tiene
Hrsquo2 = (L CGs real (t L2 ndash t L1)) + Hrsquo1
Hrsquo2 = 4294 BTUlb de aire seco
Con los valores obtenidos se puede representar el punto O y
finalmente la liacutenea de operacioacuten seraacute la liacutenea ON
representada en la figura 320
216
FIGURA 320 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE
ENFRIAMIENTO DEL AGUA
3 Calculo de la altura de la
zona empaquetada Z
Utilizando el teacutermino KaVL que nos representa la ldquoCurva de Requerimientos de
Disentildeordquo dado en al ec 33 se procede a calcular la altura de la zona empaquetada
=
Para determinar el valor del integral de la ecuacioacuten propuesta
el cual puede ser calculado por tres formas
a Analiacuteticamente si se conoce la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo
b Integracioacuten grafica
c Integracioacuten numeacuterica
Como se tiene la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo dado en la figura 320 se
usara el meacutetodo de integracioacuten numeacuterica a intervalos de 2 0F
t H Hrsquo H ndash Hrsquo (H ndash Hrsquo)2 At(H ndashHrsquo)2
80 251 185 66
82 272 2217 503 58 034
84 323 2703 527 515 038
217
86 375 3109 641 584 034
88 415 3480 67 655 030
90 487 4120 75 710 028
92 542 4480 94 845 023
= 187
TABLA 33 VALORES DE ENTALPIA
= 187
El valor de kya se obtiene de la tabla 34 interpolando entre
los valores de L 500 ndash 1000 y G 250 por lo tanto tenemos un
Kya=347
Lrsquo=2GPM =`1000 lb de aguah ft2
Por lo tanto el valor de Z es
Z = 538 ft = 163 m
218
TABLA 34 CARACTERISTICAS DE HUMIDIFICACION [4]
4 Calculo de la
Cantidad de Agua de Compensacioacuten M
Realizando un balance de entalpias de acuerdo a la figura
318 se tiene
q + M Cw (tM ndash t0) = Gs (Hrsquo2 ndash Hrsquo1) Ec336
donde
q = 27182539 BTUh
Cw = 1 BTUlb 0F
tM = 85 0F
t0 = 32 0F
Hrsquo2 = 4294 BTU lb de aire seco
219
Hrsquo1 = 2490 BTUlb de aire seco
Reemplazando valores se tiene
27182539 + M (53) = Gs (1804)
De donde
M = Gs(1804) - 27182539 53 Ec 336-1
Haciendo un balance de liquido de acuerdo a la figura 318 se
tiene
M = Gs(Yrsquo2 ndash Yrsquo1) Ec337
Yrsquo2 no es conocido para determinarlo es necesario asumir
que el aire que sale de la torre estaacute saturado y su humedad
Yrsquo2 deberaacute ser la del aire saturado para Hrsquo2 = 4294 BTU lb
de aire seco
Entrando a la curva psicomeacutetrica dada en el Apeacutendice H se
tiene que
Yrsquo2 = 0024 lb de vapor de agualb de aire seco
M = Gs(0024 ndash 002) = 0004 Gs
Sustituyendo la ec 337 en la ec 336 ndash 1 se tiene que
0004 Gs 53 = Gs(1804) - 27182539
1804 Gs ndash 0004 Gs = 27182539
Gs = 1507126 lb de aireh
Reemplazando en la ec 337 el valor Gs
220
M = 6028 lb de aguah = 274 lth
CAPITULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS
CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
41 Partes Componentes de las Torres de Enfriamiento
Ya se ha definido que el mejor disentildeo para el sistema de enfriamiento
requerido de acuerdo a los paraacutemetros de evaluacioacuten es una Torre de
Enfriamiento de Tiro Inducido Flujo en Contracorriente
Este tipo de elementos ademaacutes del cuerpo vertical consta de los
siguientes elementos
Empaquetaduras sistemas de distribucioacuten deposito de coleccioacuten
eliminadores de arrastre ventilador motor y estructura
221
Empaquetaduras
Su funcioacuten es generar una mayor aacuterea de contacto entre el aire y el
agua como sea posible con una miacutenima presioacuten de aire
Existe variedad de empaquetaduras que van desde soacutelidos muy
faacuteciles de adquirir como piedras botellas rotas trozos de porcelana
hasta formas geomeacutetricas complejas y de alto costo econoacutemico
Sistemas de Distribucioacuten
Tiene como funcioacuten principal distribuir el agua caliente en la parte alta
de la torre se recomienda atomizarla para facilitar el contacto con el
aire
La importancia de adecuado sistema de distribucioacuten sobre las
empaquetaduras de una torre es indispensable para una buena
eficiencia en el enfriamiento
Depoacutesito de Coleccioacuten
Se trata de un recipiente donde es colectada el agua friacutea que sale de
la torre
Su construccioacuten deberaacute ser tal que elimine el peligro de que la bomba
absorba aire cuando opera con un miacutenimo de agua y accesible para
remover la suciedad acumulada en el fondo
222
Estructura
Es el soporte de la torre de enfriamiento
Su forma y solidez dependen de las caracteriacutesticas de disentildeo de la
torre que tiene que ser con normas especificas que dependen de su
capacidad de enfriamiento
Ventilador
Tiene como objetivo mantener el flujo constante de aire atreves de la
torre Para la torre seleccionada este aditamento se encontrara en la
parte superior
Motor
Es el que impulsara el ventilador La transmisioacuten se efectuara en
forma directa
Los elementos anteriores forman parte de la construccioacuten interna de la
torre de enfriamiento
Sin embargo existen otros componentes externos a la torre que juntos
constituyen el sistema de enfriamiento deseado Estos son
Bomba de Agua
223
Es el equipo que adicionara energiacutea al agua para hacerla re circular a
traveacutes de todo el sistema
Su capacidad dependeraacute del sistema de operacioacuten en el que va a
utilizar
Tuberiacuteas y Vaacutelvulas
Son los conductos ndash reguladores por los cuales fluiraacute el agua
El material de la tuberiacutea y los tipos especiacuteficos de vaacutelvulas estaraacuten
sujetos al aspecto teacutecnico econoacutemico y esteacutetico del sistema en
cuestioacuten
224
FIGURA 41 DISENO DE FORMA DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTO
42 Determinacioacuten de la Seccioacuten Transversal de la Torre de
Enfriamiento
Datos
Densidad del agua ρL 6222 lbft3 = 1010 Kgm3
Densidad del aire ρa 0077 lbft3 = 125 Kgm3
Relacioacuten de flujos LG 205
Flujo de aire Greal 446 lbs = 2027 Kgs
Tensioacuten superficial del agua σ 2 dinacm
Factor liquido - vapor FLV
Caacutelculos
Una aproximacioacuten para estimar las velocidades maacuteximas permisibles
ha sido presentada por Fair la cual se basa en datos obtenidos con
platos perforados y otros tipos de contactores de etapas finitas y toma
en cuenta el efecto de la tensioacuten superficial del liquido en la columna
la razoacuten de flujo de liquido a flujo de gas las densidades del aire y el
liquido y dimensiones y arreglo del contactor En este meacutetodo la
225
ecuacioacuten baacutesica para velocidad del vapor maacutexima permisible
equivalente a la Ec (41) es
Ec 41
donde
Vrsquom = velocidad de vapor maacutexima permisible basada en aacuterea neta
para el flujo de vapor la cual usualmente es el aacuterea de seccioacuten
transversal activa en fts
Krsquov = constante empiacuterica fts
σ = tensioacuten superficial del liquido en la torre dinascm
Krsquov
226
FIGURA 41 VALORES DE Kv EN FUNCION DEL
ESPACIADO
] Ec42
Sustituyendo valores en la ec 42 se tiene que
FLV = 0090
Se asume un espaciado entre platos de 740 plg = 188 mm
A partir de la fig 41 Kv = 017 fts
De la ec 41
Vrsquom = 3047 fts
Velocidad maacutesica del vapor Gm
Gm = Vrsquom ρa = (3047)(0077) = 023 lbs pie2 Ec43
227
Aacuterea de seccioacuten transversal de la torre A
A = Greal Gm Ec 44
Sustituyendo valores en la ec 44 se tiene que el aacuterea de la seccioacuten
transversal de la torre de enfriamiento es
A = 192 ft2
A = 8ft 24ft = 2430 mm 731 mm
43 Seleccioacuten de la Columna de Contacto de la Torre de Enfriamiento
En esta seccioacuten se tratara de decidir el tipo de columna a utilizar ya
sea de bandejas perforadas o de relleno en funcioacuten de las
caracteriacutesticas de la operacioacuten deseada y de los componentes en
contacto en este caso liquido - aire tomando para la decisioacuten algunos
aspectos
La seleccioacuten entre una columna de bandejas perforadas o una de
relleno depende de conceptos econoacutemicos Sin embargo en un estudio
228
preliminar podemos basar su seleccioacuten en las siguientes ventajas e
inconvenientes de cada una de ellas
1- La eficiencia de una torre de relleno se basa en datos
experimentales para cada tipo de relleno La eficiencia variacutea no solo
por el tipo y tamantildeo del relleno sino tambieacuten por las propiedades del
fluido caudales diaacutemetro de columna etc
2- Si el flujo de liacutequido es pequentildeo comparado con el del aire es
preferible utilizar columnas de platos pues necesitan menores
factores de seguridad en el disentildeo por causa de la dispersioacuten del
liacutequido
3- Las columnas de bandejas perforadas pueden manejar un rango
maacutes amplio de caudales sin inundacioacuten
4- Si los liacutequidos tienen soacutelidos en suspensioacuten se prefieren torres de
bandejas perforadas por la facilidad de limpieza
5- Si se necesita enfriamiento intermedio de la columna es preferible
que sean de bandejas perforadas por la facilidad de la instalacioacuten
del sistema de enfriamiento
6- El peso total de una columna de bandejas perforadas es menor que
en una de relleno si estaacuten vaciacuteas en cambio llenas tienen un peso
similar
229
7- La informacioacuten de disentildeo de una columna de bandejas perforadas
es maacutes accesible que en una de relleno
8- Si hay grandes cambios de temperatura son preferibles las
columnas de bandejas perforadas pues el incremento de
temperatura puede romper el relleno
10-Las columnas de rellenos son maacutes faacuteciles de construir y mas
baratas si se trabaja con fluidos corrosivos
11-Si se tiene liacutequidos con gran tendencia a formar espuma se deben
utilizar torres empaquetadas
12-El almacenamiento de liacutequido en la columna es muy inferior para
las torres de relleno
13-Las torres de relleno tienen menos peacuterdida de carga que las
bandejas perforadas y el relleno previene contra el colapso por lo
que se utilizan en operaciones a vaciacuteo
Por lo expuesto anteriormente se utilizara en el disentildeo de la
empaquetadura de la torre de enfriamiento el sistema de bandejas
perforadas
230
FIGURA 42 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE UNA BANDEJA
PERFORADA
431 Altura de la las Paredes de la Bandeja
La altura de la bandeja determina el volumen de liacutequido sobre la
bandeja y es un importante factor para determinar la eficiencia de
la bandeja con orificios Una mayor altura incrementaraacute la
eficiencia de la bandeja pero a expensas de un alta caiacuteda de
presioacuten en la bandeja Para columnas operando alrededor de la
presioacuten atmosfeacuterica la altura de las paredes de la bandeja variacutea
entre 40 a 90 mm (15 a 35 pulg) [7]
Para el disentildeo de estos elementos se tomara una altura de 90
mm para obtener una buena eficiencia de la bandeja ya que el
231
volumen de agua colocada en la bandeja por mayor tiempo
tendraacute mayor tiempo de contacto con el aire
Aacuterea Perforada
El aacuterea disponible para perforacioacuten se deduciraacute por la obstruccioacuten
causada por las partes estructurales (tales como soportes anillos
y vigas) y por el uso de zonas libres Las zonas libres son
espacios no perforados de la bandeja en los lados de salida y
entrada El ancho de cada zona es usualmente la misma valores
recomendados son
Ancho de la columna Ancho de la zona sin perforar
lt 15 m 75 mm
gt15 m 100 mm
TABLA 41 DIMENSIONES DE ZONA SIN PERFORAR [17]
De acuerdo a la tabla 41 se tomara una franja sin perforar de 75m
Dimensiones de las perforaciones
Los platos perforados tienen perforaciones de 25 mm a 12 mm
(18 a 12 pulg) de diaacutemetro siendo el tamantildeo comuacuten de 5 mm
(316 pulg) las perforaciones se hacen siguiendo un arreglo
232
triangular o cuadrado con una distancia entre centros entre 2 a 5
veces el diaacutemetro de las perforaciones (el oacuteptimo es 38) [17]
Se toma el valor recomendado del agujero de 316rdquo por lo tanto el
espaciamiento entre centros de los agujeros seria
D= 90 mm
Se escogeraacute un arreglo triangular para los orificios
De acuerdo al aacuterea de la seccioacuten transversal de la torre 2430
mm731 mm y la disposicioacuten del disentildeo de forma se tiene unas
dimensiones en las bandejas de
Bandeja = 2000 mm 731 mm
Al dejar una franja por los cuatro lados sin perforar de 75 mm
FIGURA 43 DISPOSICION DE AGUJEROS EN LAS
BANDEJAS
Por lo planteado en el capiacutetulo 3 se obtuvo que la altura de la zona
empaquetada es de
Z = 538 ft = 2044 mm
233
Para hallar el aacuterea de la seccioacuten transversal en el inciso 42 de
este capiacutetulo se asumioacute un espaciamiento entre bandejas de
e = 740 plg = 188 mm
Por lo tanto se necesitariacutea 5 bandejas perforadas en la disposicioacuten
dada en el disentildeo de forma de la fig 41
Para calcular el nuacutemero de agujeros en la bandeja se recurre a la
ecuacioacuten siguiente
Nh = 4Ahπd2h
Nh = 112 orificios en la bandeja
Espesor de las Bandejas
Se considera un espesor del material para la bandeja de 14 mm
Se considerara la presioacuten que ejerceriacutea el agua asumiendo la
bandeja llena al 100 la carga que ejerce el agua en el volumen
de la bandeja es de 42453 N
Se utilizara el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad
234
Anaacutelisis de Resistencia mediante el Meacutetodo de Elementos
Finitos
ANSYS en INVENTOR 10 analiza concentradores de esfuerzos
mecaacutenicas de fracturas bajo cargas estaacuteticas y dinaacutemicas asiacute
como frecuencias naturales y estabilidad El programa ofrece
distintos materiales a seleccionar para el anaacutelisis con
asunciones sobre su comportamiento Lineal (la tensioacuten es
directamente proporcional a la presioacuten) Constante (la
temperatura de todas las propiedades es independiente)
Homogeacutenea (las propiedades no cambian en todo el volumen de
la pieza) Isotroacutepica (las propiedades de los materiales son
ideacutenticas en todas las direcciones) El factor de seguridad se
calcula utilizando el equivalente maacuteximo de la teoriacutea de falla de
tensioacuten para materiales duacutectiles A continuacioacuten se muestran los
informes de los anaacutelisis practicados a las bandejas perforadas
las figuras indican en su parte superior izquierda la escala
colorida con sus respectivos valores de Tensioacuten Equivalente y
Factores de seguridad mayores a 13 Aceptables [19]
235
TABLA 42 INFORME DE RESULTADOS DEL
ANALISIS DE LA BANDEJA PERFORADA
INFORME DE ANALISIS DE BANDEJA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935 Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 934e-4 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 8688 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
236
FIGURA 44 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 45 DEFORMACION
FIGURA 46 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 2 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
237
Disentildeo del Depoacutesito de Coleccioacuten de la Torre de Enfriamiento
Para determinar las dimensiones del depoacutesito de coleccioacuten de agua
para la torre de enfriamiento se debe conocer el tiempo que demora
el agua en circular a traveacutes del sistema
Se asume que el ciclo demora un minuto y se parte del dato que el
depoacutesito deberiacutea tener una capacidad mayor a la cantidad de agua
que debe fluir por el sistema en un minuto y asi evitar que esta se
quede sin liquido ademaacutes el mismo colector debe soportar el peso de
la torre con sus accesorios
Entonces el problema consiste en seleccionar dimensiones para la
piscina que provean mayor economiacutea y aseguren un buen
funcionamiento Por lo general se establece el aacuterea transversal del
depoacutesito un poco mas grande que el aacuterea transversal de la torre de
enfriamiento que permita el montaje de la tuberiacutea de succioacuten o alguacuten
otro accesorio necesario
Para el disentildeo de la piscina se basara en el coacutedigo ASME para
recipientes a presioacuten seccioacuten Div 1 para tanques rectangulares que
trabajan bajo presioacuten atmosfeacuterica [15]
Notacioacuten
238
α Factor que depende del largo y ancho del tanque HL fig47
E Modulo de elasticidad 30000000 psi para aceros al carbono
G Gravedad especifica del liacutequido Agua=1
I Momento de Inercia plg4
l Maacutexima distancia entre soportes plg
L Largo del tanque plg
R Reaccioacuten con subiacutendices indicando el lugar de aplicacioacuten lbplg
S Esfuerzo del material
t Espesor requerido de la plancha plg
w Carga por unidad de longitud lbplg
FIGURA 47 VALORES DE α
Seleccioacuten del espesor de plancha
239
Ec 45
El espesor se incrementara con el factor de corrosioacuten para este
caso se le aumentara 00645 plg o 163 mm
FIGURA 48 DIMENSIONES DEL DEPOSITO DE COLECCIOacuteN DE
AGUA
L=8 ft
H=2 ft
B=4 ft
Relacioacuten HL = 025
De la figura 47 se obtiene el valor α = 00010
S=23200 lbplg2 para el acero estructural A ndash 36
G=1 para el agua
Sustituyendo valores en la ec 45 se tiene un espesor de
plancha
240
t=000109 plg
A este valor se le suma el factor de corrosioacuten 00626 plg
Por lo tanto
t=0063 plg o t=161mm se utilizara plancha de 2mm de
espesor
Carga en las paredes del depoacutesito
FIGURA 49 CARGAS HIDROSTATICAS
Ec 46
Sustituyendo valores se tiene que
w=162 lbplg
R1=03w Ec 47
R1=03162=486
R2=07w Ec 48
241
R2=07162=1134
442 Momento de Inercia miacutenimo requerido
Ec 49
Sustituyendo valores
Imin=0003 plg4 = 12486 mm4
443 Distancia entre soportes de la piscina
FIGURA 410 DISTANCIA ENTRE SOPORTES
Ec 410
Si el numero de soportes es 4 entonces = 26 plg = 6604mm
Sustituyendo en la ecuacioacuten 410
t=0141 plg
Despejando el valor de la ecuacioacuten 410 se tiene
242
Sustituyendo valores
Por lo tanto
11968 plg 2583 plg = Numero de soportes = N
N=463 es decir se fiacutesicamente se necesitan 5 soportes con un
espaciamiento de 2583 plg
E=656 mm
El disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de agua se encuentra en el
Plano N 3
Se utilizaraacute el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad del colector sometido a
toda la carga de la torre con su peso propio y la carga de agua
contenida en las bandejas
243
TABLA 43 INFORME DE RESULTADOS DEL
COLECTOR DE AGUA
INFORME DE ANALISIS DEL COLECTOR DE AGUA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1976Kg
Volumen de la pieza 2517+007 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 47950
Elementos 26630
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Fuerza 1481 N
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 5455e-005 MPa 2437 MPa
Deformacioacuten 0 mm 0102 mm
Factor de seguridad 15 NA
244
FIGURA 412 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 413 DEFORMACION
FIGURA 414 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 3 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
245
44 Seleccioacuten del Ventilador
Para la seleccionar el ventilador para la torre de enfriamiento es
necesario conocer los siguientes datos
1 Flujo de aire que circulara por la torre en ft3min
2 La presioacuten estaacutetica o presioacuten de resistencia contra la que debe
operar el ventilador expresada en plg de agua
Flujo de aire que circula por la torre Gs = 16056 lbh
Gs=2676 lbmin
Para determinar los pies cuacutebicos por minuto (pcm) de aire que salen
a traveacutes del extractor se divide las libras de aire seco por minuto
para la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
pcm = Gs (lbmin) densidad de la temperatura de operacioacuten Ec411
Para determinar la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
es necesario calcular la temperatura a la que sale el aire de la torre
Para esto conociendo el valor de la humedad absoluta Yrsquo2 lb de
vapor de agua por lb de aire seco con que sale el aire y asumiendo
que el aire se encuentra cercanamente saturado 95 se puede
246
entrar en la carta psicomeacutetrica Apeacutendice H y determinar dicha
temperatura
Yrsquo2= 0024
Con una temperatura de salida de la torre
T=84 0F
Con este valor dado en la figura se encuentra que la relacioacuten de
densidad del aire (RDA) a 84 0F y a nivel del mar es
RDA= densidad del aire en condiciones estaacutendar densidad del aire en condiciones de operacioacuten
Ec 412
RDA=105
De la ec411
105=0077lbft3 densidad del aire que opera a 84 0F
ρ84 F= 0075 lbft3
De la ec 412 se tiene
pcm=354483 ft3min = 116707 m3h
Con respecto a la caiacuteda de presioacuten estaacutetica contra la que debe
operar el ventilador se vio que en torres de este tipo era
ordinariamente menor que una pulgada de agua por lo tanto
tomando en consideracioacuten la resistencia ofrecida al paso del aire por
247
la zona empaquetada y los separadores de gotas se considera
suficiente utilizar el valor de 05 pulH20 o 127 mmH2O valores que
estaacuten dentro del rango de caiacuteda de presiones para este tipo de
ventiladores
Se ha escogido la curva del fabricante de la marca Ventiladores
Casals y sus caracteriacutesticas se indican en el Apeacutendice K
FIGURA 415 DIAGRAMA PARA SELELCCIONAR MODELO DE
VENTILADOR
Ingresando en el diagrama de la fig 415 con los datos planteados se
selecciona el ventilador modelo 56 T4 1 con las siguientes
caracteriacutesticas
Diaacutemetro = 650 mm
m3h = 12700
Peso = 36 Kg
248
RPM max = 1525
Potencia = 075 Kw
Ruido = 73 db
FIGURA 416 VENTILADOR SELECCIONADO
Con el peso del ventilador se disentildearaacute la campana de extraccioacuten de vapor de
agua se asumiraacute un espesor de 14 mm Se utilizara el programa
computacional INVENTOR 10 para analizar su deformacioacuten y el factor de
seguridad de la campana
249
TABLA 44 INFORME DE RESULTADOS DE LA
CAMPANA DE EXTRACCION
INFORME DE ANALISIS DE LA CAMPANA DE
EXTRACCION
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 9348+-5 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
250
FIGURA 417 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 418 DEFORMACION
FIGURA 419 FACTOR DE SEGURIDAD
251
45 Seleccioacuten de Diaacutemetro de la Tuberiacutea
Los criterios a utilizar para el caacutelculo del diaacutemetro de la tuberiacutea
son
1 Si la energiacutea
necesaria para el movimiento del fluido es gratis utilizar el
diaacutemetro miacutenimo que permita el caudal deseado
2 Si el fluido ha de ser
bombeado hay que calcular el tamantildeo que permita tener los
menores costes anuales (caacutelculo del diaacutemetro econoacutemico)
Velocidades tiacutepicas y caiacutedas de presioacuten permisibles que pueden
utilizarse para estimar el diaacutemetro de la tuberiacutea son
Velocidad (ms) ∆P(kPam)
Liacutequidos bombeados (no viscosos) 1 ndash 3 05
Liacutequidos flujo por gravedad - 0005
Gases y vapores 15 ndash 30 002 presioacuten de liacutenea
Flujos a alta presioacuten 30 - 60
TABLA 45 VELOCIDADES Y CAIDAS DE PRESION
PERMISIBLES [4]
Si se considera la densidad del fluido la velocidad oacuteptima es
252
Densidad del fluido
(Kgm3)
Velocidad del fluido
(ms)
1600 24
800 30
160 49
16 94
016 180
0016 340
TABLA 46 DENSIDAD DEL FLUIDO EN FUNCION DE LA
VELOCIDAD [4]
En la seleccioacuten de las tuberiacuteas se tiene que considerar el caudal
maacuteximo no el nominal (aumentar 20 a 50)
De acuerdo a la tablas 45 y 46 se tiene que
Flujo de agua = 15 m3h
Por lo tanto se escoge una velocidad
V = 2475 ms este valor es interpolado de la tabla 43 para
liacutequidos bombeados
Conocido el caudal y la velocidad se puede encontrar el
diaacutemetro
Q = A V Ec413
253
A = π4 D = QV
Donde D diaacutemetro de la tuberiacutea despejando D se tiene
D = 00508 m o tuberiacutea de 2rdquo
46 Seleccioacuten de la Bomba para la Torre de Enfriamiento
Se tiene los siguientes datos para la torre
Q = 15 m3h
Altura de la torre se la torre 12m
Considerando las tablas del Apeacutendice J del manual del
fabricante Golds Pumps se selecciona la siguiente bomba
Modelo 3196
STX 1x 1 frac12 - 6
Capacidad 70 GPM 3 frac12 ldquo 1 frac12 HP
Frecuencia 60 Hz
254
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
51 Diagrama de Gantt para la Ejecucioacuten del Proyecto
Diagrama de Gantt- Para la planificacioacuten de la construccioacuten montaje se contara con la
ayuda del software Microsoft Project
Que se lo muestra a continuacioacuten
255
FIGURA 51 DIAGRAMA DE GANTT
El diagrama de la figura anterior da los pasos que se siguieron describiendo todo el
proceso que se llevo a cabo en el proyecto utilizando oacuteptimamente el recurso humano
existente y el tiempo requerido para realizarlo
Levantamiento de planos del disentildeo de forma del sistema de enfriamiento- Este
procedimiento se hizo para obtener una referencia del espacio disponible y con ello ver
las posibles soluciones a implementar Este proceso no consta en el diagrama de Gantt
ya que lo hizo previo a la licitacioacuten ya que seria acreedora del contrato la empresa
participante que presente su mejor propuesta y cotizacioacuten sin embargo se tomo 5 diacuteas
para realizar este proceso
511 Preparacioacuten de Documentos Planos de Taller y Movilizacioacuten
Elaboracioacuten de planos de taller- Se procederaacute al disentildeo del sistema mas optimo en
este caso torre de enfriamiento certificacioacuten de intercambiador de calor disentildeo de
estructura moacutevil y de su estructura de soporte a ser ejecutado para la alternativa
seleccionada Asimismo se procederaacute al disentildeo eleacutectrico bajo la responsabilidad
ERMARLO SA Los planos seraacuten sometidos a la aprobacioacuten del departamento
encargado por parte de la Armada del Ecuador para iniciar los trabajos de
construccioacuten de acuerdo al cronograma presentado
256
Ninguacuten data sheet mostrado en la oferta podraacute ser utilizado como base para la
construccioacuten del sistema en mencioacuten por parte de la Armada del Ecuador o terceros si
la obra no se adjudica a ERMARLO SA con amparo a la ley de derechos de autor
Movilizacioacuten- Durante el periacuteodo de elaboracioacuten de planos se procederaacute con la
movilizacioacuten de equipos herramientas material a las instalaciones de la Armada
Nacional del Ecuador ubicada en la Base Sur Se utilizaraacuten bantildeos portaacutetiles con
mantenimiento perioacutedico Ademaacutes la logiacutestica del proyecto seraacute reforzada con el
apoyo de las oficinas e instalaciones de ERMARLO SA Ubicadas en la viacutea a Daule
Parque industrial Inmaconsa
512 Fabricacioacuten en el Taller
El disentildeo suministro de los materiales prefabricacioacuten y pre pintura interior y exterior
de las estructuras seraacuten ejecutados por ERMARLO SA En el taller se construiraacute
Rieles de movilizacioacuten para los soportes que llevaran la tuberiacutea de agua destilada
friacutea y caliente con sus respectivos acoples
Construccioacuten de la Torre de Enfriamiento y sus accesorios
Se ha contemplado la supervisioacuten de un teacutecnico de la Armada Nacional en los talleres
de ERMARLO SA asi mismo la supervisioacuten en campo de un teacutecnico durante la etapa
de montaje Para el efecto se ha considerado cubrir con todos los gastos relacionados
con esta visita salvo los honorarios de este teacutecnico los cuales correraacuten por cuenta de
la institucioacuten contratante
1 Materiales- De conformidad con los planos de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas para la construccioacuten de las rieles de deslizamiento y torre de
257
enfriamiento se selecciona el material a utilizar verificando calidad espesores y
dimensiones generales de laacuteminas y tuberiacuteas
Principalmente para laacuteminas de acero se verifican las marcas estampadas en
cada plancha contra los certificados emitidos por el fabricante de estar todo
conforme se libera el material para fabricacioacuten
2- Fabricacioacuten
21-Corte- Se posiciona la laacutemina seleccionada en la mesa de corte
procediendo al trazo y verificacioacuten conforme a medidas de plano de fabricacioacuten
Se transfieren las marcas originales de la laacutemina a cada parte y pieza a ser
cortada para mantener su identificacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten y en la
torre de enfriamiento terminada Se regulan los flujos de gases y velocidad de
avance de la maacutequina de conformidad con el procedimiento especiacutefico de cada
maacutequina y se procede a cortar el material En esta etapa se define dentro del
proceso de corte el tipo de bisel que se deja en el filo de las planchas para el
posterior proceso de soldadura todos los biseles tienen que estar detallados en
los planos de fabricacioacuten Una vez cortadas las piezas se realiza una limpieza
mecaacutenica de los bordes de la laacutemina especialmente los biseles de soldadura se
inspecciona y libera el material para el siguiente proceso
22-Conformado- Dependiendo de la parte de la torre que esteacute en proceso las
bandejas perforadas se las fabricara con este procedimiento Adicionalmente
todas las partes conformadas seraacuten pre-ensambladas en taller para verificar su
correcto dimensionamiento y agilizar el proceso de ensamble final en campo
23-Soldadura- Se realizaraacute soldadura en faacutebrica par elementos como patas
soportes de la cuba colectora de agua tuberiacuteas de carga y descarga conexiones
para instrumentacioacuten de acuerdo con el requerimiento del cliente Todas las
258
soldaduras de faacutebrica deben estar definidas en los planos de fabricacioacuten
indicando el proceso de soldadura y paraacutemetros generales que seraacuten ejecutados
Todas las soldaduras se realizaraacuten con procedimientos y soldadores calificados
de conformidad con coacutedigo ASME uacuteltima edicioacuten Los principales procesos a ser
utilizados son SAW GMAW SMAW
Toda soldadura deberaacute ser inspeccionada y verificada cumpliendo los
requerimientos del coacutedigo ASME y condiciones particulares del Cliente si
existieran
24-Tratamiento de Superficies- Tanto las laacuteminas de cuerpo como tuberiacuteas
soportes plataformas seraacuten preparadas y recubiertas de acuerdo con las
especificaciones del cliente En taller se realizaraacute aplicaraacute la primera capa de
revestimiento y en campo se completara el sistema luego del montaje
y pruebas del tanque El procedimiento a seguir es el siguiente
Se prepararaacute la superficie utilizando chorro de granalla metaacutelica hasta obtener un
acabado SSPC - SP 10 metal casi blanco con un perfil de anclaje de 2 a 3 mils
que garantice la adherencia y resistencia mecaacutenica del sistema de pintura a
aplicar Se dispone con los equipos y condiciones adecuadas para garantizar una
buena limpieza
La pintura seraacute aplicada conforme las recomendaciones y especificaciones de la
hoja teacutecnica del fabricante de pintura Durante el proceso de aplicacioacuten se
controla y registran los paraacutemetros externos y condiciones de aplicacioacuten como
temperatura ambiente temperatura de la pieza humedad relativa punto de
rociacuteo espesor huacutemedo y espesor seco
25 Factibilidad de construccioacuten- Se quiere resaltar las ventajas de la
fabricacioacuten de la torre de enfriamiento en Ecuador ya que ademaacutes del arancel
que tendraacute que pagarse sobre el tanque importado cuando se trata de proyectos
de intereacutes puacuteblico de acuerdo a la Ley la Armada del Ecuador puede requerir la
259
aprobacioacuten de la importacioacuten de bienes de capital El Ministerio encargado
certificaraacute si hay manufactura local o no para los bienes a ser importados El
producto local debe ser similar al importado debe tener la misma funcioacuten precio
competitivo igual calidad y tiempo de entrega Si los productos locales cumplen
con los estaacutendares de los productos importados deben entonces ser comprados
localmente caso contrario el Ministerio no autorizaraacute su importacioacuten
513 Montaje del Sistema de Enfriamiento
El Supervisor de montaje seraacute responsable de la eficiente
coordinacioacuten del Proyecto la Armada del Ecuador seraacute informado
continuamente de todas las acciones a tomar
ERMARLO SA dispondraacute de todos los equipos y herramientas
necesarios para enfrentar adecuadamente los trabajos
incluyendo gruacuteas compresores generadores soldadoras equipo
para prueba hidrostaacutetica etc
El montaje del sistema de enfriamiento obedece a una secuencia establecida en los
procedimientos y normas aplicables para este tipo de trabajos
En resumen las actividades principales que es necesario cumplir son las siguientes
Revisioacuten de la fundacioacuten de las estructuras deslizantes y la torre de enfriamiento
Antes del montaje del sistema de guiacuteas para la estructura
deslizante y para la torre de enfriamiento se verificaraacuten
260
cuidadosamente la topografiacutea e integridad estructural de las
fundaciones Tambieacuten se comprobaraacute que el terreno esteacute
adecuado para los diferentes movimientos de los equipos de
montaje
FIGURA 53 ALINEACION DE PISO DONDE SE ASENTARA LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Montaje de la estructura de soporte del sistema deslizante
Una vez revisada y aprobada las estructuras donde se va a montar el sistema
deslizante la cual llevara las tuberiacuteas de agua destilada a las bateriacuteas por parte de
ERMARLO SA se procederaacute a la instalacioacuten de cada una de las vigas transversales
donde se delizara el sistema de tuberiacuteas
261
FIGURA 52 SISTEMA DE DESLIZAMIENTO
Soldadura en obra
Las vigas del sistema de deslizamiento la torre y sus estructuras seraacuten soldados por
cualquiera de los procesos SMAW y SAW utilizando los equipos adecuados La
soldadura puede ser manual semi-automaacutetica o automaacutetica de conformidad a lo que
establezca del procedimiento de soldadura correspondiente
Se tendraacute una revisioacuten estricta de las condiciones de los biseles eliminacioacuten de escoria
antes de efectuar el siguiente cordoacuten inspecciones visuales de la soldadura
inspecciones radiograacuteficas de acuerdo al Coacutedigo se es necesario
Las laacuteminas del cuerpo en juntas de tope seraacuten alineadas en su posicioacuten antes de
soldar las mismas
514 Preparacioacuten de Superficie y Pintura en Sitio
262
Con el fin de asegurar la culminacioacuten del proyecto dentro del tiempo especificado asiacute
como para minimizar los dantildeos ambientales y proteger los materiales prefabricados
durante su transporte se ha considerado realizar la preparacioacuten y pre pintura de
superficies exterior e interior de las estructuras en taller
Las capas finales de pintura seraacuten aplicadas en el campo de acuerdo a las
especificaciones establecidas propuestas por ERMARLO SA Las aacutereas de pintura que
deban reparase o terminarse en se las repararaacute en obra
515 Prueba Hidrostaacutetica del Sistema de Tuberiacuteas e Intercambiador de Calor
Una vez instalado y pintado la torre de enfriamiento con el intercambiador de calor
sumergido en la piscina recolectora de la torre se procederaacute a realizar la prueba
hidrostaacutetica y la posterior desinfeccioacuten del mismo de acuerdo a lo especificaciones en
las bases de licitacioacuten entregada por la Armada del Ecuador
516 Bombas de agua
Existen dos bombas a ser montadas veacutease la figura 53 La bomba 1 para el sistema
de agua destilada de circulacioacuten por las bateriacuteas y al intercambiador de calor la bomba
2 figura 54 para la recirculacioacuten del agua en la torre de enfriamiento Las
caracteriacutesticas de todas ellas han sido ya establecidas en capiacutetulos anteriores
263
FIGURA 53 BOMBA PARA AGUA DESTILADA QUE ENTRA EN LAS BATERIA
FIGURA 54 BOMBA DE AGUA PARA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Para el montaje se deben respetar las especificaciones dadas ya sea por las normas
respectivas o seguir recomendaciones teacutecnicas En este caso se haraacute lo posible por
cumplir las recomendaciones dadas[12] Para el caso de la tuberiacutea de succioacuten se da la
figura 55
264
FIGURA 55 TUBERIA DE SUCCION [12]
Otra recomendacioacuten dada radica en que se debe evitar para el transporte el uso de
tuberiacuteas de igual diaacutemetro al de ingreso o salida del agua de la bomba deben ser
las inmediatas superiores Esto se cumple con los caacutelculos solo cuando la bomba
estaacute bien dimensionada pero no en el caso de la bomba 2 debido a que esta se
encuentra sobredimensionada Por ello el diaacutemetro de la tuberiacutea de salida es igual
diaacutemetro de la tuberiacutea de transporte de agua en el ingreso caso igual se usa una
tuberiacutea de 2rdquo
516 Instalacioacuten Eleacutectrica
Se ha contemplado el disentildeo instalacioacuten suministro y pruebas de
un sistema eleacutectrico el mismo que tendraacute los controles y mandos
para activar ventilador de la torre activacioacuten de las bombas de
agua control de ventiladores del cuarto de activacioacuten
265
FIGURA 56TABLERO DE CONTROL ELECTRICO
Toda tuberiacutea eleacutectrica se aseguraraacute con abrazaderas o soportes
de acero a la estructura de la torre o a las paredes por donde
crucen los cables
517 Graficas Representativas del Montaje de la Torre de
Enfriamiento
266
FIGURA 57 INTERCAMBIADOR SUMERGIDO EN COLECTOR
DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
FIGURA 58 BANDEJAS PERFORADAS INSTALADAS EN LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
267
FIGURA 59 TORRE DE ENFRIAMIENTO INSTALADA
52 Lista de materiales y equipos requeridos para el montaje
En las siguientes tablas se listan los materiales y equipos requeridos para el montaje
realizado adicionalmente se indica si se empleoacute algo usado o nuevo asiacute como su cantidad
268
EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
Equipoherramienta Tamantildeoespecificacioacuten Condicioacuten
01 Arco para sierra Estaacutendar de 12rdquo En bodega
02 Broca para acero HSS Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
03 Broca para cemento Percusioacuten Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
04 Broca para cemento Percusioacuten Oslash frac12 rdquo x 6rdquo En bodega
06 Cepillo de acero 6 hileras En bodega
07 Destornillador plano 5 mm x 150 mm En bodega
08 Emulsioacuten lubricante Proporcioacuten 120 En bodega
09 Flexoacutemetro 8 m x 25 mm En bodega
10 Guantes de cuero Par manga corta (10rdquo) En bodega
11 Hoja de sierra 12rdquo x frac12rdquo x 132rdquo Comprada
12 Hoja de sierra 24rdquo x 1frac14rdquo x 116rdquo Comprada
13 Llave mixta ⅜rdquo En bodega
14 Llave mixta 916rdquo En bodega
15 Llave mixta 58rdquo En bodega
16 Llave para tubo Largo 12rdquo abre hasta 2rdquo En bodega
17 Llave para tubo Largo 24rdquo abre hasta 3frac12rdquo En bodega
18 Llave para tubo Largo 36rdquo abre hasta 5rdquo En bodega
19 Nivel Aluminio largo 24rdquo En bodega
20 Pie de amigo De 24rdquo de aacutengulo de frac34rdquo Construido
21 Piola de algodoacuten Rollo de 50 gramos Comprado
22 Prensa para tubo De tornillo para Oslash 4rdquo En bodega
23 Sierra alternativa Para aserrar acero En taller
269
24 Taladro de mano Capacidad frac12rdquo asymp 13 mm En bodega
25 Taco Fisher F10 Comprado
26 Tarraja para tubo Manual para Oslash frac12rdquo a 2rdquo En bodega
27 Tefloacuten Rollo 19mmx15mx02mm Comprado
29 EPP Comprado
30 Material de aporte E6011 E6013 etc Comprado
31 Equipo de oxicorte Acetileno oxigeno manom En bodega
32 extintores Polvo quiacutemico seco En taller
33 tecle 2 Ton En bodega
34 Maq De soldar En bodega
TABLA 51 LISTA DE EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
53 RESUMEN DE COSTOS
ITEM MATERIALES Cantidad unid mater peso V Unitario V Venta
Soportariacutea fija y estructura moacutevil
Correa G 125 x 50 x 15 x 3 6 unid 3324 3291 19745
plancha 4 1 unid 9334 9241 9241
aacutengulo laminado 40 x 3 9 unid 1100 1089 9801
aacutengulo laminado 50 x 4 3 unid 2355 2331 6994
Correa G 80 x 50 x 15 x 3 9 unid 2406 2382 21437
malla electro ARMEX R- 131 (515) 52 mc 100 200 10400
perno expansioacuten 58 x 3 24 unid 012 060 1440
270
Pintura 4 galoacuten 100 1500 6000
ruedas para correas 12 unid 100 2500 30000
aacutengulo laminado 25 x 3 6 unid 706 699 4194
Materiales estructura 119252
Mano de obra estructura 71551
Total estructura 190803
Sistema de tuberiacuteas y accesorios
tubo PVC 2 20 unid 100 1400 28000
accesorio T 2 2 unid 030 240 480
tapoacuten 2 4 unid 020 160 640
unioacuten 2 10 unid 020 160 1600
bushing 2 x 14 4 unid 020 160 640
manguera 2 6 m 100 3500 21000
acople para manguera 2 x 2 4 unid 200 1600 6400
abrazaderas 2 8 unid 100 600 4800
manguera 14 300 m 100 250 75000
abrazadera 14 480 unid 100 030 14400
tubo galvanizado 1 14 7 unid 100 3360 23520
codo pvc 2 4 unid 020 160 640
codo galvanizado 1 14 4 Unid 020 180 720
nudo 2 4 unid 030 240 960
acoples para manguera 14 240 unid 100 24000
Materiales sistema distribucioacuten agua
enfriamiento aire 202800
Mano de obra sistema distribucioacuten agua 81120
271
enfriamiento
Total sistema distribucioacuten 283920
Torre de enfriamiento
tubo cuadrado 80 x 3 4 unid 4521 4476 17903
aacutengulo laminado 50 x 3 8 unid 1430 1416 11326
ventilador axial para torre enfriamiento 1 unid 120000 120000
plancha 3 para deposito de agua torre 2 unid 7040 6970 13939
control nivel de agua torre 1 global 1500 1500
plancha galvanizada para bandejas 8 unid 4224 5914 47309
plancha galvanizada para paredes 8 unid 3285 4599 36792
bomba de circulacioacuten 80 gpm ndash 30 psi 1 unid 120000 120000
arrancador para bomba de circulacioacuten y
ventilador 1 global 32000 32000
difusores y encausadores de torre 1 global 35000 35000
tuberiacutea y vaacutelvulas de control de circulacioacuten 1 global 23500 23500
Material torre 459269
Mano de obra torre 156151
Total torre 615420
EQUIPOS SUMINISTRADOS POR ARMADA DEL ECUADOR
Intercambiador de calor de haz tubular 000
Bomba PN 50 ndash 32 ndash 145 para agua des-ionizada 000
NOTA no se encuentra agregado el valor del IVA
272
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
61 Conclusiones
1 El meacutetodo usado por el texto de Procesos de transferencia de calor de Kern y al
comparar con el programa computacional para la seleccioacuten del intercambiador de calor
son similares concluyendo que el programa funciona correctamente y este caso el
intercambiador disponible cumple con los requerimientos para reducir la temperatura
requerida para el sistema
2 El equipo disentildeado cumple con lo establecido en el anaacutelisis del problema y las
restricciones
3 El meacutetodo de construccioacuten utilizado especialmente los procesos de soldadura garantizan
el buen funcionamiento del equipo
4 Se ha adquirido mas conocimientos sobre las torres de enfriamiento y sobre su valor
caracteriacutestico KaVL A mayor valor mayor dificultad para lograr el enfriamiento deseado
Adicionalmente se ratifico los conocimientos adquiridos
273
5 Se ha utilizado varios sistemas computacionales para comprobar los resultados
adquiridos e implementar estos programas en el trabajo diario dentro del departamento de
proyectos de ERMARLO SA
6 Se ha utilizado tablas normas y coacutedigos de seleccioacuten y disentildeo de esta manera logrando
un meacutetodo de seleccioacuten maacutes raacutepida para la ejecucioacuten de un proyecto
7 El control de calidad dentro del proceso de construccioacuten y montaje es muy importante en
la entrega final del trabajo para la satisfaccioacuten del cliente y realzar el nombre de la
empresa constructora
8 Una gran experiencia de trabajo en equipo tanto con el personal encargado de la
construccioacuten como la interaccioacuten con el personal de la Armada del Ecuador
62 Recomendaciones
1 Cuando se desee realizar la evaluacioacuten de un intercambiador de calor o una torre de
enfriamiento se debe seguir un sin nuacutemero de especificaciones para tenerlas a mano
Personalmente me parecioacute muy buena la guiacutea del texto Procesos de Transferencia de
Calor
2 Se requiere implementar un estudio detallado para el manejo de todos los desechos
generados
3 Se tendriacutea que hacer un plan de mantenimiento para los equipos constitutivos del sistema
de enfriamiento
4 Revisar permanentemente las instalaciones eleacutectricas ya que se tiene un ambiente
explosivo por las emanaciones de hidrogeno de las bateriacuteas al estar activaacutendose
274
5 La pintura de la torre de enfriamiento deberiacutea estar en control para evitar corrosioacuten en la
estructura
6 En la construccioacuten y el montaje se recomienda el correcto uso del Equipo de Proteccioacuten
Personal asiacute como los implementos para realizar trabajos en altura trabajos en caliente o
lugares confinados para evitar lesiones por parte de los integrantes del proyecto
7 Tener en consideracioacuten todas las normas de seguridad que tiene la institucioacuten (Armada
del Ecuador) para evitar sanciones al personal que estaacute ejecutando el proyecto
8 Implementar un mejor sistema de ventilacioacuten en el cuarto de activacioacuten de bateriacuteas ya que
este tiene demasiados contaminantes en el ambiente
275
BIBLIOGRAFIA
1 Gonzalez Jorge ldquoAplicacioacuten de la Investigacion de Operaciones al
Diseno Optimo de un Intercambiador de Calorrdquo (Tesis Facultad de
Ingenieria en Mecanica y Ciencias de la Produccion Escuela Superior
Politecnica del Litoral 1970)
2 Kern Donald Procesos de Transferencia de Calor Editorial CECSA
1995
3 Hickstyler Manual de Calculos para las Ingenierias Tercera Edicion
Tomo II McGraw Hill 1998
4 Torres Alberto ldquoDiseno de una Torre de Enfriamiento de Agua para Uso
Industrialrdquo (Tesis Facultad de Ingenieria Mecanica y Ciencias de la
Produccion Escuela Superior Politecnica del Litoral 1973)
5 Andrade Francisco Ing Ventilacioacuten Industrial Diplomado en Manejo
Ambiental ESPOL julio 2001
6 Manual Praacutectico de Ventilacioacuten Catalogo Teacutecnico Salvador Escoda
SA
7 Perry Robert-Green Don PERRY Manual del Ingeniero Quiacutemico
Seacuteptima Edicioacuten Volumen II Mc Graw Hill
8 Load amp Resistance Factor Design Manual of Steel Construction AISC
First Edition
9 Incropera P Frank-De Witt P David Fundamentos de Transferencia de
Calor Cuarta Edicioacuten Prentice Hall
10 Granet Irving Termodinaacutemica Tercera Edicioacuten Editorial Prentice Hall
1998
11 Goulds Pump Manual Sexta Edicioacuten Goulds Pumps Inc 1995
276
12 McNaughton Kenneth Bombas Seleccioacuten Uso y Mantenimiento
Editorial Mc Graw Hill 1992
13 David Linden Thomas B Reddy Handbook of Batteries McGraw Hill
Third Edition 1995
14 Pedro Fernaacutendez Diez Bombas Centrifugas y Volumeacutetricas 2002
15 Eugene F Megyesy Pressure Vessel Handbook Publishing Inc Sexta
edicioacuten
16 Holman J P Transferencia de Calor Octava edicioacuten Prentice Hall
2001
17 Dpto Ingenieria Quiacutemica y Textil Disentildeo de Equipos e Instalaciones
(Facultad de Ciencias Quiacutemicas Universidad de Salamanca)
18 Peters and Timmerhaus Plant Design and Economics For Chemical
Engineers McGraw Hill
19 Introduccioacuten al Programa ANSYS
20 Avallone Eugene A Baumeister III Theodore MARKS Manual del
Ingeniero Mecaacutenico Novena Edicioacuten Tomos I y II Mc Graw Hill
21 httpwwwipacesacerofabricacionasp
22 httpwwwevapcocom
23 httpwwwcasalscom
24 httpwwwamcotcom
25 httpwwwmonografiastrabajos10toentoenzip
277
110
DEDICATORIA
A DIOS
A MIS PADRES
GONZALO E ISABEL
111
A MI FAMILIA
RESUMEN
El presente trabajo consiste en dar una solucioacuten real a la necesidad actual y futura del enfriamiento de
las bateriacuteas que se utilizan en los submarinos de la Armada Nacional del Ecuador en el proceso de
activacioacuten de eacutestas en tierra
En el Capiacutetulo Uno se plantea las generalidades detallando las partes constitutivas de los submarinos
caracteriacutesticas de las bateriacuteas que se utilizan en los submarinos meacutetodos de carga de las bateriacuteas y
administracioacuten de la temperatura en el proceso de activacioacuten de eacutestas
El Capiacutetulo Dos trata de la descripcioacuten del problema en esta seccioacuten se describe los requerimientos
dados por el fabricante de las bateriacuteas para que estas puedan entrar en funcionamiento se plantea
varias alternativas de solucioacuten que permita solucionar el problema planteado
El Capiacutetulo Tres se realiza el anaacutelisis teacutermico de acuerdo a datos teacutecnicos dados por los fabricantes
de las bateriacuteas que aplicando conocimientos de termodinaacutemica y transferencia de calor se podraacute
plantear las ecuaciones adecuadas para tener resultados y poder dimensionar los equipos necesarios
para lograr el objetivo planteado
112
En el Capiacutetulo Cuatro conocidos los paraacutemetros teacutermicos actuantes en el sistema se procede a
realizar la seleccioacuten y disentildeo mecaacutenico de los componentes involucrados en el funcionamiento del
sistema de enfriamiento
El Capiacutetulo Cinco realiza una evaluacioacuten teacutecnica para la construccioacuten y montaje de los equipos la
evaluacioacuten econoacutemica del proyecto y actividades de taller
El Capiacutetulo Seis se da conclusiones y recomendaciones a las que se llega como consecuencia del
desarrollo de este trabajo Ademaacutes recomendaciones para que se implemente en un proceso de
mejora continua
IacuteNDICE GENERAL
Paacuteg
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I
IacuteNDICE GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip III
ABREVIATURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VII
SIacuteMBOLOGIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XI
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XII
IacuteNDICE DE PLANOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XIV
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XV
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
CAPIacuteTULO 1
1 GENERALIDADEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
11 Descripcioacuten del sistema de poder de los submarinoshelliphelliphellip 4
113
12 Caracteriacutesticas generales del submarino U - 209helliphelliphelliphelliphellip 6
13 Proceso de activacioacuten de las bateriacuteas para submarinohelliphellip
131 Anaacutelisis del sistema operativohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
132 Caracteriacutesticas de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
133 Capacidad de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
134 Autodescargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
135 Almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
136 Principales meacutetodos de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
137 Control de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
138 Control de la temperatura en las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphellip
7
7
14
16
21
23
24
27
29
CAPIacuteTULO 2
2 DESCRIPCION DEL PROBLEMAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
21 Requerimientos para el proceso de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 36
22 Consideraciones teacutecnicas para la activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
23 Alternativas de solucioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
37
38
231 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
232 Sistema de enfriamiento con intercambiador enfriado por
airehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
233 Sistema de enfriamiento utilizando chillerhelliphelliphelliphelliphelliphellip
234 Sistema de enfriamiento utilizando intercambiador de calor y torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
42
43
45
24 Seleccioacuten mejor alternativahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
25 Torres de enfriamiento y su clasificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
26 Seleccioacuten de la torre a utilizarsehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
114
CAPIacuteTULO 3
3 ANAacuteLISIS TEacuteRMICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
31 Descripcioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
32 Datos de operacioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 64
33 Seleccioacuten del intercambiador de calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
331 Meacutetodo FLMTDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
332 Uso de software para seleccioacuten del intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
34 Disentildeo teacutermico de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
351 Fundamento del enfriamiento por evaporacioacutenhelliphelliphellip 87
352 Caacutelculoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89
CAPIacuteTULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 105
41Componentes de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 104
42 Determinacioacuten de la seccioacuten transversal de la torrehelliphelliphelliphellip 108
43 Seleccioacuten de la columna de contactohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 112
431 Altura de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
432 Aacuterea perforadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
433 Dimensiones de las perforacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
434 Espesor de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 117
44 Disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de la torre de enfriamiento 121
441 Seleccioacuten del espesor de planchahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 123
442 Carga en las paredes del depoacutesitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
444 Momento de inercia miacutenimo requeridohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
433 Distancia entre soportes del colectorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
115
44 Seleccioacuten del ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 129
45 Seleccioacuten de diaacutemetro de la tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 135
46 Seleccioacuten de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 137
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
51 Diagrama de Gantthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
511 Preparacioacuten de documentos planos de taller y
movilizacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 139
512 Fabricacioacuten en el tallerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
513 Montaje del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
514 Preparacioacuten de superficie y pintura en sitiohelliphelliphelliphelliphellip 148
515 Pruebas hidrostaacuteticas de tuberiacuteas e intercambiadorhellip 149
516 Bombas de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
517 Instalacioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
52 Materiales y equipos requeridoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
53 Resumen de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 156
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
61 Conclusioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
62 Recomendacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 160
APEacuteNDICES
BIBLIOGRAFIacuteA
116
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 11 Partes constitutivas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
Figura 12 Estado de descarga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Figura 13 Estado de carga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
117
Figura 14 Variacioacuten de la capacidad seguacuten reacutegimen de descargahelliphellip 17
Figura 15 Variacioacuten de la capacidad seguacuten la temperaturahelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Variacioacuten de la capacidad seguacuten nuacutemero de cicloshelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Variacioacuten de la vida uacutetil en funcioacuten de la descargahelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Variacioacuten de la capacidad por autodescarga 22
Figura 19 Reaccioacuten exoteacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 21 Trabajos preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 22 Esquema de enfriamiento de bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 23 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Figura 24 Enfriamiento utilizando intercambiador enfriado por aire 43
Figura 25 Sistema de enfriamiento utilizando un chiller 44
Figura 26 Sistema de enfriamiento utilizando torre de enfriamiento e intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
Figura 27 Torre de enfriamiento de tiro forzadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
Figura 28 Torre de flujo a contracorriente y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
Figura 29 Torre de flujo cruzado y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
Figura 31 Disposicioacuten de las bateriacuteas en el cuarto de activacioacutenhelliphelliphellip 61
Figura 32 Disposicioacuten de tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
Figura 33 Sistema de desplazamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 34 Bateriacuteas en cuarto de activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 35 Sistema moacutevil para llevar el fluido de enfriamiento a las
bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
Figura 36 Disentildeo de forma del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
Figura 37 Distribucioacuten de temperaturas en un intercambiador de calor de doble tubo en
paralelohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 69
Figura 38 Ventana de inicio del programahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
Figura 39 Ventana de seleccioacuten de tipo de intercambiador a utilizarse y definicioacuten de
fluidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
Figura 310 Datos del material del intercambiadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 80
118
Figura 311 Ventana de ingreso de datos de intercambiador de calorhellip 81
Figura 312 Ventana de resultados en la presioacuten de disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphellip 82
Figura 313 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 83
Figura 314 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 84
Figura 315 Disposiciones del haz de tuboshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
Figura 316 Idealizacioacuten del fenoacutemeno de transferenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
Figura 317 Flujo Especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
Figura 318 Diagrama del sistema para el disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
Figura 319 Relaciones de agua y aire de una torre a contra flujohelliphelliphellip 93
Figura 320 Diagrama de operacioacuten de enfriamiento del aguahelliphelliphelliphelliphellip 101
Figura 41 Disentildeo de Forma de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 108
Figura 42 Diagrama de operacioacuten de una bandeja perforadahelliphelliphelliphellip 114
Figura 43 Disposicioacuten de agujeros en las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
Figura 44 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 45 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 46 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 47 Valores de alfahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
Figura 48 Dimensionamiento del depoacutesito de coleccioacuten de aguahelliphelliphellip 123
Figura 49 Cargas hidrostaacuteticashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
Figura 410 Distancia entre soporteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
Figura 412 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 413 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 414 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 415 Diagrama para seleccionar modelo de ventiladorhelliphelliphelliphelliphellip 131
Figura 416 Ventilador seleccionadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 132
Figura 417 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 418 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 419 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 51 Diagrama de Gantt 138
119
Figura 52 Sistema de deslizamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 171
Figura 53 Alineacioacuten de piso donde se asentaraacute la torrehelliphelliphelliphelliphelliphellip 172
Figura 54 Bomba de agua para torrehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 175
Figura 55 Tuberiacutea de succioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 176
Figura 56 Tablero de control eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 177
Figura 57 Intercambiador sumergido en colector de la torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 58 Bandejas perforadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 59 Torre de enfriamiento instaladahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 179
120
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphellip 6
Tabla 12 Paraacutemetros de almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
Tabla 21 Programa de carga eleacutectrica para la activacioacuten de las bateriacuteas de los
submarinoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
Tabla 22 Impurezas maacutes comunes en el agua que afectan los sistemas de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 23 Matriz de decisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
Tabla 24 Clasificacioacuten de las torres de enfriamiento 49
Tabla 25 Matriz de decisioacuten para seleccionar el tipo de torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
Tabla 31 Escala de presioacuten y valor U para tipos de intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Tabla 32 Aacuterea transversal de flujo y superficie para intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Tabla 33 Valores de entalpiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 102
Tabla 34 Caracteriacutesticas de humidificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103
Tabla 41 Dimensiones de zona sin perforarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
Tabla 42 Informe de resultados del anaacutelisis de la bandeja perforadahellip 119
Tabla 43 Informe de resultados del colector de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 127
Tabla 44 Informe de resultados de la campana de extraccioacutenhelliphelliphelliphellip 133
Tabla 45 Velocidades y caiacutedas de presioacuten permisibles 135
Tabla 46 Densidad del fluido en funcioacuten de la velocidadhelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
Tabla 51 Lista de equipos y herramientashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
121
IacuteNDICE DE PLANOS
Plano 1 Torre de enfriamiento y sus partes
Plano 2 Bandejas perforadas
Plano 3 Campana de extraccioacuten
Plano 4 Tanque colector
Plano 5 Placa soporte
Plano 6 Dimensiones de estructura de torre de enfriamiento
122
ABREVIATURAS
ordmC Grados centiacutegrados
Mg Magnesio
Si Silicio
m Metros
cm Centiacutemetros
mm Miliacutemetros
kg Kilogramos
t Toneladas meacutetricas
MVA Mega voltamperios
kwh Kilovatio hora
tkwh Kilovatio hora por tonelada
Nm3
Metro cuacutebico normalizado
FeMn Ferromanganeso
MgO Oacutexido de magnesio
m Microacutemetro
NO2 Dioacutexido de nitroacutegeno
3Nmg
Gramos por metro cuacutebico de aire normalizado
ht Toneladas por hora
3mg
Gramos por metro cuacutebico
123
3mmg
Miligramos por metro cuacutebico
3pieg
Gramos por pieacute cuacutebico
min
3pie Pieacute cuacutebico por minuto
gal galoacuten
CFM Pies cuacutebicos por minuto
t
Kg Kilogramos por tonelada
hm3
Metros cuacutebicos por hora
th
m3
Metros cuacutebicos por hora por tonelada
s Densidad del soacutelido
3mg
Microgramos por metro cuacutebico
3mkg
Kilogramo por metro cuacutebico
sm Metros por segundo
OHmmCol 2 Miliacutemetros de columna de agua
atm atmoacutesferas
Pa Pascales
FPM Pies cuacutebicos por minuto
A Aacuterea
V Velocidad
Q Caudal
sm3
Metros cuacutebicos por segundo
124
SP Presioacuten estaacutetica
VP Presioacuten dinaacutemica
kPa Kilopascales
MPa Megapascales
2lgpulb Libras por pulgadas cuadradas
antildeomm Miliacutemetro por antildeo
hmm
2
3
Metros cuacutebicos por metro cuadrado por hora
psi Libras por pulgada cuadrada
diaacutemetro
ppm Partes por milloacuten
M Momento
mpy Mileacutesimas de pulgada por antildeo
Mw Megavatios
T Diferencia de temperaturas
CkgJ
ordm Joules por kilogramo por grado centiacutegrado
k Conductividad
h Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
R Sumatoria de resistencias
f Factor de friccioacuten
St Nuacutemero de stanton
KmW
2 Vatios por metro cuadrado por grados kelvin
125
INTRODUCCIOacuteN
La Armada del Ecuador a cargo de la Direccioacuten de Mantenimiento de la
institucioacuten con el propoacutesito de brindar mantenimiento al escuadroacuten de
submarinos nacionales SS ndash 11 ldquoShyrirdquo y SS ndash 12 ldquoHuancavilcardquo tipo U ndash 209
de fabricacioacuten alemana considera el cambio inmediato de las bateriacuteas de
propulsioacuten instaladas en dichos submarinos por haber cumplido su ciclo de
vida
Las unidades submarinas son de propulsioacuten diesel ndash eleacutectricas las bateriacuteas
son las encargadas de suministrar la energiacutea necesaria para propulsar y
alimentar la red abordo
Las bateriacuteas operan desde el antildeo 1997 tiempo de operacioacuten hasta la fecha
de 11 antildeos que sobrepasan el tiempo de vida uacutetil que es de 10 antildeos lo que
requiere un reemplazo inmediato de las bateriacuteas
Es por eso que las bateriacuteas de propulsioacuten fueron adquiridas a traveacutes de la
Junta de Defensa Nacional a la compantildeiacutea alemana Hawker GMBH una
126
remesa de 960 bateriacuteas estas son del tipo plomo ndash aacutecido las bateriacuteas se
someten a un proceso de carga y descarga cuando estaacuten montadas en el
submarino este proceso genera calor y produccioacuten de hidroacutegeno en el
ambiente
Para controlar la generacioacuten de calor existe en el submarino un sistema de
enfriamiento utilizando agua del mar las bateriacuteas nuevas adquiridas no
vienen activadas de fabrica para evitar problemas de danos y eliminar
riesgos durante el viaje hasta las instalaciones de la Armada Nacional es por
eso que la institucioacuten a dispuesto un lugar estrateacutegico donde se va a
proceder a la construccioacuten del sistema de activacioacuten de las bateriacuteas lo que
conlleva a realizar trabajos preliminares para la puesta en marcha de estos
equipos
Como este proceso tiene que ser realizado en tierra la Armada del Ecuador
convoca a diferentes empresas para licitar en el disentildeo construccioacuten y
montaje de un sistema de enfriamiento de agua que va a ser utilizada en la
activacioacuten de 120 bateriacuteas a la vez
ERMARLO SA empresa en la cual me desenvolviacutea en el departamento de
proyectos fue adjudicada la licitacioacuten y fue asignado el proyecto de disentildeo y
construccioacuten del sistema de enfriamiento el cual es el objetivo de esta tesis
127
Se utilizaran varios programas computacionales como Inventor 10 ESP plus
con el fin de utilizarlos en la praacutectica con mayor destreza para solucionar
problemas
CAPITULO 1
1 GENERALIDADES 11 Descripcioacuten del Sistema de Poder de los Submarinos
A fin de clarificar ciertos aspectos importantes para comprender el sistema de
propulsioacuten de los submarinos se realizaraacute una breve descripcioacuten generalizada de
este tipo de buque
El submarino tipo U ndash 209 es un buque disentildeado exclusivamente para
operar bajo el agua esta afirmacioacuten puede parecer redundante pero
es necesaria para diferenciar los submarinos modernos de los usados
durante la primera y segunda guerras mundiales que era propiamente
128
ldquosumergiblesrdquo es decir los buques con capacidad de permanecer
periodos relativamente cortos bajo la superficie esto explica el disentildeo
de estos con cantildeones en cubierta para la defensa aeacuterea y de
superficie
Hasta la llegada de la propulsioacuten nuclear marina la mayoriacutea de los submarinos del
siglo XX usaron bateriacuteas eleacutectricas para la navegacioacuten subacuaacutetica y motores de
combustioacuten interna para la superficie y recargar las bateriacuteas Los primeros modelos
usaban gasolina como combustible pero pronto se sustituyoacute por parafina y luego
gasoacuteleo gracias a su menor inflamabilidad La combinacioacuten diesel-eleacutectrico se
convertiriacutea en el medio de propulsioacuten estaacutendar Inicialmente el motor diesel o gasolina
y el eleacutectrico separados por embragues estaban en el mismo eje e impulsaban el
propulsor Esto permitiacutea que el primero usase al segundo como generador para
recargar las bateriacuteas e impulsar tambieacuten al submarino si era necesario Cuando el
submarino se sumergiacutea se desembragaba el motor diesel de forma que se usase el
eleacutectrico para girar la heacutelice El motor eleacutectrico puede tener maacutes de un inducido sobre
el eje estando eleacutectricamente acoplados en serie para velocidades bajas y en
paralelo para velocidades altas
129
12 Caracteriacutesticas Principales del Submarino U ndash 209
Desplazamiento
(sumergidos)
1285 Ton
Dimensiones 559 6355 m
Propulsioacuten 4 MTU MD 12V992 Tb 90
diesel de 600 CV un
Siemens eleacutectrico de
5000 CV y 4
generadores eleacutectricos
de 405 Kw
Tipo Submarino diesel
eleacutectrico de ataque SSK
Astillero de origen Howaldtswerke Kiel
Alemania
Desplazamiento 1265 ton (superficie)
1396 ton (inmersioacuten)
Casco Acero naval reforzado
Celdas 480 de 11500 Amp ndash h y
un peso total de 257 ton
Combustible 108 ton
Profundidad
maacutexima
500 metros
Armamento 553 mm torpedos en
tubos (14) misil Sub-
130
Harpoon
Tripulacioacuten 33
TABLA 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U ndash 209
El submarino posee 4 bateriacuteas de 120 celdas cada una
Cada celda estaacute disentildeada para almacenar cargas con voltajes que no
exceden los 275 voltios de corriente continua Las 120 celdas estaacuten
conectadas en serie esto para cada bateriacutea
FIGURA 11 PARTES CONSTITUTIVAS DEL SUBMARINO U -209
13 Proceso de Carga y Descarga de las Bateriacuteas en el Submarino
131
Para activar las bateriacuteas antes de ser puestas en operacioacuten se
requiere que se cumpla un determinado procedimiento el cual
implica periodos de carga y descarga de acuerdo a un plan
establecido
131 Anaacutelisis del Sistema Operativo de las Bateriacuteas
El suministro de energiacutea eleacutectrica dentro del buque tiene un solo
responsable estas son las celdas del buque
Primeramente entieacutendase por celdas al elemento unitario de
energiacutea eleacutectrica del buque que baacutesicamente es un acumulador de
plomo y aacutecido o pila secundaria que puede recargarse invirtiendo
la reaccioacuten quiacutemica
La celda electroliacutetica que describiremos a continuacioacuten el
acumulador de plomo
Estos acumuladores constan de una serie de placas de plomo
dispuestas una al lado de la otra y separadas entre siacute por medio de
los separadores
Las placas son unas rejillas rectangulares en las que se efectuacutea
una transformacioacuten de energiacutea quiacutemica en eleacutectrica o viceversa
seguacuten se descargue o cargue repetidamente el acumulador
132
Existen dos clases de placas las positivas constituidas a base de
peroacutexido de plomo cuyo color es negruzco y las negativas
constituidas de plomo combinado con materiales inertes que no
intervienen en la transformacioacuten generalmente antimonio Al
peroacutexido de plomo y al plomo que componen las placas se les
denomina materia activa del acumulador
Las placas positivas estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute
mediante una barra o laacutemina metaacutelica denominada puente de
unioacuten Lo mismo ocurre para las placas negativas Sobre ambos
puentes se hallan los bornes del acumulador uno positivo y otro
negativo
El conjunto de placas positivas y negativas alternadas se
encuentran sumergidas en agua acidulada que es una mezcla de
acido sulfuacuterico y agua que hace las veces de electrolito
En las condiciones hasta ahora descritas el acumulador se halla
cargado es decir que si entre sus bornes conectamos un
consumidor por ejemplo una laacutempara por ella circula corriente y
por tanto se encenderaacute ello es debido a que entre sus placas de
peroacutexido de plomo y de plomo existe una diferencia de potencial
capaz de producir corriente eleacutectrica cuando circula esta corriente
a traveacutes de un consumidor el acumulador se estaacute descargando
133
Durante dicha descarga para la corriente desde la placa positiva a
la negativa por el por el receptor o consumidor exterior a la bateriacutea
y por el interior desde la placa negativa a traveacutes del electrolito a la
placa positiva
Al pasar la corriente por el electrolito se descompone la moleacutecula
del aacutecido sulfuacuterico en dos iones (SO4-) y (2H+) con cargas
negativas y positivas respectivamente que reaccionan formando
en la placa positiva peroacutexido de plomo (PbO2) mas agua en el
recipiente Esta agua se genera porque el oxiacutegeno liberado de la
placa positiva del peroacutexido de plomo se combina con el hidroacutegeno
descompuesto del aacutecido sulfuacuterico
De la misma manera se forma sulfato plumboso en la placa
negativa y agua en el recipiente La reaccioacuten de la descarga la
podriacuteamos resumir asiacute
134
A medida que se va descargando la concentracioacuten de aacutecido
sulfuacuterico en el electrolito va disminuyendo lo que origina que sea
menos conductor provocando este fenoacutemeno un aumento de la
resistencia interior en el elemento lo que produce una caiacuteda de
tensioacuten tan grande que deja la bateriacutea fuera del servicio uacutetil
Cuando ha sido atacado todo el peroacutexido de plomo y todo el plomo
cesa la transformacioacuten y con ella la corriente eleacutectrica el
acumulador descargado incapaz de producir maacutes corriente
eleacutectrica
Si estando el acumulador descargado aplicamos en sus bornes
una diferencia de potencial se produciraacute la electroacutelisis del agua
contenida en el recipiente y las transformaciones que habraacuten
tenido lugar durante la descarga se invertiraacuten es decir en las
placas positivas se transformara el sulfato plumboso en peroacutexido
de plomo y aacutecido sulfuacuterico y en las negativas en plomo y aacutecido
sulfuacuterico con lo que el acumulador quedara nuevamente cargado y
con la facultad de poder suministrar de nuevo corriente eleacutectrica
La reaccioacuten de carga se habraacute efectuado asiacute
135
Estos fenoacutemenos quiacutemicos se llevan a cabo en el interior del
acumulador se va intentar representarlos por una serie de figuras
Por ejemplo en la Figura 12 Se tiene una aproximacioacuten a un
esquema de reaccioacuten quiacutemica durante la descarga del acumulador
La laacutempara representa el aparato consumidor que estaacute recibiendo
energiacutea eleacutectrica en este momento En el interior del acumulador
se estaacuten descomponiendo del modo que indican las flechas las
moleacuteculas de cada uno de los componentes de las placas
conjuntamente y en colaboracioacuten con el electrolito y su
composicioacuten quiacutemica
Obseacutervese como en la parte baja de las placas se produce la
presencia del sulfato de plomo (PbSO4) que es el indicio claro de la
descarga (En este esquema se mantiene el sentido electroacutenico de
la corriente es decir el paso del negativo al positivo tal como
ocurre en la realidad aunque se ha aceptado convencionalmente la
inversa)
136
La descarga total del acumulador llegariacutea a producirse cuando
ambas placas se hallaran saturadas de sulfato de plomo y el
electrolito fuera praacutecticamente formado por agua destilada La luz
dejara de brillar en sentildeal evidente de la falta de energiacutea eleacutectrica
FIGURA 12 ESTADO DE DESCARGA DE UN ACUMULADOR
El proceso de carga podemos verlo en la Figura 13 La colocacioacuten
de un generador de corriente continua entre los bornes del
acumulador hace que la corriente circule entre placas y electrolito
Tal como puede verse en la parte alta de las placas la presencia
del sulfato plumboso (PbSO4) es general lo que indica su estado
descarga pero al paso de la corriente eleacutectrica proveniente del
generador activa una reaccioacuten quiacutemica en la que de nuevo acido
sulfuacuterico se recompone Poco a poco la placa negativa recobra su
137
plomo inicial y la positiva su peroacutexido de plomo mientras el
electrolito aumenta su densidad por encima de los valores casi del
agua que teniacutea en el estado totalmente descargado debido a su
enriquecimiento de acido sulfuacuterico [13]
Estas son pues las transformaciones quiacutemicas mediante las
cuales es posible convertir energiacutea eleacutectrica en energiacutea quiacutemica y
viceversa
FIGURA 13 ESTADO DE CARGA DE UN ACUMULADOR [13]
132 Caracteriacutesticas de las Bateriacuteas
138
A pesar de su diversa constitucioacuten todas las bateriacuteas pueden
ser definidas mediante unas caracteriacutesticas comunes que se
consideran seguidamente
Resistencia interna- Formada por la resistencia oacutehmica
de sus componentes (terminales electrodos soportes y
electrolito) y por una resistencia virtual variable en funcioacuten
del estado de carga y de las distintas polarizaciones y
concentraciones Aumenta con las bajas temperaturas
con la descarga de la bateriacutea y con el envejecimiento
Rendimiento- Es la relacioacuten entre la energiacutea
suministrada durante la descarga y la que se necesita
para cargar plenamente la bateriacutea Las peacuterdidas en una
bateriacutea se deben sobre todo a una produccioacuten de energiacutea
caloriacutefica en los procesos quiacutemicos que tienen lugar
durante la carga y descarga
Velocidad de carga y descarga - Las corrientes de
carga y descarga a menudo se especifican con unos
teacuterminos que indican la descarga completa en un periacuteodo
continuo de una hora Estos teacuterminos son los regiacutemenes C
y sus muacuteltiples y submuacuteltiplos son un medio muy coacutemodo
para especificar las velocidades de carga y descarga Por
tanto 10C es la corriente que descarga la bateriacutea en seis
139
minutos mientras que C10 es la corriente que descarga
la bateriacutea en diez horas
Vida uacutetil - La vida uacutetil de una bateriacutea no se mide en antildeos
sino por la cantidad de ciclos de carga - descarga que es
capaz de realizar Asiacute si se la somete a un reacutegimen de
trabajo de muchos ciclos diarios probablemente soacutelo
duraraacute unos meses mientras que si el reacutegimen es de un
ciclo al diacutea o incluso maacutes lento (como ocurre en el caso de
iluminacioacuten de viviendas con energiacutea solar) la bateriacutea
puede durar al menos diez antildeos
133 Capacidad de una Bateriacutea
Es la cantidad de electricidad que puede entregar cuando se
descarga antes de que su tensioacuten disminuya por debajo de un
nivel miacutenimo Su siacutembolo es C y se expresa en A - h Otro
factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una bateriacutea
es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten quiacutemica
que tiene lugar en el acumulador se acelera demasiado y la
vida se acorta Si la temperatura es baja la vida se prolonga
pero si baja demasiado puede correr el riesgo de congelacioacuten
En este caso lo mejor seraacute mantener la bateriacutea en un nivel de
140
carga alto ya que cuanto mayor sea la concentracioacuten del
electrolito el punto de congelacioacuten seraacute maacutes bajo
La capacidad de una bateriacutea variacutea seguacuten el reacutegimen de
descarga aumenta a medida que la descarga es maacutes lenta y
disminuye cuando esta es maacutes raacutepida
Por esta razoacuten el valor de C debe venir referenciado con el
tiempo de descarga
FIGURA 14 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
REGIMEN DE DESCARGA [13]
Un incremento de la temperatura dentro de unos liacutemites
aumenta la actividad de los procesos quiacutemicos y por lo tanto
la capacidad de la bateriacutea Por el contrario a bajas
temperaturas la actividad quiacutemica es menor y la capacidad
disminuye considerablemente
141
FIGURA 15 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN LA
TEMPERATURA [13]
La historia de la bateriacutea afecta tambieacuten a la capacidad Si una
bateriacutea lleva un largo periacuteodo sin ser recargada en toda su
capacidad se produce un efecto memoria que impide que
recupere su capacidad nominal siendo necesarios varios
ciclos de carga y descarga para recuperarla El
envejecimiento de una bateriacutea merma su capacidad y va
disminuyendo a lo largo de su vida en funcioacuten del servicio de
carga - descarga a que sea sometida Para el caacutelculo de la
capacidad nominal necesaria hay que tener en cuenta la vida
uacutetil que se desea para la bateriacutea si se desea una vida uacutetil de
142
3 antildeos y el fabricante indica que al final de este periacuteodo soacutelo
se mantiene el 50 de la capacidad habraacute que utilizar una
bateriacutea de capacidad doble a la estimada necesaria
FIGURA 16 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
NUacuteMERO DE CICLOS [13]
Ademaacutes de los ciclos de carga - descarga tambieacuten hay que
considerar la profundidad de la descarga media que se
produce en cada uno de ellos Si dicha descarga es
moderada y soacutelo de vez en cuando se alcanza una
profundidad elevada el nuacutemero de ciclos que soportaraacute las
bateriacuteas seraacute elevado A medida que se la someta a
descargas maacutes profundas el nuacutemero de ciclos que podraacute
realizar y por tanto su vida uacutetil iraacute disminuyendo En
143
cualquier caso la profundidad de descarga maacutexima admisible
para un acumulador plomo - aacutecido es del 80
FIGURA 17 VARIACION DE LA VIDA UTIL EN FUNCION
DE LA DESCARGA [13]
Con un reacutegimen de descarga diaria del 25 de su capacidad
y un 80 de descarga 2 veces al antildeo (condiciones que
normalmente se dan en una instalacioacuten fotovoltaica) la
bateriacutea solar puede alcanzar una vida uacutetil de maacutes de 11 antildeos
Otro factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una
bateriacutea es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten
quiacutemica que tiene lugar en el acumulador se acelera
demasiado y la vida se acorta Si la temperatura es baja la
144
vida se prolonga pero si baja demasiado puede correr el
riesgo de congelacioacuten En este caso lo mejor seraacute mantener
la bateriacutea en un nivel de carga alto ya que cuanto mayor sea
la concentracioacuten del electrolito el punto de congelacioacuten seraacute
maacutes bajo
Las mayores formas de acortar la vida uacutetil de un acumulador
son
someterlos a cargas y descargas violentas y repetidas
descargarlo hasta el agotamiento
trabajar a temperaturas extremas
134 Autodescarga
La autodescarga de una bateriacutea consiste en la peacuterdida de
energiacutea por reaccioacuten entre los materiales que forman los
elementos de la bateriacutea en condiciones de circuito abierto es
decir cuando no hay carga alguna conectada al circuito de la
bateriacutea Depende del tipo de bateriacutea y muy directamente de la
temperatura aumentando con esta Por ello y dado que los
valores estaacutendar suelen venir referidos a una temperatura
145
media (unos 20 oacute 25ordmC) es preciso tener en cuenta que este
factor puede alterarse en algunos casos
FIGURA 18 VARIACION DE LA CAPACIDAD POR
AUTODESCARGA [13]
La autodescarga hay que considerarla como un consumo
adicional que demanda un cierto porcentaje de energiacutea
almacenada Su valor es aproximadamente de un 05 a un
1 diario en bateriacuteas plomo - aacutecido
146
135 Almacenamiento
Los fabricantes suelen dar recomendaciones para el almacenamiento
Mostramos las condiciones recomendadas para aplicaciones solares
en la tabla siguiente
TABLA 12 PARAMETROS DE ALMACENAMIENTO [18]
Las bateriacuteas almacenadas llenas y cargadas requieren un periodo de
recarga antes de su instalacioacuten El fabricante debe proporcionar las
instrucciones acerca de los intervalos y meacutetodos en los que debe
efectuarse
La exposicioacuten a alta temperatura y humedad durante el
almacenamiento puede ocasionar una peacuterdida de capacidad La
temperatura de una bateriacutea guardada en un recipiente expuesto a la
luz directa del sol puede subir a 60 degC o maacutes durante el diacutea
147
136 Principales Meacutetodos de Carga
La vida uacutetil de una bateriacutea y sus prestaciones dependen
directamente de los procesos de carga a los que es sometida
Por esta razoacuten hay que seguir en cada caso las
recomendaciones que da el fabricante
Los principales meacutetodos de carga son
1 Tensioacuten constante
2 Corriente constante
3 Corriente descendente
4 Dos niveles de tensioacuten constante
Tensioacuten constante
El meacutetodo de carga a tensioacuten constante es el maacutes usado para
cargar bateriacuteas de plomo - aacutecido Consiste en aplicar una
tensioacuten constante de 23 24 oacute 25 Velemento limitando la
corriente inicial de carga a 01C oacute 02 C amperios siendo C la
capacidad de la bateriacutea en amperios - hora El tiempo de
carga va de 40 horas a 10 horas y la tensioacuten debe regularse
seguacuten la temperatura ambiente si la temperatura es alta la
tensioacuten de carga debe ser baja y viceversa
148
Algunos fabricantes admiten la utilizacioacuten de este meacutetodo sin
limitacioacuten de corriente pues sus bateriacuteas estaacuten
dimensionadas para fuertes corrientes En este caso si se
inicia el proceso con 23Velemento la corriente inicial
despueacutes de una descarga profunda seraacute de 3C amperios y de
un 05C durante un periacuteodo largo
Corriente constante
El meacutetodo de carga a corriente constante es recomendado
por algunos fabricantes para las bateriacuteas de niacutequel - cadmio
limitando la corriente entre 025C y 005C amperios En el
caso de carga profunda se admiten corrientes de 1C
amperios pero vigilando la tensioacuten de la bateriacutea o la
temperatura
La carga a corriente constante se utiliza como carga de
igualacioacuten en bateriacuteas plomo - aacutecido para corregir diferencias
de capacidad entre las bateriacuteas de un mismo grupo Para
evitar una sobrecarga que destruya la bateriacutea es necesario
terminar cuando la bateriacutea alcance su maacutexima capacidad
149
Corriente descendente
Es el sistema de carga maacutes econoacutemico y es utilizado por
algunos fabricantes para sus bateriacuteas niacutequel - cadmio
Consiste en una carga sin regulacioacuten limitada por una
resistencia serie que en algunos casos es la propia
resistencia del devanado del transformador de alimentacioacuten
A medida que la bateriacutea se va cargando la corriente de carga
va descendiendo gradualmente Es un meacutetodo antiguo y muy
peligroso porque la tensioacuten y corriente de carga dependen de
las fluctuaciones de la corriente de la red con lo que existe
riesgo impliacutecito de sobrecarga
Dos niveles de tensioacuten constante
Es el meacutetodo recomendado para cargar una bateriacutea de plomo
- aacutecido hermeacutetica en un periacuteodo corto de tiempo y mantener la
bateriacutea en plena carga en situacioacuten de flotacioacuten Inicialmente
se carga a un nivel alto de tensioacuten (245Velemento)
limitando la corriente A partir de que esta disminuya por
debajo de un nivel se pasa a tensioacuten constante permanente o
de flotacioacuten Este meacutetodo es el maacutes eficiente pues minimiza el
tiempo de carga y la bateriacutea queda protegida de sobrecargas
150
Despueacutes de una descarga profunda es necesario un tiempo
de carga maacutes largo de lo normal Inicialmente la corriente que
admite la bateriacutea es baja ya que la resistencia interna tiene
un valor elevado y no adquiere su valor normal hasta pasados
unos 30 minutos Por este motivo es necesario inhibir el
control durante este periacuteodo de tiempo pues el cargador
podriacutea suponer que la bateriacutea estaacute cargada y dejarla en
flotacioacuten
137 Control de Carga
Para mantener el rendimiento oacuteptimo de una bateriacutea es esencial que
su carga se controle adecuadamente Al comienzo del ciclo de carga la
corriente deberiacutea limitarse para asegurar que no se produzca
generacioacuten de gases a causa de un voltaje excesivo aplicado al vaso
mientras la capacidad se recupera la corriente de carga debe
limitarse para mantener el voltaje de los vasos en el umbral requerido
para la generacioacuten de gases o ligeramente inferior una vez
recuperada la plena capacidad se deberiacutea aplicar una carga final a
corriente constante por un periacuteodo de tiempo fijo (carga de
igualacioacuten) Aunque estas condiciones no puedan lograrse
praacutecticamente en los sistemas de energiacutea fotovoltaica hay ciertas
151
circunstancias que se necesitan para minimizar el mantenimiento y
mantener la vida de la bateriacutea Los paraacutemetros del regulador tendraacuten
en cuenta los efectos del disentildeo del generador fotovoltaico la carga
la temperatura y los valores liacutemite recomendados para proteger la
bateriacutea Las de plomo-aacutecido o de niacutequel-cadmio tendraacuten el electrolito
suficiente para cubrir el periacuteodo entre por lo menos las visitas de
mantenimiento planificadas [13]
La sobrecarga excesiva no aumenta la energiacutea almacenada en la
bateriacutea En cambio la sobrecarga afecta al intervalo de servicio
debido al consumo de agua destilada en las bateriacuteas aacutecidas como
resultado de la generacioacuten de gases Para minimizar este efecto el
voltaje de regulacioacuten de la carga debe compensarse con los cambios
en la temperatura del electrolito ya que esto afecta directamente al
umbral de voltaje de generacioacuten de gases Contrariamente a esto la
estratificacioacuten puede ocurrir en bateriacuteas de electrolito liacutequido
particularmente en sistemas fotovoltaicos doacutende la insolacioacuten es a
menudo insuficiente para proporcionar generacioacuten de gases durante
el funcionamiento normal La estratificacioacuten se produce cuando capas
menos densas de electrolito se depositan sobre capas maacutes densas
situadas en el fondo de los vasos lo que produce una reduccioacuten de
152
capacidad Esto puede corregirse con la agitacioacuten que se produce
durante el proceso de gasificacioacuten Por consiguiente el proceso de
regulacioacuten de carga debe disentildearse para promover la generacioacuten de
gases a intervalos regulares Esto puede lograrse elevando el voltaje
de control de carga durante un periacuteodo y restablecieacutendolo una vez
que se ha producido la generacioacuten de gases
138 Administracioacuten de la Temperatura en las Bateriacuteas
Limites de temperatura de operacioacuten
Todas las bateriacuteas dependen para su funcionamiento de un proceso electroquiacutemico
ya sea en carga o descarga y sabemos que estas reacciones quiacutemicas son en alguna
manera dependientes de la temperatura La capacidad nominal de una bateriacutea se
especifica usualmente en alguacuten punto dentro del rango de trabajo entre +20ordmC hasta
+30ordmC (+68ordmF ~ +86ordmF) sin embargo la capacidad real puede desviarse
substancialmente del valor nominal si la bateriacutea es forzada a trabajar a mayores o
menores temperaturas (Figura 18) La Ley de Arrhenius dice que la velocidad a la
cual una reaccioacuten quiacutemica se produce incrementa exponencialmente seguacuten la
temperatura aumenta Esto permite que se extraiga mayor potencia de la bateriacutea en
un instante a mayores temperaturas que la de trabajo Al mismo tiempo las mayores
temperaturas aumentan la movilidad de los electrones o iones reduciendo asiacute la
impedancia interna de la celda por consiguiente aumentando su capacidad Sin
embargo en el extremo superior de la escala las altas temperaturas pueden
tambieacuten iniciar reacciones quiacutemicas no deseadas o irreversibles yo peacuterdida de
electrolito lo cual puede causar un dantildeo permanente o falla completa de la bateriacutea
En el extremo inferior de la escala el electrolito se puede congelar fijando un liacutemite
153
para la capacidad a bajas temperaturas Por debajo del punto de congelamiento del
electrolito la capacidad de la bateriacutea comienza a deteriorarse seguacuten la velocidad de
la reaccioacuten quiacutemica se reduce Auacuten cuando una bateriacutea esteacute especificada para
trabajar bajo los -20ordmC oacute -30ordmC la capacidad a 0ordmC y por debajo de este punto de
disminuye considerablemente Debemos tomar en cuenta que el liacutemite inferior de
temperatura de trabajo de una bateriacutea puede depender de su estado de carga Un
sistema real puede por lo tanto necesitar ambos calentamiento y enfriamiento
ambiental forzado para mantenerlo no soacutelo dentro de los rangos liacutemite de trabajo
especificado por el fabricante sino dentro de un rango maacutes limitado para alcanzar
desempentildeo oacuteptimo
FIGURA 18 CAPACIDAD DE CARGA DE BATERIAS PLOMO ndash ACIDO A
DIFERENTES TEMPERATURAS
Efectos teacutermicos externos
154
Efectos teacutermicos externos La condicioacuten teacutermica de la bateriacutea es tambieacuten dependiente
de su ambiente Si su temperatura estaacute sobre la temperatura ambiente perderaacute calor
por efecto de la conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten Si la temperatura ambiente es
mayor la bateriacutea absorberaacute calor de sus alrededores
Cuando la temperatura ambiente es muy alta el sistema de manejo de la
temperatura debe trabajar muy duro para mantener la temperatura bajo control Una
sola celda puede trabajar muy bien a la temperatura ambiente de una sala por siacute
sola pero si es parte de un paquete de bateriacuteas rodeada de celdas similares todas
generando calor auacuten si la carga es la misma para todas podriacutea exceder sus liacutemites
de temperatura
FIGURA 19 REACCION EXOTERMICA
155
CAPITULO 2
2 DESCRIPCIOacuteN DEL PROBLEMA
Las unidades navales de la Armada del Ecuador dentro de los escenarios
en tiempo de paz y conflicto una de sus principales funciones es de
mantener los equipos y sistemas operativos como parte fundamental en
la operatividad como parte de estas funciones la Direccioacuten de
Mantenimiento de la institucioacuten es la encargada de realizar el cambio de
las bateriacuteas del Escuadroacuten de submarinos de que son las encargadas
suministrar energiacutea eleacutectrica a todo el submarino
156
Se adquiere una remesa de 960 bateriacuteas nuevas para eacutel los submarinos
a la empresa alemana Hawker GMBH ya que es necesario se efectuacutee la
remocioacuten de las bateriacuteas por cuanto su tiempo de vida uacutetil fue alcanzado
en el antildeo 2006 estos equipos vienen realizados sus pruebas de control
de calidad pero no vienen eleacutectricamente cargadas por lo que se
requiere realizar la operacioacuten de activacioacuten en tierra antes de ser puestas
en los submarinos
Para esto se requiere construir un sistema que permita la carga de 120
bateriacuteas a la vez Como se analizoacute en el Capitulo 1 existen tres
paraacutemetros que se debe controlar en el momento de carga o activacioacuten
de estos elementos que son
Voltaje
Corriente
Temperatura
El paraacutemetro de voltaje es necesario conocerlo para saber cuando las
celdas necesitan recargarse o cuando una de las celdas esta averiada y
tomar las acciones necesarias para continuar con el procedimiento de
activacioacuten de los elementos
157
El paraacutemetro de la corriente es necesario conocerlo para saber queacute
cantidad de energiacutea eleacutectrica estaacute entregando o recibiendo las celdas y
de esta manera conocer los amperios ndash hora que estaacute recibiendo las
celdas
El paraacutemetro de temperatura es criacutetico y es el paraacutemetro que esta tesis
estaacute encargada de controlar en este proceso de activacioacuten ya que se
desprende hidrogeno y sabiendo que el hidrogeno es un gas inflamable y
que al combinarse con el oxigeno en un determinado porcentaje es
detonante por este motivo se debe tener estricto control en la
temperatura de las celdas y de la concentracioacuten de hidrogeno en el aacuterea
de activacioacuten
El resultado de los efectos termo-eleacutectricos y termo-quiacutemicos posiblemente aumentados por las
condiciones ambientales es generalmente un aumento en la temperatura y como se dijo
anteriormente esto provocaraacute un incremento exponencial en la velocidad a la cual la reaccioacuten
quiacutemica se da Tambieacuten sabemos que si el aumento de temperatura es excesivo muchas cosas
desagradables pueden suceder
Los quiacutemicos activos se expanden causando que la celda se
ldquohincherdquo
Distorsiones mecaacutenicas en los componentes de la celda pueden
provocar corto circuitos o circuitos abiertos
158
Pueden darse reacciones quiacutemicas irreversibles las cuales
causaraacuten una reduccioacuten permanente en los quiacutemicos activos y por
lo tanto en la capacidad de la celda
Operacioacuten prolongada a altas temperaturas puede causar roturas
en partes plaacutesticas de la celda
Se expeleraacuten muchos gases de la celda debido a lo cual aumenta
la presioacuten dentro de esta lo que puede llevar eventualmente a una
ruptura o explosioacuten de la misma
Se podriacutean liberar quiacutemicos toacutexicos o inflamables
21 Requerimientos para el Proceso de Enfriamiento de las
Bateriacuteas de los Submarinos
Las bateriacuteas son colocadas en un cuarto de activacioacuten designado por la Armada del
Ecuador este cuarto debe ser adecuado para colocar 240 bateriacuteas colocadas sobre
plataformas de carga 4 unidades por plataforma en fila cada bateriacutea debe ser enfriada
de acuerdo a los paraacutemetros especificados por el fabricante
159
FIGURA 21 TRABAJOS PRELIMINARES
El enfriamiento de los elementos de la bateriacutea se consigue haciendo pasar el agua
destilada a traveacutes de los polos negativos y positivos que son huecos pasando desde
aquiacute a traveacutes de tuberiacuteas de salida hacia la tuberiacutea principal
Salida de agua
destilada caliente
Ingreso de agua
destilada friacutea
Salida de agua
destilada caliente
160
FIGURA 22 ESQUEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIA POR MEDIO DE AGUA
DESTILADA
22 Condiciones Teacutecnicas para la Activacioacuten de las Bateriacuteas de
Los Submarinos
Por lo que debe cumplirse con los programas de carga y descarga
siendo la temperatura un paraacutemetro a controlar principalmente en
el periodo de carga
Carga 10 h 590 A 5900 A-h
40 h 435 A 17400 A-h
Ingreso de agua
destilada friacutea
161
4 h Pausa
18 h 200 A 3600 A-h
Descarga 16 h 564 A
Carga aprox 31 h Carga Factor carga 125
27 Cargar 2h 200 A1h pausa
Descarga 20 h 564 A
Carga aprox 36 h Cargar IUI
TABLA 21 PROGRAMA DE CARGA ELECTRICA PARA LA ACTIVACION DE LAS
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
23 Alternativas de Solucioacuten
Los procesos de enfriamiento del agua se cuentan entre los maacutes antiguos que haya
desarrollado el hombre Por lo comuacuten el agua se enfriacutea exponiendo la superficie al aire
Algunos de estos procesos son lentos como el enfriamiento del agua en la superficie
de un estanque otros son comparativamente raacutepidos por ejemplo el rociado de agua
hacia el aire todos estos procesos implican la exposicioacuten de la superficie del agua al
aire en diferentes grados
Al enfriar agua es importante tener en cuenta consideraciones que mejoraran al modo
de enfriamiento del agua y que pueden significar un mayor rendimiento en el proceso
industrial Por esta razoacuten los meacutetodos de enfriamiento pueden ser mejorados en base a
estudios preliminares que cumplen con las normas existentes
162
El agua en estado puro no existe y dependiendo de la fuente de donde provenga
contiene un sin nuacutemero de impurezas a continuacioacuten enlistaremos solo las que nos
afectan en el tratamiento interno de los sistemas de enfriamiento
Constituyente Formula Quiacutemica
Dificultad de causa
Dureza Sales de Ca y Mg Fuente principal de incrustaciones en tuberiacuteas
Acidez mineral H2SO4
Libre HCl Corrosioacuten
Dioacutexido de carbono CO2 Corrosioacuten en las liacuteneas de agua
Sulfatos
SO4
Aumenta el contenido de soacutelidos en el agua Se combina con calcio para formar sales incrustantes de sulfato de calcio
Cloruros
Cl como NaCl
Aumento el contenido de soacutelidos e incrementa el caraacutecter corrosivo del agua
Siacutelice
SiO2
Incrustacioacuten en sistemas de agua de enfriamiento
Hierro Fe +2 ferroso
Fe +3 feacuterrico
Fuente de depoacutesitos en las tuberiacuteas
Oxigeno O2 Oxidacioacuten en tuberiacuteas
Sulfuro de hidrogeno H2S Corrosioacuten
Soacutelidos disueltos Elevadas concentraciones de soacutelidos son indeseables debido a que originan formacioacuten de lodos
Soacutelidos suspendidos Originan depoacutesitos en equipos intercambiadores de calor y tuberiacuteas ocasionan formacioacuten de lodos o incrustaciones
Microorganismos Algas limo y hongos
Formacioacuten de adherencia suciedad bioloacutegica corrosioacuten olores desagradables
TABLA 22 IMPUREZAS MAS COMUNES EN EL AGUA QUE AFECTAN LOS
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
De acuerdo a las especificaciones indicadas anteriormente
principalmente se requiere remocioacuten de calor de las bateriacuteas
163
mientras estas se encuentran en el proceso de activacioacuten en tierra
para la cual se plantea algunas alternativas de varios sistemas de
enfriamiento para posteriormente escoger la maacutes oacuteptima
231 Sistema de enfriamiento directo
Las instalaciones donde se van a colocar las bateriacuteas para ser
activadas estaacuten cerca del estero para lo cual se analizaran
ventajas y desventajas de utilizar este sistema
E-1
Agua de mar
Cuarto de
activacion de
baterias
FIGURA 23 ESQUEMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
DIRECTO
Ventajas
Se tiene agua permanente y en gran cantidad tomada desde
el estero
164
No se requiere instalaciones hidraacuteulicas complicadas
Desventajas
El agua que debe ingresar al sistema de enfriamiento de las
bateriacuteas debe ser esteacuteril pero el agua del estero contiene
cantidades apreciables de sales disueltas lo que implica el
que se tendriacutea que pensar en una planta de tratamiento de
agua
El agua caliente que sale como producto de la remocioacuten de
calor retorna al estero se presenta el problema de
contaminacioacuten teacutermica que puede ser tan grave como
cualquier otra forma de contaminacioacuten ya que el agua tibia
estimula el crecimiento anormal de algas que en cierto modo
consume el oxigeno de uso animal
232 Sistema de enfriamiento para Bateriacuteas de Submarino
utilizando Intercambiadores Enfriados por Aire
Consiste en una serie de tubos situados en una corriente de
aire que puede ser forzada con ayuda de un ventilador
Ventajas
Los tubos suelen tener aletas para aumentar el aacuterea de
transferencia de calor
165
Pueden ser de hasta 12 m de largo y 25 a 5 m de ancho
Un intercambiador de aire tiene una diferencia de
temperatura de unos 12 oC
Desventajas
En un intercambiador de calor enfriado por aire hay que
considerar gastos de enfriamiento del agua es
relativamente caro
E-1
Cuarto de activacion de
baterias
E-2
FIGURA 24 ESQUEMA DE SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
UTILIZANDO INTERCAMBIADORES ENFRIADOS POR AIRE
233 Sistema de Enfriamiento de Bateriacuteas de Submarino
Utilizando Chiller
Un Chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea
para el enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor
generado en un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que
el proceso finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su
temperatura y el agua durante el paso por el proceso la eleva
El agua ahora caliente retorna al chiller donde nuevamente se reduce su
temperatura para ser enviada nuevamente al proceso
166
Ventajas
El chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten
Alimentacioacuten al sistema con diferentes caudales y presiones y temperaturas
de agua
Alto rango de enfriamiento inclusive temperaturas de congelacioacuten con
adicioacuten de anticongelantes
Desventajas
Mantenimiento costoso ya que incluye un compresor un condensador
evaporador vaacutelvula de expansioacuten refrigerante y tuberiacuteas
Consumo de energiacutea
CHILLER
ENFRIADOR DE AGUA
DESTILADA
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
FIGURA 25 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIAS PARA
SUBMARINO UTILIZANDO UN CHILLER
234 Sistema de Enfriamiento Utilizando Intercambiador de
Calor y Torre de Enfriamiento
167
Ventajas
Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para
enfriar un fluido que esta maacutes caliente de lo deseado
transfiriendo este calor a otro fluido que esta frio y
necesita ser calentado
La transferencia de calor se realiza a traveacutes de una
pared metaacutelica o de un tubo que separa ambos fluidos
Las torres para enfriamiento de agua son dispositivos
cuya finalidad es extraer calor del agua a traveacutes del
contacto directo con el aire
Las torres tienen muacuteltiples aplicaciones desde
pequentildeas instalaciones de aire acondicionado hasta en
grandes complejos de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
Se puede decir que su uso estaacute justificado en sistemas
que utilizan agua como medio refrigerante donde sea
necesario disipar grandes cantidades de calor a bajo
costo y el salto de temperatura requerido sea del orden
de 10degC
La Armada del Ecuador proporcionara el banco de
tubos de un Intercambiador de Calor en desuso
Desventajas
Sistema ocupa mayor espacio fiacutesico
168
Tiempo de montaje relativamente largo
Sistemas sujetos a mayor corrosioacuten
Alcanza diferenciales de temperatura bajos en relacioacuten
a los otros sistemas
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
INTERCAMBIADOR
DE CALOR
AGUA DE TORRE CALIENTE (SALE
DEL INTERCAMBIADOR)
AGUA DESTILADA
CALIENTE SALE DE
BANCO DE BATERIAS
AGUA FRIA DE
TORRE ENTRA AL
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA FRIA
SALE DE
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA A
TEMPERATURA
ADECUADA (FRIA)
ENTRA A LAS BATERIAS
FIGURA 26 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO UTILIZANDO
INTERCAMBIADOR DE CALOR Y TORRE DE
ENFRIAMIENTO
24 Seleccioacuten de la Mejor Alternativa para el Sistema de
Enfriamiento de las Bateriacuteas
169
Para la seleccioacuten del sistema de enfriamiento para las bateriacuteas
de los submarinos se utilizaraacute una matriz de decisioacuten de
acuerdo a los paraacutemetros descritos anteriormente tomando en
cuenta las ventajas y las desventajas de cada sistema se ha
tomado en cuenta para esta operacioacuten los paraacutemetros maacutes
significativos en el proceso de la solucioacuten del problema
asignando a cada uno un porcentaje de acuerdo a la
importancia que este brinda para escoger la solucioacuten
Para ingresar a la matriz a las alternativas se les reconoceraacute
con sus iniciales
Sistema de enfriamiento directo SED
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador
enfriado por aire
SEIEA
Sistema de enfriamiento utilizando chiller SECh
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador de
calor y Torre de enfriamiento
SEICTE
170
Paraacutemetros
1 Costos de los sistemas de enfriamiento 3
2 Mantenimiento de equipos 4
3 Cumple con especificaciones y requerimientos de la
propuesta 2
4 Facilidad para adquisicioacuten de equipos 3
5 Durabilidad del sistema 1
1 2 3 4 5 Total
3 4 2 3 1
SED 25 2 0 15 05 65
SEIEA 15 10 10 10 05 50
SECh 05 10 10 10 10 45
SEICTE 15 15 15 15 10 70
TABLA 23 MATRIZ DE DECISION
De acuerdo a la matriz de decisioacuten planteada la solucioacuten maacutes
adecuada es la propuesta del sistema de enfriamiento con
intercambiador de calor y torre de enfriamiento
Existen varias torres de enfriamiento que se podriacutean adaptar al
sistema a continuacioacuten se mencionaran cada una de estas para
seleccionarla de por medio de otra matriz de decisioacuten
171
25 Torres de Enfriamiento y su Clasificacioacuten
251 Torres de circulacioacuten natural
Estas no hacen uso de ventiladores para la circulacioacuten de aire se clasifican en
torres atmosfeacutericas
torres de tiro natural
Torres atmosfeacutericas
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Utilizan las corrientes de aire de la atmoacutesfera (son de flujo cruzado)
2 Son abiertas
3 Deben instalarse en lugares muy despejados de forma que ninguacuten obstaacuteculo
pueda impedir la libre circulacioacuten de aire a traveacutes de la torre
4 Tienen un costo inicial alto debido a su gran tamantildeo pero el costo de
mantenimiento es reducido al no existir partes mecaacutenicas moacuteviles
5 Se debe garantizar que funcionaraacute habitualmente expuesta a vientos de
velocidades iguales o superiores a los 8 kmh
6 Si la velocidad promedio del viento es baja los costos fijos y de bombeo
aumentan mucho en relacioacuten a una torre de tiro mecaacutenico y no compensan el
ahorro del costo de ventilacioacuten Actualmente las torres atmosfeacutericas estaacuten en
desuso
172
Torres de tiro natural
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno
2 La diferencia de densidades entre el aire huacutemedo caliente y el aire atmosfeacuterico
es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a traveacutes de la torre
3 La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el
viento que circula por la parte superior de la chimenea tambieacuten ayuda a
establecer el flujo de aire
4 Son altas y deben tener una seccioacuten transversal grande para facilitar el
movimiento del aire ascendente
5 Tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes
caudales de agua
6 Al igual que las torres atmosfeacutericas no tienen partes mecaacutenicas
7 La velocidad media del aire a traveacutes de la torre suele estar comprendida entre 1
y 2 ms
8 No es posible conseguir un valor de acercamiento pequentildeo y es muy difiacutecil
controlar exactamente la temperatura del agua
9 En las torres de tiro -natural no se pueden utilizar rellenos de gran compacidad
debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo maacutes pequentildea posible
10 Estas torres son muy utilizadas en centrales teacutermicas muy pocas veces son
aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversioacuten inicial necesaria
252 Torres de tiro mecaacutenico
1 Proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado
2 Son torres compactas con una seccioacuten transversal y una altura de bombeo
pequentildeas en comparacioacuten con las torres de tiro natural
3 Valores de acercamiento muy pequentildeos (hasta de 1 a 2 ordmC aunque en la
praacutectica acostumbra a ser de 3 a 4 ordmC)
4 Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire el tiro es forzado
173
5 Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire se habla de tiro
inducido
Torres de tiro forzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre
2 Son casi siempre de flujo a contracorriente
3 Son maacutes eficientes que las torres de tiro inducido puesto
que la presioacuten dinaacutemica convertida a estaacutetica realiza un
trabajo uacutetil El aire que se mueve es aire friacuteo de mayor
densidad que en el caso de tiro inducido
4 El ventilador trabaja con aire friacuteo y no saturado
5 El equipo mecaacutenico tendraacute una duracioacuten mayor que en el caso de tiro inducido
6 El inconveniente radica en la posibilidad de recirculacioacuten del
aire de salida hacia la zona de baja presioacuten creada por el
ventilador en la entrada de aire En la siguiente figura se
puede observar la distribucioacuten de sus partes constituyentes
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
174
Flujo de aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 27 TORRE DE ENFRIAMIENTO DE TIRO FORZADO
Torres de tiro inducido
Estas torres son de gran importancia a nivel industrial son solucioacuten econoacutemica
a los requerimientos de enfriamiento pueden ser de dos tipos
De flujo a contracorriente
De flujo cruzado
Torres de tiro inducido y flujo a contracorriente
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Tanto el agua como el aire van en la misma direccioacuten pero en
sentidos opuestos
2 El agua maacutes friacutea se pone en contacto con el aire maacutes seco
lograacutendose un maacuteximo rendimiento
3 El aire puede entrar a traveacutes de una o maacutes paredes de la torre
4 Altura de entrada de aire reducida en comparacioacuten con las de tiro
inducido y flujo cruzado Existe el riesgo de arrastre de suciedad y
cuerpos extrantildeos dentro de la torre debido a la velocidad de
entrada de aire
5 La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se
traduce en un aumento de la potencia de ventilacioacuten en
comparacioacuten con otras torres En la siguiente figura se observa la
distribucioacuten de las partes constituyentes de este tipo de torre
175
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Ducto de salida de aire
Ventilador
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
Bandeja colectora de agua friacutea
Agua friacutea
Acceso de aire friacuteo no saturado
FIGURA 28 TORRE DE FLUJO A CONTRACORRIENTE Y TIRO
INDUCIDO
Torres de tiro inducido y flujo cruzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
176
1 El aire circula en direccioacuten perpendicular respecto al
agua que desciende
2 Tienen una altura menor que las torres de flujo a
contracorriente ya que la altura total de la torre es
praacutecticamente igual a la del relleno Pero su
diaacutemetro o seccioacuten transversal es relativamente
mayor a las de tiro inducido y flujo a contracorriente
3 El mantenimiento de estas torres es menos
complicado que en el caso de las torres a
contracorriente
4 Facilidad de inspeccioacuten de los distintos
componentes internos de la torre
5 La principal desventaja de estas torres es que no
son recomendables para aquellos casos en los que
se requiera un gran salto teacutermico y un valor de
acercamiento pequentildeo puesto que ello significaraacute
maacutes superficie transversal y maacutes potencia de
ventilacioacuten que en el caso de una torre de flujo a
contracorriente
En la siguiente figura se observan sus partes
177
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Depoacutesito
surtidor de agua caliente
Aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 29 TORRE DE FLUJO CRUZADO Y TIRO INDUCIDO
253 Especificacioacuten del Tipo de Torre de Enfriamiento a Usarse
Para seleccionar el tipo de torre de enfriamiento adecuado empleo una matriz de
decisioacuten en la que en la primera fila pondero al costo inicial costo de operacioacuten
tamantildeo compacto facilidad de mantenimiento y sobre todo al espacio requerido
para el montaje como las caracteriacutesticas requeridas para solucionar el problema
Las alternativas de solucioacuten son las 5 clases de torre de enfriamiento a las que
asigno una jerarquiacutea del 1 al 10 en funcioacuten de las caracteriacutesticas dadas en la
anterior clasificacioacuten de las torres de enfriamiento
De la sumatoria de los valores resultantes de la multiplicacioacuten de ponderacioacuten y
jerarquiacutea de cada tipo de torre se elegiraacute al tipo que posea mayor resultado
178
TABLA 25 MATRIZ DE DECISION PARA SELECCIONAR EL TIPO DE TORRE
Es evidente que la mejor opcioacuten es el tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico
y flujo a contracorriente Esto debido a que comparativamente tiene menor tamantildeo
y aacuterea de montaje requerido aunque no posea los menores costos iniciales y de
operacioacuten tal es el caso del tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico forzado
Esta es relativamente maacutes difiacutecil de limpiar y realizar su montaje razoacuten por la que
se descarta
179
CAPITULO 3
3 ANALISIS TEacuteRMICO
31 Descripcioacuten del Sistema
A partir de la figura 26 implica algunos anaacutelisis para el disentildeo del sistema de enfriamiento y es asiacute
que
Las bateriacuteas como se indico en los requerimientos del sistema van a ser cargadas 120 a la vez esto se
lo va a realizar en el galpoacuten asignado por el personal encargado del proyecto por parte de la Armada
del Ecuador
En este sitio tiene capacidad para almacenar 240 bateriacuteas como se vio en los requerimientos
eleacutectricos las bateriacuteas tienen periodos de tiempo de carga y descarga por lo que se requiere realizar
primeramente un disentildeo de un sistema que permita enfriar primeramente a 120 bateriacuteas por un tiempo
y en el periodo de descarga llevar a cargar las 120 bateriacuteas que se encuentran a continuacioacuten
180
FIGURA 31 DISPOCISION DE LAS BATERIAS EN EL CUARTO DE ACTIVACION
Para ello se disentildeo un sistema moacutevil que consta de parrillas suspendidas en ruedas en esta parrilla se
colocara las tuberiacuteas de circulacioacuten de agua destilada friacutea y saldraacute de las bateriacuteas agua destilada
caliente se indica esta disposicioacuten en el Plano 1 la parte del disentildeo de la estructura moacutevil no seraacute
parte de esta tesis
FI
GURA 32 DISPOSICION DE TUBERIA
FIGURA 33 SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO
181
FIGURA 34 DISPOSICION DE BATERIAS EN CUARTO DE ACTIVACION CON SISTEMA DE
DESPLAZAMIENTO
FIGURA 35 SISTEMA MOVIL PARA LLEVAR FLUIDO DE ENFRIAMIENTO A LAS BATERIAS
CONSTRUIDO
182
Una vez que se ha descrito el sistema el cual va a llevar el agua destilada para el enfriamiento de las
bateriacuteas se tiene que describir el sistema de enfriamiento en si del agua destilada para ello la Armada
del Ecuador doto de un intercambiador de calor que por el interior circulara agua destilada caliente para
que por su exterior circule agua friacutea proveniente de la torre de enfriamiento cerrando de esta manera el
circuito cabe notar que el intercambiador de calor es del tipo tubo coraza pero el intercambiador
adquirido no posee su coraza
Antes de hacer el disentildeo se hizo un anaacutelisis de la factibilidad de construir este sistema en nuestro
medio se consulto en el mercado el costo de una torre de enfriamiento adquirida en una empresa
importadora de estos equipos frente al anaacutelisis de una torre que se pueda construir en ERMARLO SA
resultando maacutes conveniente la construccioacuten de la torre y el acondicionamiento en el sistema de
enfriamiento este anaacutelisis se demostrara en el capiacutetulo de costos
32 Datos de Operacioacuten
A) FLUJO
1) Agua destilada
15 m3h
2) Agua de mar
15 m3h
B) PRESION
1) Agua destilada
25 kgcm2
2) Agua de mar
de la torre
C) TEMPERATURA DE
ENTRADA
183
1) Agua destilada
38 0C
2) Agua de mar
28 0C
D) TEMPERATURA DE
SALIDA
1) Agua destilada
3310C
2) Agua de mar
329 0C
E) DATOS DEL AIRE
1) Temperatura de bulbo seco
322 0C
2) Temperatura de bulbo
huacutemedo 788
33 Consideraciones del
Sistema
El sistema se instalara en un
patio al aire libre
El intercambiador de calor
debe permitir facilidades de limpieza y mantenimiento
El agua a usarse para la
torre seraacute agua potable
184
La velocidad del viento en Guayaquil es variable asiacute que el disentildeo de la torre no debe
depender de la velocidad del viento
El intercambiador de calor
dotado por parte de la Armada del Ecuador del tipo de haz de tubos y coraza este
dispositivo no posee la coraza
Para lo cual el
intercambiador de calor se analizara sumergiendo eacutel en la piscina de la torre de
enfriamiento esta disposicioacuten arrancara calor de los tubos del intercambiador para por el
meacutetodo de conduccioacuten teacutermica pasar calor al agua de la torre y hacerla circular
El agua destilada y el agua
de la torre no deben mezclarse
FIGURA 36 DISENO DE FORMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
185
34 Seleccioacuten del
Intercambiador de Calor
Un intercambiador de calor es un dispositivo que efectuacutea la transferencia de calor de un fluido a otro
que se encuentran a diferentes temperaturas y separados por una frontera solida
En forma muy general se pueden clasificar los intercambiadores de calor de acuerdo al tipo de
superficie
FIGURA 36 INTERCAMBIADOR DE HAZ DE TUBOS
186
En la primera etapa se toman en cuenta consideraciones referidas al tipo de intercambio de calor que
se produce En la segunda etapa se obtienen las propiedades de los fluidos en funcioacuten de las variables
conocidas y se calcula el coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A En la tercera etapa se elige
un intercambiador adecuado para este servicio teniendo en cuenta el coeficiente global U el aacuterea de
intercambio A y las caracteriacutesticas de los fluidos y de las corrientes En la cuarta se vuelve a calcular el
coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A Si no coinciden con el intercambiador previamente
elegido se vuelve al paso tres Si coinciden se da por terminado el proceso [2]
341 Meacutetodo F ndash LMTD para Seleccionar el Intercambiador de Calor
El balance de energiacutea da como resultado
[Energiacutea perdida por el flujo caliente]= [Energiacutea ganada por el flujo friacuteo]
O bien
mh ch(Thi ndash Th0) =mc cc(Tci ndash Tc0) Ec1
Donde
m h Flujo maacutesico del fluido caliente
c h Calor especiacutefico del fluido caliente
Thi Temperatura de entrada del fluido caliente
T h0 Temperatura de salida del fluido caliente
m c Flujo maacutesico del fluido friacuteo
c c Calor especiacutefico del fluido friacuteo
T c i Temperatura de entrada del fluido friacuteo
T c0 Temperatura de salida del fluido friacuteo
El producto (mc) aparece con frecuencia en el anaacutelisis de intercambiadores de calor y
es denominado Capacidad caloriacutefica C
C (mc)
Existen dos metodologiacuteas de anaacutelisis teacutermico de intercambiadores de calor
187
1 Meacutetodo F-LMTD
2 Meacutetodo - NTU
A continuacioacuten se presentara el anaacutelisis F-LMTD para la seleccioacuten del intercambiador de
calor
FIGURA 37 DISTRIBUCION DE TEMPERATURAS EN UN INTERCAMBIADOR DE
DOBLE TUBO EN TUBO PARALELO[1]
Se propone calcular el flujo de calor mediante
Ec 2
Donde
q Flujo de calor [W]
U Coeficiente global de transferencia de calor [Wm2K]
A Aacuterea de transferencia de calor consistente con U
Diferencia de temperatura media
188
En la figura 37 se muestra la historia de las temperaturas de los fluidos friacuteos y calientes
de este modo un balance de energiacutea nos da como resultado
Ec 3
Incorporando la capacidad caloriacutefica y arreglando la ecuacioacuten tenemos
= Ec4
Ec5
Restando ambas ecuaciones
Ec6
Sustituyendo la expresioacuten de calor expresada por
Ec7
Se obtiene la siguiente ecuacioacuten diferencial
Ec8
Integrando la ecuacioacuten anterior entre el punto 1 y el 2 se obtiene
Ec9
Si
Ec10
Ec 11
De manera que sustituyendo las ecuaciones anteriores en la ecuacioacuten previamente
integrada S
189
Ec12
Que al despejar de la ecuacioacuten anterior q se tiene
Ec13
De la uacuteltima ecuacioacuten se reconoce
Donde LMTD son las siglas en ingles de Logarithm Mean Temperature Difference
(Diferencia de temperatura logariacutetmica media)
Esta ecuacioacuten se aplica la misma expresioacuten para LMTD tanto en flujo paralelo como en
contra corriente[1]
Asignacioacuten de flujos
Las reglas aplicables para determinar que fluido va por el casco y cual por los tubos son
1- El fluido a mayor presioacuten va en los tubos
2- El fluido maacutes corrosivo va en los tubos
3- Los fluidos maacutes sucios van en los tubos
4- El fluido con menor peacuterdida de presioacuten va en el casco
5- El fluido a condensar en el casco
Diagramas Teacutermicos
Un diagrama teacutermico es la representacioacuten de la temperatura de las corrientes en funcioacuten
del calor transferido o de la longitud Si existe cruce de temperaturas seraacute necesario
utilizar varios intercambiadores en serie
Diferencia de temperatura media corregida
La diferencia media de temperaturas MTD en un intercambiador de calor de tubo coraza
es la diferencia media logariacutetmica de temperaturas multiplicada por un factor F
MTD = F LMTD Ec 14
De la ecuacioacuten 13 tenemos que
190
= Ec15
Siendo T temperatura de fluido caliente t temperatura de fluido frio
1 entrada 2 salida
El factor F se obtiene de las graficas que se daraacuten en el apeacutendice 1 Un valor de F lt 08
no es admisible por disentildeo hay que calcular P y R seguacuten las condiciones
Ec 16
Ec17
SELECCIOacuteN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Se tiene que obtener primeramente el calor removido por el intercambiador de calor para
lo cual se utilizara la ec1
q=mhch∆T Ec 11
Ch=1BTUlb 0F
∆T=88 0F
mh=Qρ Ec 12
donde
Q=15 m3h = 5297 ft
3h
ρ=6199 lbft3 Para 100
oF (ver anexo 1)
Sustituyendo en la ec12
mh=5297 ft3h6199 lbft
3 = 32836103 lbh
por lo tanto sustituyendo valores en la ec 12
q=27182539 BTUh
q=796599 W
191
Con los datos suministrados se seleccionara el intercambiador de calor adecuado
Thi = 1004
T h0 = 9158
m c = 15 h = 6605 GPM
T c i = 824
T c0 = 912
q = 27182539 BTUh
U = 150 BTUpie2
obtenido de la tabla 31
TABLA 31 ESCALA DE PRESION Y VALOR U PARA TIPOS DE
INTERCAMBIADORES DE CALOR[16]
De la Ec 2 obtenemos el aacuterea de transferencia del intercambiador
Ec 18
192
MTD = LMTD F diferencia de temperaturas medias corregidas
LMTD = 918 este valor es obtenido de la Ec 15
Para encontrar el factor de correccioacuten F utilizamos el Apeacutendice C Ingresando los valores
P y R dadas en las ecuaciones 16 y 17 obtenemos
P = 055
R = 117
F = 09
Por lo tanto
MTD = 918 09 = 82
Por la Ec 18 el aacuterea de transferencia de calor es
A = 2209 pie2 = 2052 m
2
Para calcular el nuacutemero de tubos del intercambiador tubo coraza se plantea la siguiente
ecuacioacuten
Ec 19
ardquo es un factor obtenido para el tubo frac34 obtenido del Apeacutendice E y es 0193 piepie2
por
el aacuterea de disponibilidad donde se construiraacute el sistema tiene una longitud de 8 pie
Por lo tanto el nuacutemero de tubos requeridos para el intercambiador de calor es
Nt = 14072 tubos de frac34rdquo
193
TABLA 32 AREA TRANSVERSAL DE FLUJO Y SUPERFICIE PARA
INTERCAMBIADORES DE CALOR [16]
35 Uso de Software para
Seleccioacuten de Intercambiador de Calor
En este punto se pretende realizar un anaacutelisis comparativo de los resultados obtenidos
mediante el meacutetodo analiacutetico frente al uso de un software mediante el cual se
seleccionara el intercambiador de calor requerido para el sistema de enfriamiento que se
trata
El software que se utilizara es el ESP ndash PLUS V 20 HEAT EXCAHANGER este software
daraacute como resultados el tipo de intercambiador de calor que existe comercialmente
FIGURA 38 VENTANA DE INICIO DEL PROGRAMA
194
FIGURA 38 VENTANA DE SELECCIOacuteN DE TIPO DE INTERCAMBIADOR A UTILIZARSE Y LOS
TIPOS DE FLUIDOS
195
FIGURA 39 VENTANA INGRESO DE DATOS TANTO PARA INTERCAMBIADOR COMO PARA EL
FLUIDO CIRCUNDANTE DA COMO RESULTADO LA TAZA DE FLUJO EN GPM
196
FIGURA 310 SE INTRODUCE LOS DATOS DE MATERIALES DEL INTERCAMBIADOR DE
CALOR
197
FIGURA 311 VENTADA EN LA QUE SE INTRODUCE DATOS DE LONGITUD DEL
INTERCAMBIADOR PRESION INTERNA EN LOS TUBOS Y FACTOR DE FRICCION DENTRO DE
LOS TUBOS
198
FIGURA 312 VENTANA RESULTADOS EN LA PRESION DE DISENO MATERIAL DE TAPAS
DEL INTERCAMBIADOR MATERIAL DE LOS TUBOS Y TUBERIA DE INGRESO AL MATERIAL
199
FIGURA 313 VENTANA DE RESULTADOS
200
FIGURA 314 VENTANA DE RESULTADOS
De acuerdo a este software el intercambiador que se va a seleccionar es el WU16 7 ndash 2 4 que es la
denominacioacuten comercial del constructor ITT Bell amp Gosset creador de este software
La denominacioacuten WU 16 7 ndash 2 4 cada letra y nuacutemero tiene su significado teacutecnico que a continuacioacuten se
detalla
WU Serie de intercambiador de calor
16 Diaacutemetro de la coraza del intercambiador en unidades inglesas
7 Longitud de tubo
2 Numero de pasos del intercambiador de calor
201
4 Espaciamiento de bafles
Al realizar el anaacutelisis comparativo con los meacutetodos de seleccioacuten se tiene que por el meacutetodo analiacutetico se
tiene un aacuterea de 221 ft2 frente al software que nos arroja un aacuterea de 274 ft
2 este valor diferencia
notoriamente a que la seleccioacuten del factor U en el meacutetodo analiacutetico se lo selecciono 150 BTUpie2
el
software utiliza y factor de 137 BTUpie2
notando este paraacutemetro relativamente la diferencia de aacuterea
de los dos anaacutelisis serian casi indiferentes con lo que estariacuteamos en capacidad de decidir si el
intercambiador dotado por la Armada Nacional esta dentro de los paraacutemetros requeridos dado que este
consta de 160 tubos en disposicioacuten triangular dando un aacuterea de transferencia de calor de 24707 ft2
certificando de esta manera que el intercambiador que se posee entra en el rango requerido para el
sistema por lo tanto se lo utilizara para el proceso requerido de enfriamiento del fluido caliente extraiacutedo
del banco de bateriacuteas que estaacuten en el proceso de activacioacuten
FIGURA 315 DISPOSICIONES DEL HAZ DE TUBOS [9]
Los resultados obtenidos del software se presentaran en el Anexo 3
36 Disentildeo de la Torre de
Enfriamiento
El proceso de termotransferencia que se produce en una torre para
enfriamiento de agua cualquiera fuese su tipo es el resultado de la
202
interaccioacuten entre el medio gaseoso refrigerante (aire) y el fluido a
enfriar (agua)
En las torres el agua se encuentra en contacto directo con el aire que
la enfriacutea y el proceso de transferencia de calor se realiza en parte por
intercambio de calor sensible entre la fase liacutequida y la gaseosa pero
en mayor medida por la formacioacuten de vapor de agua en la interfase
liacutequidogas y su posterior difusioacuten en el aire que la circunda
El proceso de transferencia de masa entre el liacutequido y el aire estaacute
iacutentimamente conectado con el de transferencia de calor En efecto
con el cambio de fase desde liacutequido a vapor se absorbe calor lo cual
da lugar a gradientes de temperatura en el aire adyacente a la
superficie liacutequida En muchos casos praacutecticos las condiciones en
que se desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse
que la difusividad teacutermica y el coeficiente de difusioacuten maacutesico son
iguales
203
FIGURA 316 IDEALIZACION DEL FENOMENO DE
TRANSFERENCIA [10]
361 Fundamento del Enfriamiento por Evaporacioacuten
El principio fundamental en que se basa el enfriamiento del
agua por evaporacioacuten es en el que el agua para transformarse
en vapor necesita calor (calor latente de vaporizacioacuten) cuyo
valor el alrededor de 1000 BTU lb de agua evaporada valor
que pone en manifiesto que pequentildeas cantidades de agua
evaporada producen altos efectos de enfriamiento
Este calor es tomado principalmente del liacutequido remanente lo
que produce un descenso de su temperatura
La evaporacioacuten se produce poniendo en contacto directo agua
caliente con aire atmosfeacuterico ambiente de humedad relativa
204
baja en dispositivos especiales que variacutean en complejidad
desde piscinas o lagunas abiertas hasta las torres de
enfriamiento de tiro mecaacutenico
Cuando se requiere enfriar raacutepidamente y continuamente
grandes cantidades de agua las torres de enfriamiento son las
teacutecnicas maacutes ventajosas y su funcioacuten principal es la de reducir
la temperatura del agua circulante a los valores maacutes
adecuados seguacuten el tipo de operacioacuten que tenga
Baacutesicamente el funcionamiento de una torre de enfriamiento
convencional es el siguiente
El agua caliente llega por tuberiacuteas a un distribuidor situado en la
parte superior de la unidad a una temperatura Tho luego es
distribuida en forma de pequentildeas gotas a traveacutes de una
instalacioacuten compleja de material de relleno de diferentes tipos y
calidades variando desde madera incorruptible materiales de
fribrocemento PVC ceraacutemica etc los cuales son ubicados en
forma de mallas o enrejados que dispersan la corriente
descendente del liquido y de esta forma obtener una aacuterea
maacutexima de transferencia con el aire atmosfeacuterico el cual entra
por parte inferior de la torre con una temperatura Tci de bulbo
205
seco y una humedad absoluta Yrsquo1 expresada en lb de vapor de
agua lb de aire seco
362 Caacutelculos
Datos para realizar el caacutelculo de la torre de enfriamiento
Flujo a ser enfriado L
66 GPM
Calor removido por el
intercambiador q 27182539 BTUh
Temperatura que
sale del intercambiador de calor para entrar en la torre tL2
9120 0F
Temperatura del
agua requerida luego del enfriamiento en la torre de
enfriamiento tL1 8240 0F
Temperatura de
bulbo huacutemedo tbh 7880 0F
Temperatura de
bulbo seco del aire que entra tG1 7900 0F
Temperatura del
agua de la tuberiacutea de alimentacioacuten a la torre de enfriamiento
tm 8500 0F
206
Con los datos suministrados se desea obtener los siguientes valores
a Valor teoacuterico del coeficiente total de transferencia de masa Kya
b Calculo de la seccioacuten transversal de la torre A
c Calculo del flujo de aire que circula por la torre Gs
d Calculo de la zona empaquetada Z
e Calculo de agua de compensacioacuten M
Para realizar el disentildeo de la torre de enfriamiento se debe seguir
ciertos pasos que daraacuten la pauta para disentildear una torre de
enfriamiento para cualquier necesidad o requerimiento
1 Capacidad de la
Torre de Enfriamiento
q=27182539 BTUh
Este es el calor que remueve el intercambiador de calor y que
es transmitido al agua de la torre
La capacidad de la torre se mide en Toneladas de
Refrigeracioacuten TR que es una unidad de potencia
207
Es asiacute que se tiene las siguientes relaciones para poder saber
en teacuterminos de TR la capacidad de disentildeo para la torre de
enfriamiento
1TR=3517 W = 3024 Kcalh = 3024 Frigh Ec 20
De donde
27182539 BTUh 1 TR12000 BTUh = capacidad de la torre
Capacidad de la torre = 2262 TR
Flujo especifico Lrsquo
L es flujo de agua y Lrsquo es el flujo especifico de agua que se en
encuentra en la figura 318 este valor se encuentra en
funcioacuten del rango de enfriamiento del agua (Tho ndash Thi) y la
temperatura de bulbo huacutemedo Tbh
FIGURA 317 FLUJO ESPECIFICO Lrsquo [7]
208
El valor de flujo especifico de agua que nos da la figura 317
es Lrsquo=20 galmin ft2
L= 66 GPM
Datos para las condiciones de disentildeo de la torre de
enfriamiento
E-1
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
AIREAGUA
q=27182539 BTUh
L=33000 lbh
tL2=9120 FHrsquo2=
Yrsquo2=
tL1=8240 F
Gs=
tG1=79 F
Tw1=788 F
Yrsquo1=002
Hrsquo1=
tM=85 F
M(lbh)
FIGURA 318 DIAGRAMA DEL SISTEMA PARA EL
DISENtildeO
209
Anaacutelisis de la curva de equilibrio
La teoriacutea del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento es la
que desarrolloacute el Dr Merkel Se basa en la diferencia del potencial de entalpiacutea
entonces se supone que cada partiacutecula de agua estaacute rodeada por una peliacutecula de
aire y que la diferencia de entalpiacutea entre la misma y el aire circundante
proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento
A continuacioacuten se ilustran las relaciones del agua aire y el potencial impulsor que
existe en una torre de contra flujo
FIGURA 319 RELACIONES DE AGUA Y AIRE DE UNA TORRE A
CONTRA FLUJO [25]
De la figura anterior la operacioacuten del agua estaacute representada por la liacutenea AB y se
especifica por medio de las temperaturas del agua de la torre en la entrada y
salida La liacutenea de operacioacuten del aire inicia en C verticalmente por debajo de B y
en un punto que tiene una entalpiacutea correspondiente a la temperatura de entrada
de bulbo huacutemedo La liacutenea BC representa la fuerza impulsora inicial (hrsquo- h) El
aire que sale de la torre se representa por medio del punto D y la gama de
210
enfriamiento es la longitud proyectada de la liacutenea CD sobre la escala de
temperaturas
Resumiendo la teoriacutea del Dr Merkel como se observa en la figura 319
considera el flujo de masa y energiacutea del agua a la interfase y de la interfase a la
masa gaseosa Cuando el flujo cruza estas dos fronteras cada una ofrece una
resistencia a la transferencia de materia y energiacutea que resulta en gradientes de
temperatura entalpiacutea y de humedades
El Dr Merkel demostroacute que
Q = KS(hw - ha) Ec21
S = aV Ec22
Donde
Q Calor total transferido en Btuh oacute kJh
K Coeficiente total de transferencia en lbh pie2 oacute kgh m
2
S Aacuterea de transferencia en pie2 oacute m
2 caracteriacutestica fiacutesica
a Aacuterea de transferencia equivalente por unidad de volumen 1pie oacute 1m
V Volumen efectivo de la torre pie3 oacute m
3
hw Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura del agua Btulb oacute kJkg
ha Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura de bulbo huacutemedo Btulb oacute kJkg
Existen paraacutemetros citados en la Ec21 que no son constantes tanto entalpiacuteas
como temperaturas cambian a lo largo de la torre luego derivaacutendola
dQ = d[KS(hw-ha)] = K(hw-ha)dS Ec23
Para la transferencia de calor del lado del agua
Q = CwL(thw ndash tcw) Ec24
dQ = CwLdtw Ec25
211
donde
Cw Calor especiacutefico del agua kJ(kg ordmK) BTUlb F
L Flujo maacutesico del agua que ingresa a la torre kgs lbh
tw Temperatura del agua en contacto con el relleno ordmK 0F
thw Temperatura del agua caliente que ingresa a la torre ordmK 0F
tcw Temperatura del agua friacutea que sale de la torre ordmK 0F
Para la transferencia de calor del lado del aire
Q = G(hoa ndash hia) Ec26
dQ = Gdha Ec27
Donde
G Flujo maacutesico del aire que ingresa a la torre lbh oacute kgs
hia Entalpiacutea de mezcla gaseosa que ingresa a la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
hoa Entalpiacutea de mezcla gaseosa que sale de la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
Haciendo uso de las ecuaciones 23 25 y 27 se puede obtener el calor total por
medio de las siguientes ecuaciones
K(hw-ha)dS = CwLdtw Ec28
K(hw-ha)dS = Gdha Ec29
Que se puede rescribir de la siguiente manera
aw
a
hh
dhGdSK
Ec30
aw
ww
hh
dtC
L
dSK
Ec31
Integrando las Ecuaciones 30 y 31 se tiene
hoa
hia aw hh
dh
L
G
L
KaV
L
KS Ec32
212
thw
tcw aw
ww
hh
dtC
L
KaV
L
KS Ec33
ldquoAl teacutermino KaVL se lo denomina la caracteriacutestica de la torrerdquo
La curva caracteriacutestica es utilizada para determinar el buen funcionamiento de la
torre KaVL es una medida del grado de dificultad para los requerimientos de
enfriamiento del liquido Esta curva tambieacuten puede llamarse ldquoCurva de
Requerimientos de Disentildeordquo puesto que es una medida del grado de dificultad para
alcanzar los requerimientos de disentildeo
2 Calculo de la
humedad absoluta Yrsquo1y entalpia del aire entrando Hrsquo1
para la temperatura tbh
De la carta psicomeacutetrica que se encuentra en el Apeacutendice H
se puede construir la siguiente tabla mostrada en la tabla 33
esta tabla nos indica valores de entalpias y humedades para
mezclas de aire ndash agua a 147 lbplg2
Interpolando se obtiene valores para
Yrsquo1=0022 lb de vapor de agualb de aire seco
De las relaciones psicomeacutetricas para el sistema aire ndash agua
se obtiene que
Hrsquo1= (024+045Yrsquo1)(tG1 - 32) + 10758 Yrsquo1 Ec 34
213
Hrsquo1= 249 BTUlb de aire seco
Con los datos de las temperaturas entalpias encontradas se
puede construir el diagrama de operacioacuten para esta torre de
enfriamiento representada en la figura 320 con los valores
de entalpia de la mezcla aire ndash vapor de agua como
ordenadas y los valores de temperatura como abscisas aquiacute
se representa la curva de entalpia para el aire saturado dado
en la carta psicomeacutetrica H la cual es construida con los datos
de la tabla ubicada en el Apeacutendice H
Para obtener la liacutenea de operacioacuten sobre este diagrama se
ubica el punto N que representa las condiciones de entrada
de la torre esto es tL1=8240 0F y Hrsquo1= 249 BTUlb de aire
seco
La liacutenea de operacioacuten pasara por el punto N y terminara en
alguacuten punto sobre la ordenada trazada por el punto
tL2 = 91200F Para el miacutenimo valor de Gs la liacutenea de
operacioacuten tendraacute la mayor pendiente y tocara
tangencialmente a la curva de equilibrio por lo tanto pasara a
traveacutes del punto Orsquo en donde Hrsquo2= 52 BTU por lb de aire seco
214
Seguacuten lo anterior la pendiente de la liacutenea OrsquoN seraacute por lo
tanto
L CGs min = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1 Ec35
=
Gs min = 1071586 lb de aire seco h
Para que la torre no sea muy alta se considera 15 veces Gs
min
Gs real = 15 1071586 lb de aire seco h
Gs real = 1607380 lb de aire seco h
Una vez determinado el valor Gs real se puede hallar el valor
de la relacioacuten de flujos liacutequido ndash aire
L Gs real = 33000 lbh 1607380 lbh
L Gs real = 205
Como ya se tiene el valor de la pendiente de la liacutenea de
operacioacuten LG que se va a utilizar para el disentildeo faltariacutea
determinar el valor de la ordenada del punto de interseccioacuten
entre la liacutenea de operacioacuten y la vertical trazada por el punto
tL2=912 0F
215
Calculo de la entalpia del aire que sale Hrsquo2
De la ec22 tenemos que
L CGs real = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1
Despejando el valor Hrsquo2 se tiene
Hrsquo2 = (L CGs real (t L2 ndash t L1)) + Hrsquo1
Hrsquo2 = 4294 BTUlb de aire seco
Con los valores obtenidos se puede representar el punto O y
finalmente la liacutenea de operacioacuten seraacute la liacutenea ON
representada en la figura 320
216
FIGURA 320 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE
ENFRIAMIENTO DEL AGUA
3 Calculo de la altura de la
zona empaquetada Z
Utilizando el teacutermino KaVL que nos representa la ldquoCurva de Requerimientos de
Disentildeordquo dado en al ec 33 se procede a calcular la altura de la zona empaquetada
=
Para determinar el valor del integral de la ecuacioacuten propuesta
el cual puede ser calculado por tres formas
a Analiacuteticamente si se conoce la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo
b Integracioacuten grafica
c Integracioacuten numeacuterica
Como se tiene la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo dado en la figura 320 se
usara el meacutetodo de integracioacuten numeacuterica a intervalos de 2 0F
t H Hrsquo H ndash Hrsquo (H ndash Hrsquo)2 At(H ndashHrsquo)2
80 251 185 66
82 272 2217 503 58 034
84 323 2703 527 515 038
217
86 375 3109 641 584 034
88 415 3480 67 655 030
90 487 4120 75 710 028
92 542 4480 94 845 023
= 187
TABLA 33 VALORES DE ENTALPIA
= 187
El valor de kya se obtiene de la tabla 34 interpolando entre
los valores de L 500 ndash 1000 y G 250 por lo tanto tenemos un
Kya=347
Lrsquo=2GPM =`1000 lb de aguah ft2
Por lo tanto el valor de Z es
Z = 538 ft = 163 m
218
TABLA 34 CARACTERISTICAS DE HUMIDIFICACION [4]
4 Calculo de la
Cantidad de Agua de Compensacioacuten M
Realizando un balance de entalpias de acuerdo a la figura
318 se tiene
q + M Cw (tM ndash t0) = Gs (Hrsquo2 ndash Hrsquo1) Ec336
donde
q = 27182539 BTUh
Cw = 1 BTUlb 0F
tM = 85 0F
t0 = 32 0F
Hrsquo2 = 4294 BTU lb de aire seco
219
Hrsquo1 = 2490 BTUlb de aire seco
Reemplazando valores se tiene
27182539 + M (53) = Gs (1804)
De donde
M = Gs(1804) - 27182539 53 Ec 336-1
Haciendo un balance de liquido de acuerdo a la figura 318 se
tiene
M = Gs(Yrsquo2 ndash Yrsquo1) Ec337
Yrsquo2 no es conocido para determinarlo es necesario asumir
que el aire que sale de la torre estaacute saturado y su humedad
Yrsquo2 deberaacute ser la del aire saturado para Hrsquo2 = 4294 BTU lb
de aire seco
Entrando a la curva psicomeacutetrica dada en el Apeacutendice H se
tiene que
Yrsquo2 = 0024 lb de vapor de agualb de aire seco
M = Gs(0024 ndash 002) = 0004 Gs
Sustituyendo la ec 337 en la ec 336 ndash 1 se tiene que
0004 Gs 53 = Gs(1804) - 27182539
1804 Gs ndash 0004 Gs = 27182539
Gs = 1507126 lb de aireh
Reemplazando en la ec 337 el valor Gs
220
M = 6028 lb de aguah = 274 lth
CAPITULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS
CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
41 Partes Componentes de las Torres de Enfriamiento
Ya se ha definido que el mejor disentildeo para el sistema de enfriamiento
requerido de acuerdo a los paraacutemetros de evaluacioacuten es una Torre de
Enfriamiento de Tiro Inducido Flujo en Contracorriente
Este tipo de elementos ademaacutes del cuerpo vertical consta de los
siguientes elementos
Empaquetaduras sistemas de distribucioacuten deposito de coleccioacuten
eliminadores de arrastre ventilador motor y estructura
221
Empaquetaduras
Su funcioacuten es generar una mayor aacuterea de contacto entre el aire y el
agua como sea posible con una miacutenima presioacuten de aire
Existe variedad de empaquetaduras que van desde soacutelidos muy
faacuteciles de adquirir como piedras botellas rotas trozos de porcelana
hasta formas geomeacutetricas complejas y de alto costo econoacutemico
Sistemas de Distribucioacuten
Tiene como funcioacuten principal distribuir el agua caliente en la parte alta
de la torre se recomienda atomizarla para facilitar el contacto con el
aire
La importancia de adecuado sistema de distribucioacuten sobre las
empaquetaduras de una torre es indispensable para una buena
eficiencia en el enfriamiento
Depoacutesito de Coleccioacuten
Se trata de un recipiente donde es colectada el agua friacutea que sale de
la torre
Su construccioacuten deberaacute ser tal que elimine el peligro de que la bomba
absorba aire cuando opera con un miacutenimo de agua y accesible para
remover la suciedad acumulada en el fondo
222
Estructura
Es el soporte de la torre de enfriamiento
Su forma y solidez dependen de las caracteriacutesticas de disentildeo de la
torre que tiene que ser con normas especificas que dependen de su
capacidad de enfriamiento
Ventilador
Tiene como objetivo mantener el flujo constante de aire atreves de la
torre Para la torre seleccionada este aditamento se encontrara en la
parte superior
Motor
Es el que impulsara el ventilador La transmisioacuten se efectuara en
forma directa
Los elementos anteriores forman parte de la construccioacuten interna de la
torre de enfriamiento
Sin embargo existen otros componentes externos a la torre que juntos
constituyen el sistema de enfriamiento deseado Estos son
Bomba de Agua
223
Es el equipo que adicionara energiacutea al agua para hacerla re circular a
traveacutes de todo el sistema
Su capacidad dependeraacute del sistema de operacioacuten en el que va a
utilizar
Tuberiacuteas y Vaacutelvulas
Son los conductos ndash reguladores por los cuales fluiraacute el agua
El material de la tuberiacutea y los tipos especiacuteficos de vaacutelvulas estaraacuten
sujetos al aspecto teacutecnico econoacutemico y esteacutetico del sistema en
cuestioacuten
224
FIGURA 41 DISENO DE FORMA DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTO
42 Determinacioacuten de la Seccioacuten Transversal de la Torre de
Enfriamiento
Datos
Densidad del agua ρL 6222 lbft3 = 1010 Kgm3
Densidad del aire ρa 0077 lbft3 = 125 Kgm3
Relacioacuten de flujos LG 205
Flujo de aire Greal 446 lbs = 2027 Kgs
Tensioacuten superficial del agua σ 2 dinacm
Factor liquido - vapor FLV
Caacutelculos
Una aproximacioacuten para estimar las velocidades maacuteximas permisibles
ha sido presentada por Fair la cual se basa en datos obtenidos con
platos perforados y otros tipos de contactores de etapas finitas y toma
en cuenta el efecto de la tensioacuten superficial del liquido en la columna
la razoacuten de flujo de liquido a flujo de gas las densidades del aire y el
liquido y dimensiones y arreglo del contactor En este meacutetodo la
225
ecuacioacuten baacutesica para velocidad del vapor maacutexima permisible
equivalente a la Ec (41) es
Ec 41
donde
Vrsquom = velocidad de vapor maacutexima permisible basada en aacuterea neta
para el flujo de vapor la cual usualmente es el aacuterea de seccioacuten
transversal activa en fts
Krsquov = constante empiacuterica fts
σ = tensioacuten superficial del liquido en la torre dinascm
Krsquov
226
FIGURA 41 VALORES DE Kv EN FUNCION DEL
ESPACIADO
] Ec42
Sustituyendo valores en la ec 42 se tiene que
FLV = 0090
Se asume un espaciado entre platos de 740 plg = 188 mm
A partir de la fig 41 Kv = 017 fts
De la ec 41
Vrsquom = 3047 fts
Velocidad maacutesica del vapor Gm
Gm = Vrsquom ρa = (3047)(0077) = 023 lbs pie2 Ec43
227
Aacuterea de seccioacuten transversal de la torre A
A = Greal Gm Ec 44
Sustituyendo valores en la ec 44 se tiene que el aacuterea de la seccioacuten
transversal de la torre de enfriamiento es
A = 192 ft2
A = 8ft 24ft = 2430 mm 731 mm
43 Seleccioacuten de la Columna de Contacto de la Torre de Enfriamiento
En esta seccioacuten se tratara de decidir el tipo de columna a utilizar ya
sea de bandejas perforadas o de relleno en funcioacuten de las
caracteriacutesticas de la operacioacuten deseada y de los componentes en
contacto en este caso liquido - aire tomando para la decisioacuten algunos
aspectos
La seleccioacuten entre una columna de bandejas perforadas o una de
relleno depende de conceptos econoacutemicos Sin embargo en un estudio
228
preliminar podemos basar su seleccioacuten en las siguientes ventajas e
inconvenientes de cada una de ellas
1- La eficiencia de una torre de relleno se basa en datos
experimentales para cada tipo de relleno La eficiencia variacutea no solo
por el tipo y tamantildeo del relleno sino tambieacuten por las propiedades del
fluido caudales diaacutemetro de columna etc
2- Si el flujo de liacutequido es pequentildeo comparado con el del aire es
preferible utilizar columnas de platos pues necesitan menores
factores de seguridad en el disentildeo por causa de la dispersioacuten del
liacutequido
3- Las columnas de bandejas perforadas pueden manejar un rango
maacutes amplio de caudales sin inundacioacuten
4- Si los liacutequidos tienen soacutelidos en suspensioacuten se prefieren torres de
bandejas perforadas por la facilidad de limpieza
5- Si se necesita enfriamiento intermedio de la columna es preferible
que sean de bandejas perforadas por la facilidad de la instalacioacuten
del sistema de enfriamiento
6- El peso total de una columna de bandejas perforadas es menor que
en una de relleno si estaacuten vaciacuteas en cambio llenas tienen un peso
similar
229
7- La informacioacuten de disentildeo de una columna de bandejas perforadas
es maacutes accesible que en una de relleno
8- Si hay grandes cambios de temperatura son preferibles las
columnas de bandejas perforadas pues el incremento de
temperatura puede romper el relleno
10-Las columnas de rellenos son maacutes faacuteciles de construir y mas
baratas si se trabaja con fluidos corrosivos
11-Si se tiene liacutequidos con gran tendencia a formar espuma se deben
utilizar torres empaquetadas
12-El almacenamiento de liacutequido en la columna es muy inferior para
las torres de relleno
13-Las torres de relleno tienen menos peacuterdida de carga que las
bandejas perforadas y el relleno previene contra el colapso por lo
que se utilizan en operaciones a vaciacuteo
Por lo expuesto anteriormente se utilizara en el disentildeo de la
empaquetadura de la torre de enfriamiento el sistema de bandejas
perforadas
230
FIGURA 42 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE UNA BANDEJA
PERFORADA
431 Altura de la las Paredes de la Bandeja
La altura de la bandeja determina el volumen de liacutequido sobre la
bandeja y es un importante factor para determinar la eficiencia de
la bandeja con orificios Una mayor altura incrementaraacute la
eficiencia de la bandeja pero a expensas de un alta caiacuteda de
presioacuten en la bandeja Para columnas operando alrededor de la
presioacuten atmosfeacuterica la altura de las paredes de la bandeja variacutea
entre 40 a 90 mm (15 a 35 pulg) [7]
Para el disentildeo de estos elementos se tomara una altura de 90
mm para obtener una buena eficiencia de la bandeja ya que el
231
volumen de agua colocada en la bandeja por mayor tiempo
tendraacute mayor tiempo de contacto con el aire
Aacuterea Perforada
El aacuterea disponible para perforacioacuten se deduciraacute por la obstruccioacuten
causada por las partes estructurales (tales como soportes anillos
y vigas) y por el uso de zonas libres Las zonas libres son
espacios no perforados de la bandeja en los lados de salida y
entrada El ancho de cada zona es usualmente la misma valores
recomendados son
Ancho de la columna Ancho de la zona sin perforar
lt 15 m 75 mm
gt15 m 100 mm
TABLA 41 DIMENSIONES DE ZONA SIN PERFORAR [17]
De acuerdo a la tabla 41 se tomara una franja sin perforar de 75m
Dimensiones de las perforaciones
Los platos perforados tienen perforaciones de 25 mm a 12 mm
(18 a 12 pulg) de diaacutemetro siendo el tamantildeo comuacuten de 5 mm
(316 pulg) las perforaciones se hacen siguiendo un arreglo
232
triangular o cuadrado con una distancia entre centros entre 2 a 5
veces el diaacutemetro de las perforaciones (el oacuteptimo es 38) [17]
Se toma el valor recomendado del agujero de 316rdquo por lo tanto el
espaciamiento entre centros de los agujeros seria
D= 90 mm
Se escogeraacute un arreglo triangular para los orificios
De acuerdo al aacuterea de la seccioacuten transversal de la torre 2430
mm731 mm y la disposicioacuten del disentildeo de forma se tiene unas
dimensiones en las bandejas de
Bandeja = 2000 mm 731 mm
Al dejar una franja por los cuatro lados sin perforar de 75 mm
FIGURA 43 DISPOSICION DE AGUJEROS EN LAS
BANDEJAS
Por lo planteado en el capiacutetulo 3 se obtuvo que la altura de la zona
empaquetada es de
Z = 538 ft = 2044 mm
233
Para hallar el aacuterea de la seccioacuten transversal en el inciso 42 de
este capiacutetulo se asumioacute un espaciamiento entre bandejas de
e = 740 plg = 188 mm
Por lo tanto se necesitariacutea 5 bandejas perforadas en la disposicioacuten
dada en el disentildeo de forma de la fig 41
Para calcular el nuacutemero de agujeros en la bandeja se recurre a la
ecuacioacuten siguiente
Nh = 4Ahπd2h
Nh = 112 orificios en la bandeja
Espesor de las Bandejas
Se considera un espesor del material para la bandeja de 14 mm
Se considerara la presioacuten que ejerceriacutea el agua asumiendo la
bandeja llena al 100 la carga que ejerce el agua en el volumen
de la bandeja es de 42453 N
Se utilizara el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad
234
Anaacutelisis de Resistencia mediante el Meacutetodo de Elementos
Finitos
ANSYS en INVENTOR 10 analiza concentradores de esfuerzos
mecaacutenicas de fracturas bajo cargas estaacuteticas y dinaacutemicas asiacute
como frecuencias naturales y estabilidad El programa ofrece
distintos materiales a seleccionar para el anaacutelisis con
asunciones sobre su comportamiento Lineal (la tensioacuten es
directamente proporcional a la presioacuten) Constante (la
temperatura de todas las propiedades es independiente)
Homogeacutenea (las propiedades no cambian en todo el volumen de
la pieza) Isotroacutepica (las propiedades de los materiales son
ideacutenticas en todas las direcciones) El factor de seguridad se
calcula utilizando el equivalente maacuteximo de la teoriacutea de falla de
tensioacuten para materiales duacutectiles A continuacioacuten se muestran los
informes de los anaacutelisis practicados a las bandejas perforadas
las figuras indican en su parte superior izquierda la escala
colorida con sus respectivos valores de Tensioacuten Equivalente y
Factores de seguridad mayores a 13 Aceptables [19]
235
TABLA 42 INFORME DE RESULTADOS DEL
ANALISIS DE LA BANDEJA PERFORADA
INFORME DE ANALISIS DE BANDEJA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935 Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 934e-4 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 8688 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
236
FIGURA 44 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 45 DEFORMACION
FIGURA 46 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 2 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
237
Disentildeo del Depoacutesito de Coleccioacuten de la Torre de Enfriamiento
Para determinar las dimensiones del depoacutesito de coleccioacuten de agua
para la torre de enfriamiento se debe conocer el tiempo que demora
el agua en circular a traveacutes del sistema
Se asume que el ciclo demora un minuto y se parte del dato que el
depoacutesito deberiacutea tener una capacidad mayor a la cantidad de agua
que debe fluir por el sistema en un minuto y asi evitar que esta se
quede sin liquido ademaacutes el mismo colector debe soportar el peso de
la torre con sus accesorios
Entonces el problema consiste en seleccionar dimensiones para la
piscina que provean mayor economiacutea y aseguren un buen
funcionamiento Por lo general se establece el aacuterea transversal del
depoacutesito un poco mas grande que el aacuterea transversal de la torre de
enfriamiento que permita el montaje de la tuberiacutea de succioacuten o alguacuten
otro accesorio necesario
Para el disentildeo de la piscina se basara en el coacutedigo ASME para
recipientes a presioacuten seccioacuten Div 1 para tanques rectangulares que
trabajan bajo presioacuten atmosfeacuterica [15]
Notacioacuten
238
α Factor que depende del largo y ancho del tanque HL fig47
E Modulo de elasticidad 30000000 psi para aceros al carbono
G Gravedad especifica del liacutequido Agua=1
I Momento de Inercia plg4
l Maacutexima distancia entre soportes plg
L Largo del tanque plg
R Reaccioacuten con subiacutendices indicando el lugar de aplicacioacuten lbplg
S Esfuerzo del material
t Espesor requerido de la plancha plg
w Carga por unidad de longitud lbplg
FIGURA 47 VALORES DE α
Seleccioacuten del espesor de plancha
239
Ec 45
El espesor se incrementara con el factor de corrosioacuten para este
caso se le aumentara 00645 plg o 163 mm
FIGURA 48 DIMENSIONES DEL DEPOSITO DE COLECCIOacuteN DE
AGUA
L=8 ft
H=2 ft
B=4 ft
Relacioacuten HL = 025
De la figura 47 se obtiene el valor α = 00010
S=23200 lbplg2 para el acero estructural A ndash 36
G=1 para el agua
Sustituyendo valores en la ec 45 se tiene un espesor de
plancha
240
t=000109 plg
A este valor se le suma el factor de corrosioacuten 00626 plg
Por lo tanto
t=0063 plg o t=161mm se utilizara plancha de 2mm de
espesor
Carga en las paredes del depoacutesito
FIGURA 49 CARGAS HIDROSTATICAS
Ec 46
Sustituyendo valores se tiene que
w=162 lbplg
R1=03w Ec 47
R1=03162=486
R2=07w Ec 48
241
R2=07162=1134
442 Momento de Inercia miacutenimo requerido
Ec 49
Sustituyendo valores
Imin=0003 plg4 = 12486 mm4
443 Distancia entre soportes de la piscina
FIGURA 410 DISTANCIA ENTRE SOPORTES
Ec 410
Si el numero de soportes es 4 entonces = 26 plg = 6604mm
Sustituyendo en la ecuacioacuten 410
t=0141 plg
Despejando el valor de la ecuacioacuten 410 se tiene
242
Sustituyendo valores
Por lo tanto
11968 plg 2583 plg = Numero de soportes = N
N=463 es decir se fiacutesicamente se necesitan 5 soportes con un
espaciamiento de 2583 plg
E=656 mm
El disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de agua se encuentra en el
Plano N 3
Se utilizaraacute el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad del colector sometido a
toda la carga de la torre con su peso propio y la carga de agua
contenida en las bandejas
243
TABLA 43 INFORME DE RESULTADOS DEL
COLECTOR DE AGUA
INFORME DE ANALISIS DEL COLECTOR DE AGUA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1976Kg
Volumen de la pieza 2517+007 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 47950
Elementos 26630
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Fuerza 1481 N
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 5455e-005 MPa 2437 MPa
Deformacioacuten 0 mm 0102 mm
Factor de seguridad 15 NA
244
FIGURA 412 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 413 DEFORMACION
FIGURA 414 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 3 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
245
44 Seleccioacuten del Ventilador
Para la seleccionar el ventilador para la torre de enfriamiento es
necesario conocer los siguientes datos
1 Flujo de aire que circulara por la torre en ft3min
2 La presioacuten estaacutetica o presioacuten de resistencia contra la que debe
operar el ventilador expresada en plg de agua
Flujo de aire que circula por la torre Gs = 16056 lbh
Gs=2676 lbmin
Para determinar los pies cuacutebicos por minuto (pcm) de aire que salen
a traveacutes del extractor se divide las libras de aire seco por minuto
para la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
pcm = Gs (lbmin) densidad de la temperatura de operacioacuten Ec411
Para determinar la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
es necesario calcular la temperatura a la que sale el aire de la torre
Para esto conociendo el valor de la humedad absoluta Yrsquo2 lb de
vapor de agua por lb de aire seco con que sale el aire y asumiendo
que el aire se encuentra cercanamente saturado 95 se puede
246
entrar en la carta psicomeacutetrica Apeacutendice H y determinar dicha
temperatura
Yrsquo2= 0024
Con una temperatura de salida de la torre
T=84 0F
Con este valor dado en la figura se encuentra que la relacioacuten de
densidad del aire (RDA) a 84 0F y a nivel del mar es
RDA= densidad del aire en condiciones estaacutendar densidad del aire en condiciones de operacioacuten
Ec 412
RDA=105
De la ec411
105=0077lbft3 densidad del aire que opera a 84 0F
ρ84 F= 0075 lbft3
De la ec 412 se tiene
pcm=354483 ft3min = 116707 m3h
Con respecto a la caiacuteda de presioacuten estaacutetica contra la que debe
operar el ventilador se vio que en torres de este tipo era
ordinariamente menor que una pulgada de agua por lo tanto
tomando en consideracioacuten la resistencia ofrecida al paso del aire por
247
la zona empaquetada y los separadores de gotas se considera
suficiente utilizar el valor de 05 pulH20 o 127 mmH2O valores que
estaacuten dentro del rango de caiacuteda de presiones para este tipo de
ventiladores
Se ha escogido la curva del fabricante de la marca Ventiladores
Casals y sus caracteriacutesticas se indican en el Apeacutendice K
FIGURA 415 DIAGRAMA PARA SELELCCIONAR MODELO DE
VENTILADOR
Ingresando en el diagrama de la fig 415 con los datos planteados se
selecciona el ventilador modelo 56 T4 1 con las siguientes
caracteriacutesticas
Diaacutemetro = 650 mm
m3h = 12700
Peso = 36 Kg
248
RPM max = 1525
Potencia = 075 Kw
Ruido = 73 db
FIGURA 416 VENTILADOR SELECCIONADO
Con el peso del ventilador se disentildearaacute la campana de extraccioacuten de vapor de
agua se asumiraacute un espesor de 14 mm Se utilizara el programa
computacional INVENTOR 10 para analizar su deformacioacuten y el factor de
seguridad de la campana
249
TABLA 44 INFORME DE RESULTADOS DE LA
CAMPANA DE EXTRACCION
INFORME DE ANALISIS DE LA CAMPANA DE
EXTRACCION
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 9348+-5 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
250
FIGURA 417 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 418 DEFORMACION
FIGURA 419 FACTOR DE SEGURIDAD
251
45 Seleccioacuten de Diaacutemetro de la Tuberiacutea
Los criterios a utilizar para el caacutelculo del diaacutemetro de la tuberiacutea
son
1 Si la energiacutea
necesaria para el movimiento del fluido es gratis utilizar el
diaacutemetro miacutenimo que permita el caudal deseado
2 Si el fluido ha de ser
bombeado hay que calcular el tamantildeo que permita tener los
menores costes anuales (caacutelculo del diaacutemetro econoacutemico)
Velocidades tiacutepicas y caiacutedas de presioacuten permisibles que pueden
utilizarse para estimar el diaacutemetro de la tuberiacutea son
Velocidad (ms) ∆P(kPam)
Liacutequidos bombeados (no viscosos) 1 ndash 3 05
Liacutequidos flujo por gravedad - 0005
Gases y vapores 15 ndash 30 002 presioacuten de liacutenea
Flujos a alta presioacuten 30 - 60
TABLA 45 VELOCIDADES Y CAIDAS DE PRESION
PERMISIBLES [4]
Si se considera la densidad del fluido la velocidad oacuteptima es
252
Densidad del fluido
(Kgm3)
Velocidad del fluido
(ms)
1600 24
800 30
160 49
16 94
016 180
0016 340
TABLA 46 DENSIDAD DEL FLUIDO EN FUNCION DE LA
VELOCIDAD [4]
En la seleccioacuten de las tuberiacuteas se tiene que considerar el caudal
maacuteximo no el nominal (aumentar 20 a 50)
De acuerdo a la tablas 45 y 46 se tiene que
Flujo de agua = 15 m3h
Por lo tanto se escoge una velocidad
V = 2475 ms este valor es interpolado de la tabla 43 para
liacutequidos bombeados
Conocido el caudal y la velocidad se puede encontrar el
diaacutemetro
Q = A V Ec413
253
A = π4 D = QV
Donde D diaacutemetro de la tuberiacutea despejando D se tiene
D = 00508 m o tuberiacutea de 2rdquo
46 Seleccioacuten de la Bomba para la Torre de Enfriamiento
Se tiene los siguientes datos para la torre
Q = 15 m3h
Altura de la torre se la torre 12m
Considerando las tablas del Apeacutendice J del manual del
fabricante Golds Pumps se selecciona la siguiente bomba
Modelo 3196
STX 1x 1 frac12 - 6
Capacidad 70 GPM 3 frac12 ldquo 1 frac12 HP
Frecuencia 60 Hz
254
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
51 Diagrama de Gantt para la Ejecucioacuten del Proyecto
Diagrama de Gantt- Para la planificacioacuten de la construccioacuten montaje se contara con la
ayuda del software Microsoft Project
Que se lo muestra a continuacioacuten
255
FIGURA 51 DIAGRAMA DE GANTT
El diagrama de la figura anterior da los pasos que se siguieron describiendo todo el
proceso que se llevo a cabo en el proyecto utilizando oacuteptimamente el recurso humano
existente y el tiempo requerido para realizarlo
Levantamiento de planos del disentildeo de forma del sistema de enfriamiento- Este
procedimiento se hizo para obtener una referencia del espacio disponible y con ello ver
las posibles soluciones a implementar Este proceso no consta en el diagrama de Gantt
ya que lo hizo previo a la licitacioacuten ya que seria acreedora del contrato la empresa
participante que presente su mejor propuesta y cotizacioacuten sin embargo se tomo 5 diacuteas
para realizar este proceso
511 Preparacioacuten de Documentos Planos de Taller y Movilizacioacuten
Elaboracioacuten de planos de taller- Se procederaacute al disentildeo del sistema mas optimo en
este caso torre de enfriamiento certificacioacuten de intercambiador de calor disentildeo de
estructura moacutevil y de su estructura de soporte a ser ejecutado para la alternativa
seleccionada Asimismo se procederaacute al disentildeo eleacutectrico bajo la responsabilidad
ERMARLO SA Los planos seraacuten sometidos a la aprobacioacuten del departamento
encargado por parte de la Armada del Ecuador para iniciar los trabajos de
construccioacuten de acuerdo al cronograma presentado
256
Ninguacuten data sheet mostrado en la oferta podraacute ser utilizado como base para la
construccioacuten del sistema en mencioacuten por parte de la Armada del Ecuador o terceros si
la obra no se adjudica a ERMARLO SA con amparo a la ley de derechos de autor
Movilizacioacuten- Durante el periacuteodo de elaboracioacuten de planos se procederaacute con la
movilizacioacuten de equipos herramientas material a las instalaciones de la Armada
Nacional del Ecuador ubicada en la Base Sur Se utilizaraacuten bantildeos portaacutetiles con
mantenimiento perioacutedico Ademaacutes la logiacutestica del proyecto seraacute reforzada con el
apoyo de las oficinas e instalaciones de ERMARLO SA Ubicadas en la viacutea a Daule
Parque industrial Inmaconsa
512 Fabricacioacuten en el Taller
El disentildeo suministro de los materiales prefabricacioacuten y pre pintura interior y exterior
de las estructuras seraacuten ejecutados por ERMARLO SA En el taller se construiraacute
Rieles de movilizacioacuten para los soportes que llevaran la tuberiacutea de agua destilada
friacutea y caliente con sus respectivos acoples
Construccioacuten de la Torre de Enfriamiento y sus accesorios
Se ha contemplado la supervisioacuten de un teacutecnico de la Armada Nacional en los talleres
de ERMARLO SA asi mismo la supervisioacuten en campo de un teacutecnico durante la etapa
de montaje Para el efecto se ha considerado cubrir con todos los gastos relacionados
con esta visita salvo los honorarios de este teacutecnico los cuales correraacuten por cuenta de
la institucioacuten contratante
1 Materiales- De conformidad con los planos de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas para la construccioacuten de las rieles de deslizamiento y torre de
257
enfriamiento se selecciona el material a utilizar verificando calidad espesores y
dimensiones generales de laacuteminas y tuberiacuteas
Principalmente para laacuteminas de acero se verifican las marcas estampadas en
cada plancha contra los certificados emitidos por el fabricante de estar todo
conforme se libera el material para fabricacioacuten
2- Fabricacioacuten
21-Corte- Se posiciona la laacutemina seleccionada en la mesa de corte
procediendo al trazo y verificacioacuten conforme a medidas de plano de fabricacioacuten
Se transfieren las marcas originales de la laacutemina a cada parte y pieza a ser
cortada para mantener su identificacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten y en la
torre de enfriamiento terminada Se regulan los flujos de gases y velocidad de
avance de la maacutequina de conformidad con el procedimiento especiacutefico de cada
maacutequina y se procede a cortar el material En esta etapa se define dentro del
proceso de corte el tipo de bisel que se deja en el filo de las planchas para el
posterior proceso de soldadura todos los biseles tienen que estar detallados en
los planos de fabricacioacuten Una vez cortadas las piezas se realiza una limpieza
mecaacutenica de los bordes de la laacutemina especialmente los biseles de soldadura se
inspecciona y libera el material para el siguiente proceso
22-Conformado- Dependiendo de la parte de la torre que esteacute en proceso las
bandejas perforadas se las fabricara con este procedimiento Adicionalmente
todas las partes conformadas seraacuten pre-ensambladas en taller para verificar su
correcto dimensionamiento y agilizar el proceso de ensamble final en campo
23-Soldadura- Se realizaraacute soldadura en faacutebrica par elementos como patas
soportes de la cuba colectora de agua tuberiacuteas de carga y descarga conexiones
para instrumentacioacuten de acuerdo con el requerimiento del cliente Todas las
258
soldaduras de faacutebrica deben estar definidas en los planos de fabricacioacuten
indicando el proceso de soldadura y paraacutemetros generales que seraacuten ejecutados
Todas las soldaduras se realizaraacuten con procedimientos y soldadores calificados
de conformidad con coacutedigo ASME uacuteltima edicioacuten Los principales procesos a ser
utilizados son SAW GMAW SMAW
Toda soldadura deberaacute ser inspeccionada y verificada cumpliendo los
requerimientos del coacutedigo ASME y condiciones particulares del Cliente si
existieran
24-Tratamiento de Superficies- Tanto las laacuteminas de cuerpo como tuberiacuteas
soportes plataformas seraacuten preparadas y recubiertas de acuerdo con las
especificaciones del cliente En taller se realizaraacute aplicaraacute la primera capa de
revestimiento y en campo se completara el sistema luego del montaje
y pruebas del tanque El procedimiento a seguir es el siguiente
Se prepararaacute la superficie utilizando chorro de granalla metaacutelica hasta obtener un
acabado SSPC - SP 10 metal casi blanco con un perfil de anclaje de 2 a 3 mils
que garantice la adherencia y resistencia mecaacutenica del sistema de pintura a
aplicar Se dispone con los equipos y condiciones adecuadas para garantizar una
buena limpieza
La pintura seraacute aplicada conforme las recomendaciones y especificaciones de la
hoja teacutecnica del fabricante de pintura Durante el proceso de aplicacioacuten se
controla y registran los paraacutemetros externos y condiciones de aplicacioacuten como
temperatura ambiente temperatura de la pieza humedad relativa punto de
rociacuteo espesor huacutemedo y espesor seco
25 Factibilidad de construccioacuten- Se quiere resaltar las ventajas de la
fabricacioacuten de la torre de enfriamiento en Ecuador ya que ademaacutes del arancel
que tendraacute que pagarse sobre el tanque importado cuando se trata de proyectos
de intereacutes puacuteblico de acuerdo a la Ley la Armada del Ecuador puede requerir la
259
aprobacioacuten de la importacioacuten de bienes de capital El Ministerio encargado
certificaraacute si hay manufactura local o no para los bienes a ser importados El
producto local debe ser similar al importado debe tener la misma funcioacuten precio
competitivo igual calidad y tiempo de entrega Si los productos locales cumplen
con los estaacutendares de los productos importados deben entonces ser comprados
localmente caso contrario el Ministerio no autorizaraacute su importacioacuten
513 Montaje del Sistema de Enfriamiento
El Supervisor de montaje seraacute responsable de la eficiente
coordinacioacuten del Proyecto la Armada del Ecuador seraacute informado
continuamente de todas las acciones a tomar
ERMARLO SA dispondraacute de todos los equipos y herramientas
necesarios para enfrentar adecuadamente los trabajos
incluyendo gruacuteas compresores generadores soldadoras equipo
para prueba hidrostaacutetica etc
El montaje del sistema de enfriamiento obedece a una secuencia establecida en los
procedimientos y normas aplicables para este tipo de trabajos
En resumen las actividades principales que es necesario cumplir son las siguientes
Revisioacuten de la fundacioacuten de las estructuras deslizantes y la torre de enfriamiento
Antes del montaje del sistema de guiacuteas para la estructura
deslizante y para la torre de enfriamiento se verificaraacuten
260
cuidadosamente la topografiacutea e integridad estructural de las
fundaciones Tambieacuten se comprobaraacute que el terreno esteacute
adecuado para los diferentes movimientos de los equipos de
montaje
FIGURA 53 ALINEACION DE PISO DONDE SE ASENTARA LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Montaje de la estructura de soporte del sistema deslizante
Una vez revisada y aprobada las estructuras donde se va a montar el sistema
deslizante la cual llevara las tuberiacuteas de agua destilada a las bateriacuteas por parte de
ERMARLO SA se procederaacute a la instalacioacuten de cada una de las vigas transversales
donde se delizara el sistema de tuberiacuteas
261
FIGURA 52 SISTEMA DE DESLIZAMIENTO
Soldadura en obra
Las vigas del sistema de deslizamiento la torre y sus estructuras seraacuten soldados por
cualquiera de los procesos SMAW y SAW utilizando los equipos adecuados La
soldadura puede ser manual semi-automaacutetica o automaacutetica de conformidad a lo que
establezca del procedimiento de soldadura correspondiente
Se tendraacute una revisioacuten estricta de las condiciones de los biseles eliminacioacuten de escoria
antes de efectuar el siguiente cordoacuten inspecciones visuales de la soldadura
inspecciones radiograacuteficas de acuerdo al Coacutedigo se es necesario
Las laacuteminas del cuerpo en juntas de tope seraacuten alineadas en su posicioacuten antes de
soldar las mismas
514 Preparacioacuten de Superficie y Pintura en Sitio
262
Con el fin de asegurar la culminacioacuten del proyecto dentro del tiempo especificado asiacute
como para minimizar los dantildeos ambientales y proteger los materiales prefabricados
durante su transporte se ha considerado realizar la preparacioacuten y pre pintura de
superficies exterior e interior de las estructuras en taller
Las capas finales de pintura seraacuten aplicadas en el campo de acuerdo a las
especificaciones establecidas propuestas por ERMARLO SA Las aacutereas de pintura que
deban reparase o terminarse en se las repararaacute en obra
515 Prueba Hidrostaacutetica del Sistema de Tuberiacuteas e Intercambiador de Calor
Una vez instalado y pintado la torre de enfriamiento con el intercambiador de calor
sumergido en la piscina recolectora de la torre se procederaacute a realizar la prueba
hidrostaacutetica y la posterior desinfeccioacuten del mismo de acuerdo a lo especificaciones en
las bases de licitacioacuten entregada por la Armada del Ecuador
516 Bombas de agua
Existen dos bombas a ser montadas veacutease la figura 53 La bomba 1 para el sistema
de agua destilada de circulacioacuten por las bateriacuteas y al intercambiador de calor la bomba
2 figura 54 para la recirculacioacuten del agua en la torre de enfriamiento Las
caracteriacutesticas de todas ellas han sido ya establecidas en capiacutetulos anteriores
263
FIGURA 53 BOMBA PARA AGUA DESTILADA QUE ENTRA EN LAS BATERIA
FIGURA 54 BOMBA DE AGUA PARA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Para el montaje se deben respetar las especificaciones dadas ya sea por las normas
respectivas o seguir recomendaciones teacutecnicas En este caso se haraacute lo posible por
cumplir las recomendaciones dadas[12] Para el caso de la tuberiacutea de succioacuten se da la
figura 55
264
FIGURA 55 TUBERIA DE SUCCION [12]
Otra recomendacioacuten dada radica en que se debe evitar para el transporte el uso de
tuberiacuteas de igual diaacutemetro al de ingreso o salida del agua de la bomba deben ser
las inmediatas superiores Esto se cumple con los caacutelculos solo cuando la bomba
estaacute bien dimensionada pero no en el caso de la bomba 2 debido a que esta se
encuentra sobredimensionada Por ello el diaacutemetro de la tuberiacutea de salida es igual
diaacutemetro de la tuberiacutea de transporte de agua en el ingreso caso igual se usa una
tuberiacutea de 2rdquo
516 Instalacioacuten Eleacutectrica
Se ha contemplado el disentildeo instalacioacuten suministro y pruebas de
un sistema eleacutectrico el mismo que tendraacute los controles y mandos
para activar ventilador de la torre activacioacuten de las bombas de
agua control de ventiladores del cuarto de activacioacuten
265
FIGURA 56TABLERO DE CONTROL ELECTRICO
Toda tuberiacutea eleacutectrica se aseguraraacute con abrazaderas o soportes
de acero a la estructura de la torre o a las paredes por donde
crucen los cables
517 Graficas Representativas del Montaje de la Torre de
Enfriamiento
266
FIGURA 57 INTERCAMBIADOR SUMERGIDO EN COLECTOR
DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
FIGURA 58 BANDEJAS PERFORADAS INSTALADAS EN LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
267
FIGURA 59 TORRE DE ENFRIAMIENTO INSTALADA
52 Lista de materiales y equipos requeridos para el montaje
En las siguientes tablas se listan los materiales y equipos requeridos para el montaje
realizado adicionalmente se indica si se empleoacute algo usado o nuevo asiacute como su cantidad
268
EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
Equipoherramienta Tamantildeoespecificacioacuten Condicioacuten
01 Arco para sierra Estaacutendar de 12rdquo En bodega
02 Broca para acero HSS Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
03 Broca para cemento Percusioacuten Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
04 Broca para cemento Percusioacuten Oslash frac12 rdquo x 6rdquo En bodega
06 Cepillo de acero 6 hileras En bodega
07 Destornillador plano 5 mm x 150 mm En bodega
08 Emulsioacuten lubricante Proporcioacuten 120 En bodega
09 Flexoacutemetro 8 m x 25 mm En bodega
10 Guantes de cuero Par manga corta (10rdquo) En bodega
11 Hoja de sierra 12rdquo x frac12rdquo x 132rdquo Comprada
12 Hoja de sierra 24rdquo x 1frac14rdquo x 116rdquo Comprada
13 Llave mixta ⅜rdquo En bodega
14 Llave mixta 916rdquo En bodega
15 Llave mixta 58rdquo En bodega
16 Llave para tubo Largo 12rdquo abre hasta 2rdquo En bodega
17 Llave para tubo Largo 24rdquo abre hasta 3frac12rdquo En bodega
18 Llave para tubo Largo 36rdquo abre hasta 5rdquo En bodega
19 Nivel Aluminio largo 24rdquo En bodega
20 Pie de amigo De 24rdquo de aacutengulo de frac34rdquo Construido
21 Piola de algodoacuten Rollo de 50 gramos Comprado
22 Prensa para tubo De tornillo para Oslash 4rdquo En bodega
23 Sierra alternativa Para aserrar acero En taller
269
24 Taladro de mano Capacidad frac12rdquo asymp 13 mm En bodega
25 Taco Fisher F10 Comprado
26 Tarraja para tubo Manual para Oslash frac12rdquo a 2rdquo En bodega
27 Tefloacuten Rollo 19mmx15mx02mm Comprado
29 EPP Comprado
30 Material de aporte E6011 E6013 etc Comprado
31 Equipo de oxicorte Acetileno oxigeno manom En bodega
32 extintores Polvo quiacutemico seco En taller
33 tecle 2 Ton En bodega
34 Maq De soldar En bodega
TABLA 51 LISTA DE EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
53 RESUMEN DE COSTOS
ITEM MATERIALES Cantidad unid mater peso V Unitario V Venta
Soportariacutea fija y estructura moacutevil
Correa G 125 x 50 x 15 x 3 6 unid 3324 3291 19745
plancha 4 1 unid 9334 9241 9241
aacutengulo laminado 40 x 3 9 unid 1100 1089 9801
aacutengulo laminado 50 x 4 3 unid 2355 2331 6994
Correa G 80 x 50 x 15 x 3 9 unid 2406 2382 21437
malla electro ARMEX R- 131 (515) 52 mc 100 200 10400
perno expansioacuten 58 x 3 24 unid 012 060 1440
270
Pintura 4 galoacuten 100 1500 6000
ruedas para correas 12 unid 100 2500 30000
aacutengulo laminado 25 x 3 6 unid 706 699 4194
Materiales estructura 119252
Mano de obra estructura 71551
Total estructura 190803
Sistema de tuberiacuteas y accesorios
tubo PVC 2 20 unid 100 1400 28000
accesorio T 2 2 unid 030 240 480
tapoacuten 2 4 unid 020 160 640
unioacuten 2 10 unid 020 160 1600
bushing 2 x 14 4 unid 020 160 640
manguera 2 6 m 100 3500 21000
acople para manguera 2 x 2 4 unid 200 1600 6400
abrazaderas 2 8 unid 100 600 4800
manguera 14 300 m 100 250 75000
abrazadera 14 480 unid 100 030 14400
tubo galvanizado 1 14 7 unid 100 3360 23520
codo pvc 2 4 unid 020 160 640
codo galvanizado 1 14 4 Unid 020 180 720
nudo 2 4 unid 030 240 960
acoples para manguera 14 240 unid 100 24000
Materiales sistema distribucioacuten agua
enfriamiento aire 202800
Mano de obra sistema distribucioacuten agua 81120
271
enfriamiento
Total sistema distribucioacuten 283920
Torre de enfriamiento
tubo cuadrado 80 x 3 4 unid 4521 4476 17903
aacutengulo laminado 50 x 3 8 unid 1430 1416 11326
ventilador axial para torre enfriamiento 1 unid 120000 120000
plancha 3 para deposito de agua torre 2 unid 7040 6970 13939
control nivel de agua torre 1 global 1500 1500
plancha galvanizada para bandejas 8 unid 4224 5914 47309
plancha galvanizada para paredes 8 unid 3285 4599 36792
bomba de circulacioacuten 80 gpm ndash 30 psi 1 unid 120000 120000
arrancador para bomba de circulacioacuten y
ventilador 1 global 32000 32000
difusores y encausadores de torre 1 global 35000 35000
tuberiacutea y vaacutelvulas de control de circulacioacuten 1 global 23500 23500
Material torre 459269
Mano de obra torre 156151
Total torre 615420
EQUIPOS SUMINISTRADOS POR ARMADA DEL ECUADOR
Intercambiador de calor de haz tubular 000
Bomba PN 50 ndash 32 ndash 145 para agua des-ionizada 000
NOTA no se encuentra agregado el valor del IVA
272
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
61 Conclusiones
1 El meacutetodo usado por el texto de Procesos de transferencia de calor de Kern y al
comparar con el programa computacional para la seleccioacuten del intercambiador de calor
son similares concluyendo que el programa funciona correctamente y este caso el
intercambiador disponible cumple con los requerimientos para reducir la temperatura
requerida para el sistema
2 El equipo disentildeado cumple con lo establecido en el anaacutelisis del problema y las
restricciones
3 El meacutetodo de construccioacuten utilizado especialmente los procesos de soldadura garantizan
el buen funcionamiento del equipo
4 Se ha adquirido mas conocimientos sobre las torres de enfriamiento y sobre su valor
caracteriacutestico KaVL A mayor valor mayor dificultad para lograr el enfriamiento deseado
Adicionalmente se ratifico los conocimientos adquiridos
273
5 Se ha utilizado varios sistemas computacionales para comprobar los resultados
adquiridos e implementar estos programas en el trabajo diario dentro del departamento de
proyectos de ERMARLO SA
6 Se ha utilizado tablas normas y coacutedigos de seleccioacuten y disentildeo de esta manera logrando
un meacutetodo de seleccioacuten maacutes raacutepida para la ejecucioacuten de un proyecto
7 El control de calidad dentro del proceso de construccioacuten y montaje es muy importante en
la entrega final del trabajo para la satisfaccioacuten del cliente y realzar el nombre de la
empresa constructora
8 Una gran experiencia de trabajo en equipo tanto con el personal encargado de la
construccioacuten como la interaccioacuten con el personal de la Armada del Ecuador
62 Recomendaciones
1 Cuando se desee realizar la evaluacioacuten de un intercambiador de calor o una torre de
enfriamiento se debe seguir un sin nuacutemero de especificaciones para tenerlas a mano
Personalmente me parecioacute muy buena la guiacutea del texto Procesos de Transferencia de
Calor
2 Se requiere implementar un estudio detallado para el manejo de todos los desechos
generados
3 Se tendriacutea que hacer un plan de mantenimiento para los equipos constitutivos del sistema
de enfriamiento
4 Revisar permanentemente las instalaciones eleacutectricas ya que se tiene un ambiente
explosivo por las emanaciones de hidrogeno de las bateriacuteas al estar activaacutendose
274
5 La pintura de la torre de enfriamiento deberiacutea estar en control para evitar corrosioacuten en la
estructura
6 En la construccioacuten y el montaje se recomienda el correcto uso del Equipo de Proteccioacuten
Personal asiacute como los implementos para realizar trabajos en altura trabajos en caliente o
lugares confinados para evitar lesiones por parte de los integrantes del proyecto
7 Tener en consideracioacuten todas las normas de seguridad que tiene la institucioacuten (Armada
del Ecuador) para evitar sanciones al personal que estaacute ejecutando el proyecto
8 Implementar un mejor sistema de ventilacioacuten en el cuarto de activacioacuten de bateriacuteas ya que
este tiene demasiados contaminantes en el ambiente
275
BIBLIOGRAFIA
1 Gonzalez Jorge ldquoAplicacioacuten de la Investigacion de Operaciones al
Diseno Optimo de un Intercambiador de Calorrdquo (Tesis Facultad de
Ingenieria en Mecanica y Ciencias de la Produccion Escuela Superior
Politecnica del Litoral 1970)
2 Kern Donald Procesos de Transferencia de Calor Editorial CECSA
1995
3 Hickstyler Manual de Calculos para las Ingenierias Tercera Edicion
Tomo II McGraw Hill 1998
4 Torres Alberto ldquoDiseno de una Torre de Enfriamiento de Agua para Uso
Industrialrdquo (Tesis Facultad de Ingenieria Mecanica y Ciencias de la
Produccion Escuela Superior Politecnica del Litoral 1973)
5 Andrade Francisco Ing Ventilacioacuten Industrial Diplomado en Manejo
Ambiental ESPOL julio 2001
6 Manual Praacutectico de Ventilacioacuten Catalogo Teacutecnico Salvador Escoda
SA
7 Perry Robert-Green Don PERRY Manual del Ingeniero Quiacutemico
Seacuteptima Edicioacuten Volumen II Mc Graw Hill
8 Load amp Resistance Factor Design Manual of Steel Construction AISC
First Edition
9 Incropera P Frank-De Witt P David Fundamentos de Transferencia de
Calor Cuarta Edicioacuten Prentice Hall
10 Granet Irving Termodinaacutemica Tercera Edicioacuten Editorial Prentice Hall
1998
11 Goulds Pump Manual Sexta Edicioacuten Goulds Pumps Inc 1995
276
12 McNaughton Kenneth Bombas Seleccioacuten Uso y Mantenimiento
Editorial Mc Graw Hill 1992
13 David Linden Thomas B Reddy Handbook of Batteries McGraw Hill
Third Edition 1995
14 Pedro Fernaacutendez Diez Bombas Centrifugas y Volumeacutetricas 2002
15 Eugene F Megyesy Pressure Vessel Handbook Publishing Inc Sexta
edicioacuten
16 Holman J P Transferencia de Calor Octava edicioacuten Prentice Hall
2001
17 Dpto Ingenieria Quiacutemica y Textil Disentildeo de Equipos e Instalaciones
(Facultad de Ciencias Quiacutemicas Universidad de Salamanca)
18 Peters and Timmerhaus Plant Design and Economics For Chemical
Engineers McGraw Hill
19 Introduccioacuten al Programa ANSYS
20 Avallone Eugene A Baumeister III Theodore MARKS Manual del
Ingeniero Mecaacutenico Novena Edicioacuten Tomos I y II Mc Graw Hill
21 httpwwwipacesacerofabricacionasp
22 httpwwwevapcocom
23 httpwwwcasalscom
24 httpwwwamcotcom
25 httpwwwmonografiastrabajos10toentoenzip
277
111
A MI FAMILIA
RESUMEN
El presente trabajo consiste en dar una solucioacuten real a la necesidad actual y futura del enfriamiento de
las bateriacuteas que se utilizan en los submarinos de la Armada Nacional del Ecuador en el proceso de
activacioacuten de eacutestas en tierra
En el Capiacutetulo Uno se plantea las generalidades detallando las partes constitutivas de los submarinos
caracteriacutesticas de las bateriacuteas que se utilizan en los submarinos meacutetodos de carga de las bateriacuteas y
administracioacuten de la temperatura en el proceso de activacioacuten de eacutestas
El Capiacutetulo Dos trata de la descripcioacuten del problema en esta seccioacuten se describe los requerimientos
dados por el fabricante de las bateriacuteas para que estas puedan entrar en funcionamiento se plantea
varias alternativas de solucioacuten que permita solucionar el problema planteado
El Capiacutetulo Tres se realiza el anaacutelisis teacutermico de acuerdo a datos teacutecnicos dados por los fabricantes
de las bateriacuteas que aplicando conocimientos de termodinaacutemica y transferencia de calor se podraacute
plantear las ecuaciones adecuadas para tener resultados y poder dimensionar los equipos necesarios
para lograr el objetivo planteado
112
En el Capiacutetulo Cuatro conocidos los paraacutemetros teacutermicos actuantes en el sistema se procede a
realizar la seleccioacuten y disentildeo mecaacutenico de los componentes involucrados en el funcionamiento del
sistema de enfriamiento
El Capiacutetulo Cinco realiza una evaluacioacuten teacutecnica para la construccioacuten y montaje de los equipos la
evaluacioacuten econoacutemica del proyecto y actividades de taller
El Capiacutetulo Seis se da conclusiones y recomendaciones a las que se llega como consecuencia del
desarrollo de este trabajo Ademaacutes recomendaciones para que se implemente en un proceso de
mejora continua
IacuteNDICE GENERAL
Paacuteg
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I
IacuteNDICE GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip III
ABREVIATURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VII
SIacuteMBOLOGIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XI
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XII
IacuteNDICE DE PLANOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XIV
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XV
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
CAPIacuteTULO 1
1 GENERALIDADEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
11 Descripcioacuten del sistema de poder de los submarinoshelliphelliphellip 4
113
12 Caracteriacutesticas generales del submarino U - 209helliphelliphelliphelliphellip 6
13 Proceso de activacioacuten de las bateriacuteas para submarinohelliphellip
131 Anaacutelisis del sistema operativohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
132 Caracteriacutesticas de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
133 Capacidad de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
134 Autodescargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
135 Almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
136 Principales meacutetodos de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
137 Control de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
138 Control de la temperatura en las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphellip
7
7
14
16
21
23
24
27
29
CAPIacuteTULO 2
2 DESCRIPCION DEL PROBLEMAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
21 Requerimientos para el proceso de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 36
22 Consideraciones teacutecnicas para la activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
23 Alternativas de solucioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
37
38
231 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
232 Sistema de enfriamiento con intercambiador enfriado por
airehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
233 Sistema de enfriamiento utilizando chillerhelliphelliphelliphelliphelliphellip
234 Sistema de enfriamiento utilizando intercambiador de calor y torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
42
43
45
24 Seleccioacuten mejor alternativahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
25 Torres de enfriamiento y su clasificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
26 Seleccioacuten de la torre a utilizarsehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
114
CAPIacuteTULO 3
3 ANAacuteLISIS TEacuteRMICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
31 Descripcioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
32 Datos de operacioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 64
33 Seleccioacuten del intercambiador de calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
331 Meacutetodo FLMTDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
332 Uso de software para seleccioacuten del intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
34 Disentildeo teacutermico de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
351 Fundamento del enfriamiento por evaporacioacutenhelliphelliphellip 87
352 Caacutelculoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89
CAPIacuteTULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 105
41Componentes de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 104
42 Determinacioacuten de la seccioacuten transversal de la torrehelliphelliphelliphellip 108
43 Seleccioacuten de la columna de contactohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 112
431 Altura de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
432 Aacuterea perforadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
433 Dimensiones de las perforacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
434 Espesor de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 117
44 Disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de la torre de enfriamiento 121
441 Seleccioacuten del espesor de planchahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 123
442 Carga en las paredes del depoacutesitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
444 Momento de inercia miacutenimo requeridohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
433 Distancia entre soportes del colectorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
115
44 Seleccioacuten del ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 129
45 Seleccioacuten de diaacutemetro de la tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 135
46 Seleccioacuten de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 137
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
51 Diagrama de Gantthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
511 Preparacioacuten de documentos planos de taller y
movilizacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 139
512 Fabricacioacuten en el tallerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
513 Montaje del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
514 Preparacioacuten de superficie y pintura en sitiohelliphelliphelliphelliphellip 148
515 Pruebas hidrostaacuteticas de tuberiacuteas e intercambiadorhellip 149
516 Bombas de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
517 Instalacioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
52 Materiales y equipos requeridoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
53 Resumen de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 156
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
61 Conclusioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
62 Recomendacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 160
APEacuteNDICES
BIBLIOGRAFIacuteA
116
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 11 Partes constitutivas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
Figura 12 Estado de descarga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Figura 13 Estado de carga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
117
Figura 14 Variacioacuten de la capacidad seguacuten reacutegimen de descargahelliphellip 17
Figura 15 Variacioacuten de la capacidad seguacuten la temperaturahelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Variacioacuten de la capacidad seguacuten nuacutemero de cicloshelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Variacioacuten de la vida uacutetil en funcioacuten de la descargahelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Variacioacuten de la capacidad por autodescarga 22
Figura 19 Reaccioacuten exoteacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 21 Trabajos preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 22 Esquema de enfriamiento de bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 23 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Figura 24 Enfriamiento utilizando intercambiador enfriado por aire 43
Figura 25 Sistema de enfriamiento utilizando un chiller 44
Figura 26 Sistema de enfriamiento utilizando torre de enfriamiento e intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
Figura 27 Torre de enfriamiento de tiro forzadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
Figura 28 Torre de flujo a contracorriente y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
Figura 29 Torre de flujo cruzado y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
Figura 31 Disposicioacuten de las bateriacuteas en el cuarto de activacioacutenhelliphelliphellip 61
Figura 32 Disposicioacuten de tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
Figura 33 Sistema de desplazamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 34 Bateriacuteas en cuarto de activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 35 Sistema moacutevil para llevar el fluido de enfriamiento a las
bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
Figura 36 Disentildeo de forma del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
Figura 37 Distribucioacuten de temperaturas en un intercambiador de calor de doble tubo en
paralelohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 69
Figura 38 Ventana de inicio del programahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
Figura 39 Ventana de seleccioacuten de tipo de intercambiador a utilizarse y definicioacuten de
fluidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
Figura 310 Datos del material del intercambiadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 80
118
Figura 311 Ventana de ingreso de datos de intercambiador de calorhellip 81
Figura 312 Ventana de resultados en la presioacuten de disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphellip 82
Figura 313 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 83
Figura 314 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 84
Figura 315 Disposiciones del haz de tuboshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
Figura 316 Idealizacioacuten del fenoacutemeno de transferenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
Figura 317 Flujo Especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
Figura 318 Diagrama del sistema para el disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
Figura 319 Relaciones de agua y aire de una torre a contra flujohelliphelliphellip 93
Figura 320 Diagrama de operacioacuten de enfriamiento del aguahelliphelliphelliphelliphellip 101
Figura 41 Disentildeo de Forma de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 108
Figura 42 Diagrama de operacioacuten de una bandeja perforadahelliphelliphelliphellip 114
Figura 43 Disposicioacuten de agujeros en las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
Figura 44 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 45 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 46 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 47 Valores de alfahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
Figura 48 Dimensionamiento del depoacutesito de coleccioacuten de aguahelliphelliphellip 123
Figura 49 Cargas hidrostaacuteticashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
Figura 410 Distancia entre soporteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
Figura 412 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 413 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 414 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 415 Diagrama para seleccionar modelo de ventiladorhelliphelliphelliphelliphellip 131
Figura 416 Ventilador seleccionadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 132
Figura 417 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 418 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 419 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 51 Diagrama de Gantt 138
119
Figura 52 Sistema de deslizamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 171
Figura 53 Alineacioacuten de piso donde se asentaraacute la torrehelliphelliphelliphelliphelliphellip 172
Figura 54 Bomba de agua para torrehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 175
Figura 55 Tuberiacutea de succioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 176
Figura 56 Tablero de control eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 177
Figura 57 Intercambiador sumergido en colector de la torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 58 Bandejas perforadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 59 Torre de enfriamiento instaladahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 179
120
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphellip 6
Tabla 12 Paraacutemetros de almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
Tabla 21 Programa de carga eleacutectrica para la activacioacuten de las bateriacuteas de los
submarinoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
Tabla 22 Impurezas maacutes comunes en el agua que afectan los sistemas de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 23 Matriz de decisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
Tabla 24 Clasificacioacuten de las torres de enfriamiento 49
Tabla 25 Matriz de decisioacuten para seleccionar el tipo de torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
Tabla 31 Escala de presioacuten y valor U para tipos de intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Tabla 32 Aacuterea transversal de flujo y superficie para intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Tabla 33 Valores de entalpiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 102
Tabla 34 Caracteriacutesticas de humidificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103
Tabla 41 Dimensiones de zona sin perforarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
Tabla 42 Informe de resultados del anaacutelisis de la bandeja perforadahellip 119
Tabla 43 Informe de resultados del colector de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 127
Tabla 44 Informe de resultados de la campana de extraccioacutenhelliphelliphelliphellip 133
Tabla 45 Velocidades y caiacutedas de presioacuten permisibles 135
Tabla 46 Densidad del fluido en funcioacuten de la velocidadhelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
Tabla 51 Lista de equipos y herramientashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
121
IacuteNDICE DE PLANOS
Plano 1 Torre de enfriamiento y sus partes
Plano 2 Bandejas perforadas
Plano 3 Campana de extraccioacuten
Plano 4 Tanque colector
Plano 5 Placa soporte
Plano 6 Dimensiones de estructura de torre de enfriamiento
122
ABREVIATURAS
ordmC Grados centiacutegrados
Mg Magnesio
Si Silicio
m Metros
cm Centiacutemetros
mm Miliacutemetros
kg Kilogramos
t Toneladas meacutetricas
MVA Mega voltamperios
kwh Kilovatio hora
tkwh Kilovatio hora por tonelada
Nm3
Metro cuacutebico normalizado
FeMn Ferromanganeso
MgO Oacutexido de magnesio
m Microacutemetro
NO2 Dioacutexido de nitroacutegeno
3Nmg
Gramos por metro cuacutebico de aire normalizado
ht Toneladas por hora
3mg
Gramos por metro cuacutebico
123
3mmg
Miligramos por metro cuacutebico
3pieg
Gramos por pieacute cuacutebico
min
3pie Pieacute cuacutebico por minuto
gal galoacuten
CFM Pies cuacutebicos por minuto
t
Kg Kilogramos por tonelada
hm3
Metros cuacutebicos por hora
th
m3
Metros cuacutebicos por hora por tonelada
s Densidad del soacutelido
3mg
Microgramos por metro cuacutebico
3mkg
Kilogramo por metro cuacutebico
sm Metros por segundo
OHmmCol 2 Miliacutemetros de columna de agua
atm atmoacutesferas
Pa Pascales
FPM Pies cuacutebicos por minuto
A Aacuterea
V Velocidad
Q Caudal
sm3
Metros cuacutebicos por segundo
124
SP Presioacuten estaacutetica
VP Presioacuten dinaacutemica
kPa Kilopascales
MPa Megapascales
2lgpulb Libras por pulgadas cuadradas
antildeomm Miliacutemetro por antildeo
hmm
2
3
Metros cuacutebicos por metro cuadrado por hora
psi Libras por pulgada cuadrada
diaacutemetro
ppm Partes por milloacuten
M Momento
mpy Mileacutesimas de pulgada por antildeo
Mw Megavatios
T Diferencia de temperaturas
CkgJ
ordm Joules por kilogramo por grado centiacutegrado
k Conductividad
h Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
R Sumatoria de resistencias
f Factor de friccioacuten
St Nuacutemero de stanton
KmW
2 Vatios por metro cuadrado por grados kelvin
125
INTRODUCCIOacuteN
La Armada del Ecuador a cargo de la Direccioacuten de Mantenimiento de la
institucioacuten con el propoacutesito de brindar mantenimiento al escuadroacuten de
submarinos nacionales SS ndash 11 ldquoShyrirdquo y SS ndash 12 ldquoHuancavilcardquo tipo U ndash 209
de fabricacioacuten alemana considera el cambio inmediato de las bateriacuteas de
propulsioacuten instaladas en dichos submarinos por haber cumplido su ciclo de
vida
Las unidades submarinas son de propulsioacuten diesel ndash eleacutectricas las bateriacuteas
son las encargadas de suministrar la energiacutea necesaria para propulsar y
alimentar la red abordo
Las bateriacuteas operan desde el antildeo 1997 tiempo de operacioacuten hasta la fecha
de 11 antildeos que sobrepasan el tiempo de vida uacutetil que es de 10 antildeos lo que
requiere un reemplazo inmediato de las bateriacuteas
Es por eso que las bateriacuteas de propulsioacuten fueron adquiridas a traveacutes de la
Junta de Defensa Nacional a la compantildeiacutea alemana Hawker GMBH una
126
remesa de 960 bateriacuteas estas son del tipo plomo ndash aacutecido las bateriacuteas se
someten a un proceso de carga y descarga cuando estaacuten montadas en el
submarino este proceso genera calor y produccioacuten de hidroacutegeno en el
ambiente
Para controlar la generacioacuten de calor existe en el submarino un sistema de
enfriamiento utilizando agua del mar las bateriacuteas nuevas adquiridas no
vienen activadas de fabrica para evitar problemas de danos y eliminar
riesgos durante el viaje hasta las instalaciones de la Armada Nacional es por
eso que la institucioacuten a dispuesto un lugar estrateacutegico donde se va a
proceder a la construccioacuten del sistema de activacioacuten de las bateriacuteas lo que
conlleva a realizar trabajos preliminares para la puesta en marcha de estos
equipos
Como este proceso tiene que ser realizado en tierra la Armada del Ecuador
convoca a diferentes empresas para licitar en el disentildeo construccioacuten y
montaje de un sistema de enfriamiento de agua que va a ser utilizada en la
activacioacuten de 120 bateriacuteas a la vez
ERMARLO SA empresa en la cual me desenvolviacutea en el departamento de
proyectos fue adjudicada la licitacioacuten y fue asignado el proyecto de disentildeo y
construccioacuten del sistema de enfriamiento el cual es el objetivo de esta tesis
127
Se utilizaran varios programas computacionales como Inventor 10 ESP plus
con el fin de utilizarlos en la praacutectica con mayor destreza para solucionar
problemas
CAPITULO 1
1 GENERALIDADES 11 Descripcioacuten del Sistema de Poder de los Submarinos
A fin de clarificar ciertos aspectos importantes para comprender el sistema de
propulsioacuten de los submarinos se realizaraacute una breve descripcioacuten generalizada de
este tipo de buque
El submarino tipo U ndash 209 es un buque disentildeado exclusivamente para
operar bajo el agua esta afirmacioacuten puede parecer redundante pero
es necesaria para diferenciar los submarinos modernos de los usados
durante la primera y segunda guerras mundiales que era propiamente
128
ldquosumergiblesrdquo es decir los buques con capacidad de permanecer
periodos relativamente cortos bajo la superficie esto explica el disentildeo
de estos con cantildeones en cubierta para la defensa aeacuterea y de
superficie
Hasta la llegada de la propulsioacuten nuclear marina la mayoriacutea de los submarinos del
siglo XX usaron bateriacuteas eleacutectricas para la navegacioacuten subacuaacutetica y motores de
combustioacuten interna para la superficie y recargar las bateriacuteas Los primeros modelos
usaban gasolina como combustible pero pronto se sustituyoacute por parafina y luego
gasoacuteleo gracias a su menor inflamabilidad La combinacioacuten diesel-eleacutectrico se
convertiriacutea en el medio de propulsioacuten estaacutendar Inicialmente el motor diesel o gasolina
y el eleacutectrico separados por embragues estaban en el mismo eje e impulsaban el
propulsor Esto permitiacutea que el primero usase al segundo como generador para
recargar las bateriacuteas e impulsar tambieacuten al submarino si era necesario Cuando el
submarino se sumergiacutea se desembragaba el motor diesel de forma que se usase el
eleacutectrico para girar la heacutelice El motor eleacutectrico puede tener maacutes de un inducido sobre
el eje estando eleacutectricamente acoplados en serie para velocidades bajas y en
paralelo para velocidades altas
129
12 Caracteriacutesticas Principales del Submarino U ndash 209
Desplazamiento
(sumergidos)
1285 Ton
Dimensiones 559 6355 m
Propulsioacuten 4 MTU MD 12V992 Tb 90
diesel de 600 CV un
Siemens eleacutectrico de
5000 CV y 4
generadores eleacutectricos
de 405 Kw
Tipo Submarino diesel
eleacutectrico de ataque SSK
Astillero de origen Howaldtswerke Kiel
Alemania
Desplazamiento 1265 ton (superficie)
1396 ton (inmersioacuten)
Casco Acero naval reforzado
Celdas 480 de 11500 Amp ndash h y
un peso total de 257 ton
Combustible 108 ton
Profundidad
maacutexima
500 metros
Armamento 553 mm torpedos en
tubos (14) misil Sub-
130
Harpoon
Tripulacioacuten 33
TABLA 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U ndash 209
El submarino posee 4 bateriacuteas de 120 celdas cada una
Cada celda estaacute disentildeada para almacenar cargas con voltajes que no
exceden los 275 voltios de corriente continua Las 120 celdas estaacuten
conectadas en serie esto para cada bateriacutea
FIGURA 11 PARTES CONSTITUTIVAS DEL SUBMARINO U -209
13 Proceso de Carga y Descarga de las Bateriacuteas en el Submarino
131
Para activar las bateriacuteas antes de ser puestas en operacioacuten se
requiere que se cumpla un determinado procedimiento el cual
implica periodos de carga y descarga de acuerdo a un plan
establecido
131 Anaacutelisis del Sistema Operativo de las Bateriacuteas
El suministro de energiacutea eleacutectrica dentro del buque tiene un solo
responsable estas son las celdas del buque
Primeramente entieacutendase por celdas al elemento unitario de
energiacutea eleacutectrica del buque que baacutesicamente es un acumulador de
plomo y aacutecido o pila secundaria que puede recargarse invirtiendo
la reaccioacuten quiacutemica
La celda electroliacutetica que describiremos a continuacioacuten el
acumulador de plomo
Estos acumuladores constan de una serie de placas de plomo
dispuestas una al lado de la otra y separadas entre siacute por medio de
los separadores
Las placas son unas rejillas rectangulares en las que se efectuacutea
una transformacioacuten de energiacutea quiacutemica en eleacutectrica o viceversa
seguacuten se descargue o cargue repetidamente el acumulador
132
Existen dos clases de placas las positivas constituidas a base de
peroacutexido de plomo cuyo color es negruzco y las negativas
constituidas de plomo combinado con materiales inertes que no
intervienen en la transformacioacuten generalmente antimonio Al
peroacutexido de plomo y al plomo que componen las placas se les
denomina materia activa del acumulador
Las placas positivas estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute
mediante una barra o laacutemina metaacutelica denominada puente de
unioacuten Lo mismo ocurre para las placas negativas Sobre ambos
puentes se hallan los bornes del acumulador uno positivo y otro
negativo
El conjunto de placas positivas y negativas alternadas se
encuentran sumergidas en agua acidulada que es una mezcla de
acido sulfuacuterico y agua que hace las veces de electrolito
En las condiciones hasta ahora descritas el acumulador se halla
cargado es decir que si entre sus bornes conectamos un
consumidor por ejemplo una laacutempara por ella circula corriente y
por tanto se encenderaacute ello es debido a que entre sus placas de
peroacutexido de plomo y de plomo existe una diferencia de potencial
capaz de producir corriente eleacutectrica cuando circula esta corriente
a traveacutes de un consumidor el acumulador se estaacute descargando
133
Durante dicha descarga para la corriente desde la placa positiva a
la negativa por el por el receptor o consumidor exterior a la bateriacutea
y por el interior desde la placa negativa a traveacutes del electrolito a la
placa positiva
Al pasar la corriente por el electrolito se descompone la moleacutecula
del aacutecido sulfuacuterico en dos iones (SO4-) y (2H+) con cargas
negativas y positivas respectivamente que reaccionan formando
en la placa positiva peroacutexido de plomo (PbO2) mas agua en el
recipiente Esta agua se genera porque el oxiacutegeno liberado de la
placa positiva del peroacutexido de plomo se combina con el hidroacutegeno
descompuesto del aacutecido sulfuacuterico
De la misma manera se forma sulfato plumboso en la placa
negativa y agua en el recipiente La reaccioacuten de la descarga la
podriacuteamos resumir asiacute
134
A medida que se va descargando la concentracioacuten de aacutecido
sulfuacuterico en el electrolito va disminuyendo lo que origina que sea
menos conductor provocando este fenoacutemeno un aumento de la
resistencia interior en el elemento lo que produce una caiacuteda de
tensioacuten tan grande que deja la bateriacutea fuera del servicio uacutetil
Cuando ha sido atacado todo el peroacutexido de plomo y todo el plomo
cesa la transformacioacuten y con ella la corriente eleacutectrica el
acumulador descargado incapaz de producir maacutes corriente
eleacutectrica
Si estando el acumulador descargado aplicamos en sus bornes
una diferencia de potencial se produciraacute la electroacutelisis del agua
contenida en el recipiente y las transformaciones que habraacuten
tenido lugar durante la descarga se invertiraacuten es decir en las
placas positivas se transformara el sulfato plumboso en peroacutexido
de plomo y aacutecido sulfuacuterico y en las negativas en plomo y aacutecido
sulfuacuterico con lo que el acumulador quedara nuevamente cargado y
con la facultad de poder suministrar de nuevo corriente eleacutectrica
La reaccioacuten de carga se habraacute efectuado asiacute
135
Estos fenoacutemenos quiacutemicos se llevan a cabo en el interior del
acumulador se va intentar representarlos por una serie de figuras
Por ejemplo en la Figura 12 Se tiene una aproximacioacuten a un
esquema de reaccioacuten quiacutemica durante la descarga del acumulador
La laacutempara representa el aparato consumidor que estaacute recibiendo
energiacutea eleacutectrica en este momento En el interior del acumulador
se estaacuten descomponiendo del modo que indican las flechas las
moleacuteculas de cada uno de los componentes de las placas
conjuntamente y en colaboracioacuten con el electrolito y su
composicioacuten quiacutemica
Obseacutervese como en la parte baja de las placas se produce la
presencia del sulfato de plomo (PbSO4) que es el indicio claro de la
descarga (En este esquema se mantiene el sentido electroacutenico de
la corriente es decir el paso del negativo al positivo tal como
ocurre en la realidad aunque se ha aceptado convencionalmente la
inversa)
136
La descarga total del acumulador llegariacutea a producirse cuando
ambas placas se hallaran saturadas de sulfato de plomo y el
electrolito fuera praacutecticamente formado por agua destilada La luz
dejara de brillar en sentildeal evidente de la falta de energiacutea eleacutectrica
FIGURA 12 ESTADO DE DESCARGA DE UN ACUMULADOR
El proceso de carga podemos verlo en la Figura 13 La colocacioacuten
de un generador de corriente continua entre los bornes del
acumulador hace que la corriente circule entre placas y electrolito
Tal como puede verse en la parte alta de las placas la presencia
del sulfato plumboso (PbSO4) es general lo que indica su estado
descarga pero al paso de la corriente eleacutectrica proveniente del
generador activa una reaccioacuten quiacutemica en la que de nuevo acido
sulfuacuterico se recompone Poco a poco la placa negativa recobra su
137
plomo inicial y la positiva su peroacutexido de plomo mientras el
electrolito aumenta su densidad por encima de los valores casi del
agua que teniacutea en el estado totalmente descargado debido a su
enriquecimiento de acido sulfuacuterico [13]
Estas son pues las transformaciones quiacutemicas mediante las
cuales es posible convertir energiacutea eleacutectrica en energiacutea quiacutemica y
viceversa
FIGURA 13 ESTADO DE CARGA DE UN ACUMULADOR [13]
132 Caracteriacutesticas de las Bateriacuteas
138
A pesar de su diversa constitucioacuten todas las bateriacuteas pueden
ser definidas mediante unas caracteriacutesticas comunes que se
consideran seguidamente
Resistencia interna- Formada por la resistencia oacutehmica
de sus componentes (terminales electrodos soportes y
electrolito) y por una resistencia virtual variable en funcioacuten
del estado de carga y de las distintas polarizaciones y
concentraciones Aumenta con las bajas temperaturas
con la descarga de la bateriacutea y con el envejecimiento
Rendimiento- Es la relacioacuten entre la energiacutea
suministrada durante la descarga y la que se necesita
para cargar plenamente la bateriacutea Las peacuterdidas en una
bateriacutea se deben sobre todo a una produccioacuten de energiacutea
caloriacutefica en los procesos quiacutemicos que tienen lugar
durante la carga y descarga
Velocidad de carga y descarga - Las corrientes de
carga y descarga a menudo se especifican con unos
teacuterminos que indican la descarga completa en un periacuteodo
continuo de una hora Estos teacuterminos son los regiacutemenes C
y sus muacuteltiples y submuacuteltiplos son un medio muy coacutemodo
para especificar las velocidades de carga y descarga Por
tanto 10C es la corriente que descarga la bateriacutea en seis
139
minutos mientras que C10 es la corriente que descarga
la bateriacutea en diez horas
Vida uacutetil - La vida uacutetil de una bateriacutea no se mide en antildeos
sino por la cantidad de ciclos de carga - descarga que es
capaz de realizar Asiacute si se la somete a un reacutegimen de
trabajo de muchos ciclos diarios probablemente soacutelo
duraraacute unos meses mientras que si el reacutegimen es de un
ciclo al diacutea o incluso maacutes lento (como ocurre en el caso de
iluminacioacuten de viviendas con energiacutea solar) la bateriacutea
puede durar al menos diez antildeos
133 Capacidad de una Bateriacutea
Es la cantidad de electricidad que puede entregar cuando se
descarga antes de que su tensioacuten disminuya por debajo de un
nivel miacutenimo Su siacutembolo es C y se expresa en A - h Otro
factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una bateriacutea
es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten quiacutemica
que tiene lugar en el acumulador se acelera demasiado y la
vida se acorta Si la temperatura es baja la vida se prolonga
pero si baja demasiado puede correr el riesgo de congelacioacuten
En este caso lo mejor seraacute mantener la bateriacutea en un nivel de
140
carga alto ya que cuanto mayor sea la concentracioacuten del
electrolito el punto de congelacioacuten seraacute maacutes bajo
La capacidad de una bateriacutea variacutea seguacuten el reacutegimen de
descarga aumenta a medida que la descarga es maacutes lenta y
disminuye cuando esta es maacutes raacutepida
Por esta razoacuten el valor de C debe venir referenciado con el
tiempo de descarga
FIGURA 14 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
REGIMEN DE DESCARGA [13]
Un incremento de la temperatura dentro de unos liacutemites
aumenta la actividad de los procesos quiacutemicos y por lo tanto
la capacidad de la bateriacutea Por el contrario a bajas
temperaturas la actividad quiacutemica es menor y la capacidad
disminuye considerablemente
141
FIGURA 15 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN LA
TEMPERATURA [13]
La historia de la bateriacutea afecta tambieacuten a la capacidad Si una
bateriacutea lleva un largo periacuteodo sin ser recargada en toda su
capacidad se produce un efecto memoria que impide que
recupere su capacidad nominal siendo necesarios varios
ciclos de carga y descarga para recuperarla El
envejecimiento de una bateriacutea merma su capacidad y va
disminuyendo a lo largo de su vida en funcioacuten del servicio de
carga - descarga a que sea sometida Para el caacutelculo de la
capacidad nominal necesaria hay que tener en cuenta la vida
uacutetil que se desea para la bateriacutea si se desea una vida uacutetil de
142
3 antildeos y el fabricante indica que al final de este periacuteodo soacutelo
se mantiene el 50 de la capacidad habraacute que utilizar una
bateriacutea de capacidad doble a la estimada necesaria
FIGURA 16 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
NUacuteMERO DE CICLOS [13]
Ademaacutes de los ciclos de carga - descarga tambieacuten hay que
considerar la profundidad de la descarga media que se
produce en cada uno de ellos Si dicha descarga es
moderada y soacutelo de vez en cuando se alcanza una
profundidad elevada el nuacutemero de ciclos que soportaraacute las
bateriacuteas seraacute elevado A medida que se la someta a
descargas maacutes profundas el nuacutemero de ciclos que podraacute
realizar y por tanto su vida uacutetil iraacute disminuyendo En
143
cualquier caso la profundidad de descarga maacutexima admisible
para un acumulador plomo - aacutecido es del 80
FIGURA 17 VARIACION DE LA VIDA UTIL EN FUNCION
DE LA DESCARGA [13]
Con un reacutegimen de descarga diaria del 25 de su capacidad
y un 80 de descarga 2 veces al antildeo (condiciones que
normalmente se dan en una instalacioacuten fotovoltaica) la
bateriacutea solar puede alcanzar una vida uacutetil de maacutes de 11 antildeos
Otro factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una
bateriacutea es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten
quiacutemica que tiene lugar en el acumulador se acelera
demasiado y la vida se acorta Si la temperatura es baja la
144
vida se prolonga pero si baja demasiado puede correr el
riesgo de congelacioacuten En este caso lo mejor seraacute mantener
la bateriacutea en un nivel de carga alto ya que cuanto mayor sea
la concentracioacuten del electrolito el punto de congelacioacuten seraacute
maacutes bajo
Las mayores formas de acortar la vida uacutetil de un acumulador
son
someterlos a cargas y descargas violentas y repetidas
descargarlo hasta el agotamiento
trabajar a temperaturas extremas
134 Autodescarga
La autodescarga de una bateriacutea consiste en la peacuterdida de
energiacutea por reaccioacuten entre los materiales que forman los
elementos de la bateriacutea en condiciones de circuito abierto es
decir cuando no hay carga alguna conectada al circuito de la
bateriacutea Depende del tipo de bateriacutea y muy directamente de la
temperatura aumentando con esta Por ello y dado que los
valores estaacutendar suelen venir referidos a una temperatura
145
media (unos 20 oacute 25ordmC) es preciso tener en cuenta que este
factor puede alterarse en algunos casos
FIGURA 18 VARIACION DE LA CAPACIDAD POR
AUTODESCARGA [13]
La autodescarga hay que considerarla como un consumo
adicional que demanda un cierto porcentaje de energiacutea
almacenada Su valor es aproximadamente de un 05 a un
1 diario en bateriacuteas plomo - aacutecido
146
135 Almacenamiento
Los fabricantes suelen dar recomendaciones para el almacenamiento
Mostramos las condiciones recomendadas para aplicaciones solares
en la tabla siguiente
TABLA 12 PARAMETROS DE ALMACENAMIENTO [18]
Las bateriacuteas almacenadas llenas y cargadas requieren un periodo de
recarga antes de su instalacioacuten El fabricante debe proporcionar las
instrucciones acerca de los intervalos y meacutetodos en los que debe
efectuarse
La exposicioacuten a alta temperatura y humedad durante el
almacenamiento puede ocasionar una peacuterdida de capacidad La
temperatura de una bateriacutea guardada en un recipiente expuesto a la
luz directa del sol puede subir a 60 degC o maacutes durante el diacutea
147
136 Principales Meacutetodos de Carga
La vida uacutetil de una bateriacutea y sus prestaciones dependen
directamente de los procesos de carga a los que es sometida
Por esta razoacuten hay que seguir en cada caso las
recomendaciones que da el fabricante
Los principales meacutetodos de carga son
1 Tensioacuten constante
2 Corriente constante
3 Corriente descendente
4 Dos niveles de tensioacuten constante
Tensioacuten constante
El meacutetodo de carga a tensioacuten constante es el maacutes usado para
cargar bateriacuteas de plomo - aacutecido Consiste en aplicar una
tensioacuten constante de 23 24 oacute 25 Velemento limitando la
corriente inicial de carga a 01C oacute 02 C amperios siendo C la
capacidad de la bateriacutea en amperios - hora El tiempo de
carga va de 40 horas a 10 horas y la tensioacuten debe regularse
seguacuten la temperatura ambiente si la temperatura es alta la
tensioacuten de carga debe ser baja y viceversa
148
Algunos fabricantes admiten la utilizacioacuten de este meacutetodo sin
limitacioacuten de corriente pues sus bateriacuteas estaacuten
dimensionadas para fuertes corrientes En este caso si se
inicia el proceso con 23Velemento la corriente inicial
despueacutes de una descarga profunda seraacute de 3C amperios y de
un 05C durante un periacuteodo largo
Corriente constante
El meacutetodo de carga a corriente constante es recomendado
por algunos fabricantes para las bateriacuteas de niacutequel - cadmio
limitando la corriente entre 025C y 005C amperios En el
caso de carga profunda se admiten corrientes de 1C
amperios pero vigilando la tensioacuten de la bateriacutea o la
temperatura
La carga a corriente constante se utiliza como carga de
igualacioacuten en bateriacuteas plomo - aacutecido para corregir diferencias
de capacidad entre las bateriacuteas de un mismo grupo Para
evitar una sobrecarga que destruya la bateriacutea es necesario
terminar cuando la bateriacutea alcance su maacutexima capacidad
149
Corriente descendente
Es el sistema de carga maacutes econoacutemico y es utilizado por
algunos fabricantes para sus bateriacuteas niacutequel - cadmio
Consiste en una carga sin regulacioacuten limitada por una
resistencia serie que en algunos casos es la propia
resistencia del devanado del transformador de alimentacioacuten
A medida que la bateriacutea se va cargando la corriente de carga
va descendiendo gradualmente Es un meacutetodo antiguo y muy
peligroso porque la tensioacuten y corriente de carga dependen de
las fluctuaciones de la corriente de la red con lo que existe
riesgo impliacutecito de sobrecarga
Dos niveles de tensioacuten constante
Es el meacutetodo recomendado para cargar una bateriacutea de plomo
- aacutecido hermeacutetica en un periacuteodo corto de tiempo y mantener la
bateriacutea en plena carga en situacioacuten de flotacioacuten Inicialmente
se carga a un nivel alto de tensioacuten (245Velemento)
limitando la corriente A partir de que esta disminuya por
debajo de un nivel se pasa a tensioacuten constante permanente o
de flotacioacuten Este meacutetodo es el maacutes eficiente pues minimiza el
tiempo de carga y la bateriacutea queda protegida de sobrecargas
150
Despueacutes de una descarga profunda es necesario un tiempo
de carga maacutes largo de lo normal Inicialmente la corriente que
admite la bateriacutea es baja ya que la resistencia interna tiene
un valor elevado y no adquiere su valor normal hasta pasados
unos 30 minutos Por este motivo es necesario inhibir el
control durante este periacuteodo de tiempo pues el cargador
podriacutea suponer que la bateriacutea estaacute cargada y dejarla en
flotacioacuten
137 Control de Carga
Para mantener el rendimiento oacuteptimo de una bateriacutea es esencial que
su carga se controle adecuadamente Al comienzo del ciclo de carga la
corriente deberiacutea limitarse para asegurar que no se produzca
generacioacuten de gases a causa de un voltaje excesivo aplicado al vaso
mientras la capacidad se recupera la corriente de carga debe
limitarse para mantener el voltaje de los vasos en el umbral requerido
para la generacioacuten de gases o ligeramente inferior una vez
recuperada la plena capacidad se deberiacutea aplicar una carga final a
corriente constante por un periacuteodo de tiempo fijo (carga de
igualacioacuten) Aunque estas condiciones no puedan lograrse
praacutecticamente en los sistemas de energiacutea fotovoltaica hay ciertas
151
circunstancias que se necesitan para minimizar el mantenimiento y
mantener la vida de la bateriacutea Los paraacutemetros del regulador tendraacuten
en cuenta los efectos del disentildeo del generador fotovoltaico la carga
la temperatura y los valores liacutemite recomendados para proteger la
bateriacutea Las de plomo-aacutecido o de niacutequel-cadmio tendraacuten el electrolito
suficiente para cubrir el periacuteodo entre por lo menos las visitas de
mantenimiento planificadas [13]
La sobrecarga excesiva no aumenta la energiacutea almacenada en la
bateriacutea En cambio la sobrecarga afecta al intervalo de servicio
debido al consumo de agua destilada en las bateriacuteas aacutecidas como
resultado de la generacioacuten de gases Para minimizar este efecto el
voltaje de regulacioacuten de la carga debe compensarse con los cambios
en la temperatura del electrolito ya que esto afecta directamente al
umbral de voltaje de generacioacuten de gases Contrariamente a esto la
estratificacioacuten puede ocurrir en bateriacuteas de electrolito liacutequido
particularmente en sistemas fotovoltaicos doacutende la insolacioacuten es a
menudo insuficiente para proporcionar generacioacuten de gases durante
el funcionamiento normal La estratificacioacuten se produce cuando capas
menos densas de electrolito se depositan sobre capas maacutes densas
situadas en el fondo de los vasos lo que produce una reduccioacuten de
152
capacidad Esto puede corregirse con la agitacioacuten que se produce
durante el proceso de gasificacioacuten Por consiguiente el proceso de
regulacioacuten de carga debe disentildearse para promover la generacioacuten de
gases a intervalos regulares Esto puede lograrse elevando el voltaje
de control de carga durante un periacuteodo y restablecieacutendolo una vez
que se ha producido la generacioacuten de gases
138 Administracioacuten de la Temperatura en las Bateriacuteas
Limites de temperatura de operacioacuten
Todas las bateriacuteas dependen para su funcionamiento de un proceso electroquiacutemico
ya sea en carga o descarga y sabemos que estas reacciones quiacutemicas son en alguna
manera dependientes de la temperatura La capacidad nominal de una bateriacutea se
especifica usualmente en alguacuten punto dentro del rango de trabajo entre +20ordmC hasta
+30ordmC (+68ordmF ~ +86ordmF) sin embargo la capacidad real puede desviarse
substancialmente del valor nominal si la bateriacutea es forzada a trabajar a mayores o
menores temperaturas (Figura 18) La Ley de Arrhenius dice que la velocidad a la
cual una reaccioacuten quiacutemica se produce incrementa exponencialmente seguacuten la
temperatura aumenta Esto permite que se extraiga mayor potencia de la bateriacutea en
un instante a mayores temperaturas que la de trabajo Al mismo tiempo las mayores
temperaturas aumentan la movilidad de los electrones o iones reduciendo asiacute la
impedancia interna de la celda por consiguiente aumentando su capacidad Sin
embargo en el extremo superior de la escala las altas temperaturas pueden
tambieacuten iniciar reacciones quiacutemicas no deseadas o irreversibles yo peacuterdida de
electrolito lo cual puede causar un dantildeo permanente o falla completa de la bateriacutea
En el extremo inferior de la escala el electrolito se puede congelar fijando un liacutemite
153
para la capacidad a bajas temperaturas Por debajo del punto de congelamiento del
electrolito la capacidad de la bateriacutea comienza a deteriorarse seguacuten la velocidad de
la reaccioacuten quiacutemica se reduce Auacuten cuando una bateriacutea esteacute especificada para
trabajar bajo los -20ordmC oacute -30ordmC la capacidad a 0ordmC y por debajo de este punto de
disminuye considerablemente Debemos tomar en cuenta que el liacutemite inferior de
temperatura de trabajo de una bateriacutea puede depender de su estado de carga Un
sistema real puede por lo tanto necesitar ambos calentamiento y enfriamiento
ambiental forzado para mantenerlo no soacutelo dentro de los rangos liacutemite de trabajo
especificado por el fabricante sino dentro de un rango maacutes limitado para alcanzar
desempentildeo oacuteptimo
FIGURA 18 CAPACIDAD DE CARGA DE BATERIAS PLOMO ndash ACIDO A
DIFERENTES TEMPERATURAS
Efectos teacutermicos externos
154
Efectos teacutermicos externos La condicioacuten teacutermica de la bateriacutea es tambieacuten dependiente
de su ambiente Si su temperatura estaacute sobre la temperatura ambiente perderaacute calor
por efecto de la conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten Si la temperatura ambiente es
mayor la bateriacutea absorberaacute calor de sus alrededores
Cuando la temperatura ambiente es muy alta el sistema de manejo de la
temperatura debe trabajar muy duro para mantener la temperatura bajo control Una
sola celda puede trabajar muy bien a la temperatura ambiente de una sala por siacute
sola pero si es parte de un paquete de bateriacuteas rodeada de celdas similares todas
generando calor auacuten si la carga es la misma para todas podriacutea exceder sus liacutemites
de temperatura
FIGURA 19 REACCION EXOTERMICA
155
CAPITULO 2
2 DESCRIPCIOacuteN DEL PROBLEMA
Las unidades navales de la Armada del Ecuador dentro de los escenarios
en tiempo de paz y conflicto una de sus principales funciones es de
mantener los equipos y sistemas operativos como parte fundamental en
la operatividad como parte de estas funciones la Direccioacuten de
Mantenimiento de la institucioacuten es la encargada de realizar el cambio de
las bateriacuteas del Escuadroacuten de submarinos de que son las encargadas
suministrar energiacutea eleacutectrica a todo el submarino
156
Se adquiere una remesa de 960 bateriacuteas nuevas para eacutel los submarinos
a la empresa alemana Hawker GMBH ya que es necesario se efectuacutee la
remocioacuten de las bateriacuteas por cuanto su tiempo de vida uacutetil fue alcanzado
en el antildeo 2006 estos equipos vienen realizados sus pruebas de control
de calidad pero no vienen eleacutectricamente cargadas por lo que se
requiere realizar la operacioacuten de activacioacuten en tierra antes de ser puestas
en los submarinos
Para esto se requiere construir un sistema que permita la carga de 120
bateriacuteas a la vez Como se analizoacute en el Capitulo 1 existen tres
paraacutemetros que se debe controlar en el momento de carga o activacioacuten
de estos elementos que son
Voltaje
Corriente
Temperatura
El paraacutemetro de voltaje es necesario conocerlo para saber cuando las
celdas necesitan recargarse o cuando una de las celdas esta averiada y
tomar las acciones necesarias para continuar con el procedimiento de
activacioacuten de los elementos
157
El paraacutemetro de la corriente es necesario conocerlo para saber queacute
cantidad de energiacutea eleacutectrica estaacute entregando o recibiendo las celdas y
de esta manera conocer los amperios ndash hora que estaacute recibiendo las
celdas
El paraacutemetro de temperatura es criacutetico y es el paraacutemetro que esta tesis
estaacute encargada de controlar en este proceso de activacioacuten ya que se
desprende hidrogeno y sabiendo que el hidrogeno es un gas inflamable y
que al combinarse con el oxigeno en un determinado porcentaje es
detonante por este motivo se debe tener estricto control en la
temperatura de las celdas y de la concentracioacuten de hidrogeno en el aacuterea
de activacioacuten
El resultado de los efectos termo-eleacutectricos y termo-quiacutemicos posiblemente aumentados por las
condiciones ambientales es generalmente un aumento en la temperatura y como se dijo
anteriormente esto provocaraacute un incremento exponencial en la velocidad a la cual la reaccioacuten
quiacutemica se da Tambieacuten sabemos que si el aumento de temperatura es excesivo muchas cosas
desagradables pueden suceder
Los quiacutemicos activos se expanden causando que la celda se
ldquohincherdquo
Distorsiones mecaacutenicas en los componentes de la celda pueden
provocar corto circuitos o circuitos abiertos
158
Pueden darse reacciones quiacutemicas irreversibles las cuales
causaraacuten una reduccioacuten permanente en los quiacutemicos activos y por
lo tanto en la capacidad de la celda
Operacioacuten prolongada a altas temperaturas puede causar roturas
en partes plaacutesticas de la celda
Se expeleraacuten muchos gases de la celda debido a lo cual aumenta
la presioacuten dentro de esta lo que puede llevar eventualmente a una
ruptura o explosioacuten de la misma
Se podriacutean liberar quiacutemicos toacutexicos o inflamables
21 Requerimientos para el Proceso de Enfriamiento de las
Bateriacuteas de los Submarinos
Las bateriacuteas son colocadas en un cuarto de activacioacuten designado por la Armada del
Ecuador este cuarto debe ser adecuado para colocar 240 bateriacuteas colocadas sobre
plataformas de carga 4 unidades por plataforma en fila cada bateriacutea debe ser enfriada
de acuerdo a los paraacutemetros especificados por el fabricante
159
FIGURA 21 TRABAJOS PRELIMINARES
El enfriamiento de los elementos de la bateriacutea se consigue haciendo pasar el agua
destilada a traveacutes de los polos negativos y positivos que son huecos pasando desde
aquiacute a traveacutes de tuberiacuteas de salida hacia la tuberiacutea principal
Salida de agua
destilada caliente
Ingreso de agua
destilada friacutea
Salida de agua
destilada caliente
160
FIGURA 22 ESQUEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIA POR MEDIO DE AGUA
DESTILADA
22 Condiciones Teacutecnicas para la Activacioacuten de las Bateriacuteas de
Los Submarinos
Por lo que debe cumplirse con los programas de carga y descarga
siendo la temperatura un paraacutemetro a controlar principalmente en
el periodo de carga
Carga 10 h 590 A 5900 A-h
40 h 435 A 17400 A-h
Ingreso de agua
destilada friacutea
161
4 h Pausa
18 h 200 A 3600 A-h
Descarga 16 h 564 A
Carga aprox 31 h Carga Factor carga 125
27 Cargar 2h 200 A1h pausa
Descarga 20 h 564 A
Carga aprox 36 h Cargar IUI
TABLA 21 PROGRAMA DE CARGA ELECTRICA PARA LA ACTIVACION DE LAS
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
23 Alternativas de Solucioacuten
Los procesos de enfriamiento del agua se cuentan entre los maacutes antiguos que haya
desarrollado el hombre Por lo comuacuten el agua se enfriacutea exponiendo la superficie al aire
Algunos de estos procesos son lentos como el enfriamiento del agua en la superficie
de un estanque otros son comparativamente raacutepidos por ejemplo el rociado de agua
hacia el aire todos estos procesos implican la exposicioacuten de la superficie del agua al
aire en diferentes grados
Al enfriar agua es importante tener en cuenta consideraciones que mejoraran al modo
de enfriamiento del agua y que pueden significar un mayor rendimiento en el proceso
industrial Por esta razoacuten los meacutetodos de enfriamiento pueden ser mejorados en base a
estudios preliminares que cumplen con las normas existentes
162
El agua en estado puro no existe y dependiendo de la fuente de donde provenga
contiene un sin nuacutemero de impurezas a continuacioacuten enlistaremos solo las que nos
afectan en el tratamiento interno de los sistemas de enfriamiento
Constituyente Formula Quiacutemica
Dificultad de causa
Dureza Sales de Ca y Mg Fuente principal de incrustaciones en tuberiacuteas
Acidez mineral H2SO4
Libre HCl Corrosioacuten
Dioacutexido de carbono CO2 Corrosioacuten en las liacuteneas de agua
Sulfatos
SO4
Aumenta el contenido de soacutelidos en el agua Se combina con calcio para formar sales incrustantes de sulfato de calcio
Cloruros
Cl como NaCl
Aumento el contenido de soacutelidos e incrementa el caraacutecter corrosivo del agua
Siacutelice
SiO2
Incrustacioacuten en sistemas de agua de enfriamiento
Hierro Fe +2 ferroso
Fe +3 feacuterrico
Fuente de depoacutesitos en las tuberiacuteas
Oxigeno O2 Oxidacioacuten en tuberiacuteas
Sulfuro de hidrogeno H2S Corrosioacuten
Soacutelidos disueltos Elevadas concentraciones de soacutelidos son indeseables debido a que originan formacioacuten de lodos
Soacutelidos suspendidos Originan depoacutesitos en equipos intercambiadores de calor y tuberiacuteas ocasionan formacioacuten de lodos o incrustaciones
Microorganismos Algas limo y hongos
Formacioacuten de adherencia suciedad bioloacutegica corrosioacuten olores desagradables
TABLA 22 IMPUREZAS MAS COMUNES EN EL AGUA QUE AFECTAN LOS
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
De acuerdo a las especificaciones indicadas anteriormente
principalmente se requiere remocioacuten de calor de las bateriacuteas
163
mientras estas se encuentran en el proceso de activacioacuten en tierra
para la cual se plantea algunas alternativas de varios sistemas de
enfriamiento para posteriormente escoger la maacutes oacuteptima
231 Sistema de enfriamiento directo
Las instalaciones donde se van a colocar las bateriacuteas para ser
activadas estaacuten cerca del estero para lo cual se analizaran
ventajas y desventajas de utilizar este sistema
E-1
Agua de mar
Cuarto de
activacion de
baterias
FIGURA 23 ESQUEMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
DIRECTO
Ventajas
Se tiene agua permanente y en gran cantidad tomada desde
el estero
164
No se requiere instalaciones hidraacuteulicas complicadas
Desventajas
El agua que debe ingresar al sistema de enfriamiento de las
bateriacuteas debe ser esteacuteril pero el agua del estero contiene
cantidades apreciables de sales disueltas lo que implica el
que se tendriacutea que pensar en una planta de tratamiento de
agua
El agua caliente que sale como producto de la remocioacuten de
calor retorna al estero se presenta el problema de
contaminacioacuten teacutermica que puede ser tan grave como
cualquier otra forma de contaminacioacuten ya que el agua tibia
estimula el crecimiento anormal de algas que en cierto modo
consume el oxigeno de uso animal
232 Sistema de enfriamiento para Bateriacuteas de Submarino
utilizando Intercambiadores Enfriados por Aire
Consiste en una serie de tubos situados en una corriente de
aire que puede ser forzada con ayuda de un ventilador
Ventajas
Los tubos suelen tener aletas para aumentar el aacuterea de
transferencia de calor
165
Pueden ser de hasta 12 m de largo y 25 a 5 m de ancho
Un intercambiador de aire tiene una diferencia de
temperatura de unos 12 oC
Desventajas
En un intercambiador de calor enfriado por aire hay que
considerar gastos de enfriamiento del agua es
relativamente caro
E-1
Cuarto de activacion de
baterias
E-2
FIGURA 24 ESQUEMA DE SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
UTILIZANDO INTERCAMBIADORES ENFRIADOS POR AIRE
233 Sistema de Enfriamiento de Bateriacuteas de Submarino
Utilizando Chiller
Un Chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea
para el enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor
generado en un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que
el proceso finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su
temperatura y el agua durante el paso por el proceso la eleva
El agua ahora caliente retorna al chiller donde nuevamente se reduce su
temperatura para ser enviada nuevamente al proceso
166
Ventajas
El chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten
Alimentacioacuten al sistema con diferentes caudales y presiones y temperaturas
de agua
Alto rango de enfriamiento inclusive temperaturas de congelacioacuten con
adicioacuten de anticongelantes
Desventajas
Mantenimiento costoso ya que incluye un compresor un condensador
evaporador vaacutelvula de expansioacuten refrigerante y tuberiacuteas
Consumo de energiacutea
CHILLER
ENFRIADOR DE AGUA
DESTILADA
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
FIGURA 25 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIAS PARA
SUBMARINO UTILIZANDO UN CHILLER
234 Sistema de Enfriamiento Utilizando Intercambiador de
Calor y Torre de Enfriamiento
167
Ventajas
Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para
enfriar un fluido que esta maacutes caliente de lo deseado
transfiriendo este calor a otro fluido que esta frio y
necesita ser calentado
La transferencia de calor se realiza a traveacutes de una
pared metaacutelica o de un tubo que separa ambos fluidos
Las torres para enfriamiento de agua son dispositivos
cuya finalidad es extraer calor del agua a traveacutes del
contacto directo con el aire
Las torres tienen muacuteltiples aplicaciones desde
pequentildeas instalaciones de aire acondicionado hasta en
grandes complejos de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
Se puede decir que su uso estaacute justificado en sistemas
que utilizan agua como medio refrigerante donde sea
necesario disipar grandes cantidades de calor a bajo
costo y el salto de temperatura requerido sea del orden
de 10degC
La Armada del Ecuador proporcionara el banco de
tubos de un Intercambiador de Calor en desuso
Desventajas
Sistema ocupa mayor espacio fiacutesico
168
Tiempo de montaje relativamente largo
Sistemas sujetos a mayor corrosioacuten
Alcanza diferenciales de temperatura bajos en relacioacuten
a los otros sistemas
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
INTERCAMBIADOR
DE CALOR
AGUA DE TORRE CALIENTE (SALE
DEL INTERCAMBIADOR)
AGUA DESTILADA
CALIENTE SALE DE
BANCO DE BATERIAS
AGUA FRIA DE
TORRE ENTRA AL
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA FRIA
SALE DE
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA A
TEMPERATURA
ADECUADA (FRIA)
ENTRA A LAS BATERIAS
FIGURA 26 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO UTILIZANDO
INTERCAMBIADOR DE CALOR Y TORRE DE
ENFRIAMIENTO
24 Seleccioacuten de la Mejor Alternativa para el Sistema de
Enfriamiento de las Bateriacuteas
169
Para la seleccioacuten del sistema de enfriamiento para las bateriacuteas
de los submarinos se utilizaraacute una matriz de decisioacuten de
acuerdo a los paraacutemetros descritos anteriormente tomando en
cuenta las ventajas y las desventajas de cada sistema se ha
tomado en cuenta para esta operacioacuten los paraacutemetros maacutes
significativos en el proceso de la solucioacuten del problema
asignando a cada uno un porcentaje de acuerdo a la
importancia que este brinda para escoger la solucioacuten
Para ingresar a la matriz a las alternativas se les reconoceraacute
con sus iniciales
Sistema de enfriamiento directo SED
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador
enfriado por aire
SEIEA
Sistema de enfriamiento utilizando chiller SECh
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador de
calor y Torre de enfriamiento
SEICTE
170
Paraacutemetros
1 Costos de los sistemas de enfriamiento 3
2 Mantenimiento de equipos 4
3 Cumple con especificaciones y requerimientos de la
propuesta 2
4 Facilidad para adquisicioacuten de equipos 3
5 Durabilidad del sistema 1
1 2 3 4 5 Total
3 4 2 3 1
SED 25 2 0 15 05 65
SEIEA 15 10 10 10 05 50
SECh 05 10 10 10 10 45
SEICTE 15 15 15 15 10 70
TABLA 23 MATRIZ DE DECISION
De acuerdo a la matriz de decisioacuten planteada la solucioacuten maacutes
adecuada es la propuesta del sistema de enfriamiento con
intercambiador de calor y torre de enfriamiento
Existen varias torres de enfriamiento que se podriacutean adaptar al
sistema a continuacioacuten se mencionaran cada una de estas para
seleccionarla de por medio de otra matriz de decisioacuten
171
25 Torres de Enfriamiento y su Clasificacioacuten
251 Torres de circulacioacuten natural
Estas no hacen uso de ventiladores para la circulacioacuten de aire se clasifican en
torres atmosfeacutericas
torres de tiro natural
Torres atmosfeacutericas
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Utilizan las corrientes de aire de la atmoacutesfera (son de flujo cruzado)
2 Son abiertas
3 Deben instalarse en lugares muy despejados de forma que ninguacuten obstaacuteculo
pueda impedir la libre circulacioacuten de aire a traveacutes de la torre
4 Tienen un costo inicial alto debido a su gran tamantildeo pero el costo de
mantenimiento es reducido al no existir partes mecaacutenicas moacuteviles
5 Se debe garantizar que funcionaraacute habitualmente expuesta a vientos de
velocidades iguales o superiores a los 8 kmh
6 Si la velocidad promedio del viento es baja los costos fijos y de bombeo
aumentan mucho en relacioacuten a una torre de tiro mecaacutenico y no compensan el
ahorro del costo de ventilacioacuten Actualmente las torres atmosfeacutericas estaacuten en
desuso
172
Torres de tiro natural
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno
2 La diferencia de densidades entre el aire huacutemedo caliente y el aire atmosfeacuterico
es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a traveacutes de la torre
3 La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el
viento que circula por la parte superior de la chimenea tambieacuten ayuda a
establecer el flujo de aire
4 Son altas y deben tener una seccioacuten transversal grande para facilitar el
movimiento del aire ascendente
5 Tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes
caudales de agua
6 Al igual que las torres atmosfeacutericas no tienen partes mecaacutenicas
7 La velocidad media del aire a traveacutes de la torre suele estar comprendida entre 1
y 2 ms
8 No es posible conseguir un valor de acercamiento pequentildeo y es muy difiacutecil
controlar exactamente la temperatura del agua
9 En las torres de tiro -natural no se pueden utilizar rellenos de gran compacidad
debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo maacutes pequentildea posible
10 Estas torres son muy utilizadas en centrales teacutermicas muy pocas veces son
aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversioacuten inicial necesaria
252 Torres de tiro mecaacutenico
1 Proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado
2 Son torres compactas con una seccioacuten transversal y una altura de bombeo
pequentildeas en comparacioacuten con las torres de tiro natural
3 Valores de acercamiento muy pequentildeos (hasta de 1 a 2 ordmC aunque en la
praacutectica acostumbra a ser de 3 a 4 ordmC)
4 Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire el tiro es forzado
173
5 Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire se habla de tiro
inducido
Torres de tiro forzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre
2 Son casi siempre de flujo a contracorriente
3 Son maacutes eficientes que las torres de tiro inducido puesto
que la presioacuten dinaacutemica convertida a estaacutetica realiza un
trabajo uacutetil El aire que se mueve es aire friacuteo de mayor
densidad que en el caso de tiro inducido
4 El ventilador trabaja con aire friacuteo y no saturado
5 El equipo mecaacutenico tendraacute una duracioacuten mayor que en el caso de tiro inducido
6 El inconveniente radica en la posibilidad de recirculacioacuten del
aire de salida hacia la zona de baja presioacuten creada por el
ventilador en la entrada de aire En la siguiente figura se
puede observar la distribucioacuten de sus partes constituyentes
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
174
Flujo de aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 27 TORRE DE ENFRIAMIENTO DE TIRO FORZADO
Torres de tiro inducido
Estas torres son de gran importancia a nivel industrial son solucioacuten econoacutemica
a los requerimientos de enfriamiento pueden ser de dos tipos
De flujo a contracorriente
De flujo cruzado
Torres de tiro inducido y flujo a contracorriente
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Tanto el agua como el aire van en la misma direccioacuten pero en
sentidos opuestos
2 El agua maacutes friacutea se pone en contacto con el aire maacutes seco
lograacutendose un maacuteximo rendimiento
3 El aire puede entrar a traveacutes de una o maacutes paredes de la torre
4 Altura de entrada de aire reducida en comparacioacuten con las de tiro
inducido y flujo cruzado Existe el riesgo de arrastre de suciedad y
cuerpos extrantildeos dentro de la torre debido a la velocidad de
entrada de aire
5 La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se
traduce en un aumento de la potencia de ventilacioacuten en
comparacioacuten con otras torres En la siguiente figura se observa la
distribucioacuten de las partes constituyentes de este tipo de torre
175
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Ducto de salida de aire
Ventilador
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
Bandeja colectora de agua friacutea
Agua friacutea
Acceso de aire friacuteo no saturado
FIGURA 28 TORRE DE FLUJO A CONTRACORRIENTE Y TIRO
INDUCIDO
Torres de tiro inducido y flujo cruzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
176
1 El aire circula en direccioacuten perpendicular respecto al
agua que desciende
2 Tienen una altura menor que las torres de flujo a
contracorriente ya que la altura total de la torre es
praacutecticamente igual a la del relleno Pero su
diaacutemetro o seccioacuten transversal es relativamente
mayor a las de tiro inducido y flujo a contracorriente
3 El mantenimiento de estas torres es menos
complicado que en el caso de las torres a
contracorriente
4 Facilidad de inspeccioacuten de los distintos
componentes internos de la torre
5 La principal desventaja de estas torres es que no
son recomendables para aquellos casos en los que
se requiera un gran salto teacutermico y un valor de
acercamiento pequentildeo puesto que ello significaraacute
maacutes superficie transversal y maacutes potencia de
ventilacioacuten que en el caso de una torre de flujo a
contracorriente
En la siguiente figura se observan sus partes
177
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Depoacutesito
surtidor de agua caliente
Aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 29 TORRE DE FLUJO CRUZADO Y TIRO INDUCIDO
253 Especificacioacuten del Tipo de Torre de Enfriamiento a Usarse
Para seleccionar el tipo de torre de enfriamiento adecuado empleo una matriz de
decisioacuten en la que en la primera fila pondero al costo inicial costo de operacioacuten
tamantildeo compacto facilidad de mantenimiento y sobre todo al espacio requerido
para el montaje como las caracteriacutesticas requeridas para solucionar el problema
Las alternativas de solucioacuten son las 5 clases de torre de enfriamiento a las que
asigno una jerarquiacutea del 1 al 10 en funcioacuten de las caracteriacutesticas dadas en la
anterior clasificacioacuten de las torres de enfriamiento
De la sumatoria de los valores resultantes de la multiplicacioacuten de ponderacioacuten y
jerarquiacutea de cada tipo de torre se elegiraacute al tipo que posea mayor resultado
178
TABLA 25 MATRIZ DE DECISION PARA SELECCIONAR EL TIPO DE TORRE
Es evidente que la mejor opcioacuten es el tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico
y flujo a contracorriente Esto debido a que comparativamente tiene menor tamantildeo
y aacuterea de montaje requerido aunque no posea los menores costos iniciales y de
operacioacuten tal es el caso del tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico forzado
Esta es relativamente maacutes difiacutecil de limpiar y realizar su montaje razoacuten por la que
se descarta
179
CAPITULO 3
3 ANALISIS TEacuteRMICO
31 Descripcioacuten del Sistema
A partir de la figura 26 implica algunos anaacutelisis para el disentildeo del sistema de enfriamiento y es asiacute
que
Las bateriacuteas como se indico en los requerimientos del sistema van a ser cargadas 120 a la vez esto se
lo va a realizar en el galpoacuten asignado por el personal encargado del proyecto por parte de la Armada
del Ecuador
En este sitio tiene capacidad para almacenar 240 bateriacuteas como se vio en los requerimientos
eleacutectricos las bateriacuteas tienen periodos de tiempo de carga y descarga por lo que se requiere realizar
primeramente un disentildeo de un sistema que permita enfriar primeramente a 120 bateriacuteas por un tiempo
y en el periodo de descarga llevar a cargar las 120 bateriacuteas que se encuentran a continuacioacuten
180
FIGURA 31 DISPOCISION DE LAS BATERIAS EN EL CUARTO DE ACTIVACION
Para ello se disentildeo un sistema moacutevil que consta de parrillas suspendidas en ruedas en esta parrilla se
colocara las tuberiacuteas de circulacioacuten de agua destilada friacutea y saldraacute de las bateriacuteas agua destilada
caliente se indica esta disposicioacuten en el Plano 1 la parte del disentildeo de la estructura moacutevil no seraacute
parte de esta tesis
FI
GURA 32 DISPOSICION DE TUBERIA
FIGURA 33 SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO
181
FIGURA 34 DISPOSICION DE BATERIAS EN CUARTO DE ACTIVACION CON SISTEMA DE
DESPLAZAMIENTO
FIGURA 35 SISTEMA MOVIL PARA LLEVAR FLUIDO DE ENFRIAMIENTO A LAS BATERIAS
CONSTRUIDO
182
Una vez que se ha descrito el sistema el cual va a llevar el agua destilada para el enfriamiento de las
bateriacuteas se tiene que describir el sistema de enfriamiento en si del agua destilada para ello la Armada
del Ecuador doto de un intercambiador de calor que por el interior circulara agua destilada caliente para
que por su exterior circule agua friacutea proveniente de la torre de enfriamiento cerrando de esta manera el
circuito cabe notar que el intercambiador de calor es del tipo tubo coraza pero el intercambiador
adquirido no posee su coraza
Antes de hacer el disentildeo se hizo un anaacutelisis de la factibilidad de construir este sistema en nuestro
medio se consulto en el mercado el costo de una torre de enfriamiento adquirida en una empresa
importadora de estos equipos frente al anaacutelisis de una torre que se pueda construir en ERMARLO SA
resultando maacutes conveniente la construccioacuten de la torre y el acondicionamiento en el sistema de
enfriamiento este anaacutelisis se demostrara en el capiacutetulo de costos
32 Datos de Operacioacuten
A) FLUJO
1) Agua destilada
15 m3h
2) Agua de mar
15 m3h
B) PRESION
1) Agua destilada
25 kgcm2
2) Agua de mar
de la torre
C) TEMPERATURA DE
ENTRADA
183
1) Agua destilada
38 0C
2) Agua de mar
28 0C
D) TEMPERATURA DE
SALIDA
1) Agua destilada
3310C
2) Agua de mar
329 0C
E) DATOS DEL AIRE
1) Temperatura de bulbo seco
322 0C
2) Temperatura de bulbo
huacutemedo 788
33 Consideraciones del
Sistema
El sistema se instalara en un
patio al aire libre
El intercambiador de calor
debe permitir facilidades de limpieza y mantenimiento
El agua a usarse para la
torre seraacute agua potable
184
La velocidad del viento en Guayaquil es variable asiacute que el disentildeo de la torre no debe
depender de la velocidad del viento
El intercambiador de calor
dotado por parte de la Armada del Ecuador del tipo de haz de tubos y coraza este
dispositivo no posee la coraza
Para lo cual el
intercambiador de calor se analizara sumergiendo eacutel en la piscina de la torre de
enfriamiento esta disposicioacuten arrancara calor de los tubos del intercambiador para por el
meacutetodo de conduccioacuten teacutermica pasar calor al agua de la torre y hacerla circular
El agua destilada y el agua
de la torre no deben mezclarse
FIGURA 36 DISENO DE FORMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
185
34 Seleccioacuten del
Intercambiador de Calor
Un intercambiador de calor es un dispositivo que efectuacutea la transferencia de calor de un fluido a otro
que se encuentran a diferentes temperaturas y separados por una frontera solida
En forma muy general se pueden clasificar los intercambiadores de calor de acuerdo al tipo de
superficie
FIGURA 36 INTERCAMBIADOR DE HAZ DE TUBOS
186
En la primera etapa se toman en cuenta consideraciones referidas al tipo de intercambio de calor que
se produce En la segunda etapa se obtienen las propiedades de los fluidos en funcioacuten de las variables
conocidas y se calcula el coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A En la tercera etapa se elige
un intercambiador adecuado para este servicio teniendo en cuenta el coeficiente global U el aacuterea de
intercambio A y las caracteriacutesticas de los fluidos y de las corrientes En la cuarta se vuelve a calcular el
coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A Si no coinciden con el intercambiador previamente
elegido se vuelve al paso tres Si coinciden se da por terminado el proceso [2]
341 Meacutetodo F ndash LMTD para Seleccionar el Intercambiador de Calor
El balance de energiacutea da como resultado
[Energiacutea perdida por el flujo caliente]= [Energiacutea ganada por el flujo friacuteo]
O bien
mh ch(Thi ndash Th0) =mc cc(Tci ndash Tc0) Ec1
Donde
m h Flujo maacutesico del fluido caliente
c h Calor especiacutefico del fluido caliente
Thi Temperatura de entrada del fluido caliente
T h0 Temperatura de salida del fluido caliente
m c Flujo maacutesico del fluido friacuteo
c c Calor especiacutefico del fluido friacuteo
T c i Temperatura de entrada del fluido friacuteo
T c0 Temperatura de salida del fluido friacuteo
El producto (mc) aparece con frecuencia en el anaacutelisis de intercambiadores de calor y
es denominado Capacidad caloriacutefica C
C (mc)
Existen dos metodologiacuteas de anaacutelisis teacutermico de intercambiadores de calor
187
1 Meacutetodo F-LMTD
2 Meacutetodo - NTU
A continuacioacuten se presentara el anaacutelisis F-LMTD para la seleccioacuten del intercambiador de
calor
FIGURA 37 DISTRIBUCION DE TEMPERATURAS EN UN INTERCAMBIADOR DE
DOBLE TUBO EN TUBO PARALELO[1]
Se propone calcular el flujo de calor mediante
Ec 2
Donde
q Flujo de calor [W]
U Coeficiente global de transferencia de calor [Wm2K]
A Aacuterea de transferencia de calor consistente con U
Diferencia de temperatura media
188
En la figura 37 se muestra la historia de las temperaturas de los fluidos friacuteos y calientes
de este modo un balance de energiacutea nos da como resultado
Ec 3
Incorporando la capacidad caloriacutefica y arreglando la ecuacioacuten tenemos
= Ec4
Ec5
Restando ambas ecuaciones
Ec6
Sustituyendo la expresioacuten de calor expresada por
Ec7
Se obtiene la siguiente ecuacioacuten diferencial
Ec8
Integrando la ecuacioacuten anterior entre el punto 1 y el 2 se obtiene
Ec9
Si
Ec10
Ec 11
De manera que sustituyendo las ecuaciones anteriores en la ecuacioacuten previamente
integrada S
189
Ec12
Que al despejar de la ecuacioacuten anterior q se tiene
Ec13
De la uacuteltima ecuacioacuten se reconoce
Donde LMTD son las siglas en ingles de Logarithm Mean Temperature Difference
(Diferencia de temperatura logariacutetmica media)
Esta ecuacioacuten se aplica la misma expresioacuten para LMTD tanto en flujo paralelo como en
contra corriente[1]
Asignacioacuten de flujos
Las reglas aplicables para determinar que fluido va por el casco y cual por los tubos son
1- El fluido a mayor presioacuten va en los tubos
2- El fluido maacutes corrosivo va en los tubos
3- Los fluidos maacutes sucios van en los tubos
4- El fluido con menor peacuterdida de presioacuten va en el casco
5- El fluido a condensar en el casco
Diagramas Teacutermicos
Un diagrama teacutermico es la representacioacuten de la temperatura de las corrientes en funcioacuten
del calor transferido o de la longitud Si existe cruce de temperaturas seraacute necesario
utilizar varios intercambiadores en serie
Diferencia de temperatura media corregida
La diferencia media de temperaturas MTD en un intercambiador de calor de tubo coraza
es la diferencia media logariacutetmica de temperaturas multiplicada por un factor F
MTD = F LMTD Ec 14
De la ecuacioacuten 13 tenemos que
190
= Ec15
Siendo T temperatura de fluido caliente t temperatura de fluido frio
1 entrada 2 salida
El factor F se obtiene de las graficas que se daraacuten en el apeacutendice 1 Un valor de F lt 08
no es admisible por disentildeo hay que calcular P y R seguacuten las condiciones
Ec 16
Ec17
SELECCIOacuteN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Se tiene que obtener primeramente el calor removido por el intercambiador de calor para
lo cual se utilizara la ec1
q=mhch∆T Ec 11
Ch=1BTUlb 0F
∆T=88 0F
mh=Qρ Ec 12
donde
Q=15 m3h = 5297 ft
3h
ρ=6199 lbft3 Para 100
oF (ver anexo 1)
Sustituyendo en la ec12
mh=5297 ft3h6199 lbft
3 = 32836103 lbh
por lo tanto sustituyendo valores en la ec 12
q=27182539 BTUh
q=796599 W
191
Con los datos suministrados se seleccionara el intercambiador de calor adecuado
Thi = 1004
T h0 = 9158
m c = 15 h = 6605 GPM
T c i = 824
T c0 = 912
q = 27182539 BTUh
U = 150 BTUpie2
obtenido de la tabla 31
TABLA 31 ESCALA DE PRESION Y VALOR U PARA TIPOS DE
INTERCAMBIADORES DE CALOR[16]
De la Ec 2 obtenemos el aacuterea de transferencia del intercambiador
Ec 18
192
MTD = LMTD F diferencia de temperaturas medias corregidas
LMTD = 918 este valor es obtenido de la Ec 15
Para encontrar el factor de correccioacuten F utilizamos el Apeacutendice C Ingresando los valores
P y R dadas en las ecuaciones 16 y 17 obtenemos
P = 055
R = 117
F = 09
Por lo tanto
MTD = 918 09 = 82
Por la Ec 18 el aacuterea de transferencia de calor es
A = 2209 pie2 = 2052 m
2
Para calcular el nuacutemero de tubos del intercambiador tubo coraza se plantea la siguiente
ecuacioacuten
Ec 19
ardquo es un factor obtenido para el tubo frac34 obtenido del Apeacutendice E y es 0193 piepie2
por
el aacuterea de disponibilidad donde se construiraacute el sistema tiene una longitud de 8 pie
Por lo tanto el nuacutemero de tubos requeridos para el intercambiador de calor es
Nt = 14072 tubos de frac34rdquo
193
TABLA 32 AREA TRANSVERSAL DE FLUJO Y SUPERFICIE PARA
INTERCAMBIADORES DE CALOR [16]
35 Uso de Software para
Seleccioacuten de Intercambiador de Calor
En este punto se pretende realizar un anaacutelisis comparativo de los resultados obtenidos
mediante el meacutetodo analiacutetico frente al uso de un software mediante el cual se
seleccionara el intercambiador de calor requerido para el sistema de enfriamiento que se
trata
El software que se utilizara es el ESP ndash PLUS V 20 HEAT EXCAHANGER este software
daraacute como resultados el tipo de intercambiador de calor que existe comercialmente
FIGURA 38 VENTANA DE INICIO DEL PROGRAMA
194
FIGURA 38 VENTANA DE SELECCIOacuteN DE TIPO DE INTERCAMBIADOR A UTILIZARSE Y LOS
TIPOS DE FLUIDOS
195
FIGURA 39 VENTANA INGRESO DE DATOS TANTO PARA INTERCAMBIADOR COMO PARA EL
FLUIDO CIRCUNDANTE DA COMO RESULTADO LA TAZA DE FLUJO EN GPM
196
FIGURA 310 SE INTRODUCE LOS DATOS DE MATERIALES DEL INTERCAMBIADOR DE
CALOR
197
FIGURA 311 VENTADA EN LA QUE SE INTRODUCE DATOS DE LONGITUD DEL
INTERCAMBIADOR PRESION INTERNA EN LOS TUBOS Y FACTOR DE FRICCION DENTRO DE
LOS TUBOS
198
FIGURA 312 VENTANA RESULTADOS EN LA PRESION DE DISENO MATERIAL DE TAPAS
DEL INTERCAMBIADOR MATERIAL DE LOS TUBOS Y TUBERIA DE INGRESO AL MATERIAL
199
FIGURA 313 VENTANA DE RESULTADOS
200
FIGURA 314 VENTANA DE RESULTADOS
De acuerdo a este software el intercambiador que se va a seleccionar es el WU16 7 ndash 2 4 que es la
denominacioacuten comercial del constructor ITT Bell amp Gosset creador de este software
La denominacioacuten WU 16 7 ndash 2 4 cada letra y nuacutemero tiene su significado teacutecnico que a continuacioacuten se
detalla
WU Serie de intercambiador de calor
16 Diaacutemetro de la coraza del intercambiador en unidades inglesas
7 Longitud de tubo
2 Numero de pasos del intercambiador de calor
201
4 Espaciamiento de bafles
Al realizar el anaacutelisis comparativo con los meacutetodos de seleccioacuten se tiene que por el meacutetodo analiacutetico se
tiene un aacuterea de 221 ft2 frente al software que nos arroja un aacuterea de 274 ft
2 este valor diferencia
notoriamente a que la seleccioacuten del factor U en el meacutetodo analiacutetico se lo selecciono 150 BTUpie2
el
software utiliza y factor de 137 BTUpie2
notando este paraacutemetro relativamente la diferencia de aacuterea
de los dos anaacutelisis serian casi indiferentes con lo que estariacuteamos en capacidad de decidir si el
intercambiador dotado por la Armada Nacional esta dentro de los paraacutemetros requeridos dado que este
consta de 160 tubos en disposicioacuten triangular dando un aacuterea de transferencia de calor de 24707 ft2
certificando de esta manera que el intercambiador que se posee entra en el rango requerido para el
sistema por lo tanto se lo utilizara para el proceso requerido de enfriamiento del fluido caliente extraiacutedo
del banco de bateriacuteas que estaacuten en el proceso de activacioacuten
FIGURA 315 DISPOSICIONES DEL HAZ DE TUBOS [9]
Los resultados obtenidos del software se presentaran en el Anexo 3
36 Disentildeo de la Torre de
Enfriamiento
El proceso de termotransferencia que se produce en una torre para
enfriamiento de agua cualquiera fuese su tipo es el resultado de la
202
interaccioacuten entre el medio gaseoso refrigerante (aire) y el fluido a
enfriar (agua)
En las torres el agua se encuentra en contacto directo con el aire que
la enfriacutea y el proceso de transferencia de calor se realiza en parte por
intercambio de calor sensible entre la fase liacutequida y la gaseosa pero
en mayor medida por la formacioacuten de vapor de agua en la interfase
liacutequidogas y su posterior difusioacuten en el aire que la circunda
El proceso de transferencia de masa entre el liacutequido y el aire estaacute
iacutentimamente conectado con el de transferencia de calor En efecto
con el cambio de fase desde liacutequido a vapor se absorbe calor lo cual
da lugar a gradientes de temperatura en el aire adyacente a la
superficie liacutequida En muchos casos praacutecticos las condiciones en
que se desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse
que la difusividad teacutermica y el coeficiente de difusioacuten maacutesico son
iguales
203
FIGURA 316 IDEALIZACION DEL FENOMENO DE
TRANSFERENCIA [10]
361 Fundamento del Enfriamiento por Evaporacioacuten
El principio fundamental en que se basa el enfriamiento del
agua por evaporacioacuten es en el que el agua para transformarse
en vapor necesita calor (calor latente de vaporizacioacuten) cuyo
valor el alrededor de 1000 BTU lb de agua evaporada valor
que pone en manifiesto que pequentildeas cantidades de agua
evaporada producen altos efectos de enfriamiento
Este calor es tomado principalmente del liacutequido remanente lo
que produce un descenso de su temperatura
La evaporacioacuten se produce poniendo en contacto directo agua
caliente con aire atmosfeacuterico ambiente de humedad relativa
204
baja en dispositivos especiales que variacutean en complejidad
desde piscinas o lagunas abiertas hasta las torres de
enfriamiento de tiro mecaacutenico
Cuando se requiere enfriar raacutepidamente y continuamente
grandes cantidades de agua las torres de enfriamiento son las
teacutecnicas maacutes ventajosas y su funcioacuten principal es la de reducir
la temperatura del agua circulante a los valores maacutes
adecuados seguacuten el tipo de operacioacuten que tenga
Baacutesicamente el funcionamiento de una torre de enfriamiento
convencional es el siguiente
El agua caliente llega por tuberiacuteas a un distribuidor situado en la
parte superior de la unidad a una temperatura Tho luego es
distribuida en forma de pequentildeas gotas a traveacutes de una
instalacioacuten compleja de material de relleno de diferentes tipos y
calidades variando desde madera incorruptible materiales de
fribrocemento PVC ceraacutemica etc los cuales son ubicados en
forma de mallas o enrejados que dispersan la corriente
descendente del liquido y de esta forma obtener una aacuterea
maacutexima de transferencia con el aire atmosfeacuterico el cual entra
por parte inferior de la torre con una temperatura Tci de bulbo
205
seco y una humedad absoluta Yrsquo1 expresada en lb de vapor de
agua lb de aire seco
362 Caacutelculos
Datos para realizar el caacutelculo de la torre de enfriamiento
Flujo a ser enfriado L
66 GPM
Calor removido por el
intercambiador q 27182539 BTUh
Temperatura que
sale del intercambiador de calor para entrar en la torre tL2
9120 0F
Temperatura del
agua requerida luego del enfriamiento en la torre de
enfriamiento tL1 8240 0F
Temperatura de
bulbo huacutemedo tbh 7880 0F
Temperatura de
bulbo seco del aire que entra tG1 7900 0F
Temperatura del
agua de la tuberiacutea de alimentacioacuten a la torre de enfriamiento
tm 8500 0F
206
Con los datos suministrados se desea obtener los siguientes valores
a Valor teoacuterico del coeficiente total de transferencia de masa Kya
b Calculo de la seccioacuten transversal de la torre A
c Calculo del flujo de aire que circula por la torre Gs
d Calculo de la zona empaquetada Z
e Calculo de agua de compensacioacuten M
Para realizar el disentildeo de la torre de enfriamiento se debe seguir
ciertos pasos que daraacuten la pauta para disentildear una torre de
enfriamiento para cualquier necesidad o requerimiento
1 Capacidad de la
Torre de Enfriamiento
q=27182539 BTUh
Este es el calor que remueve el intercambiador de calor y que
es transmitido al agua de la torre
La capacidad de la torre se mide en Toneladas de
Refrigeracioacuten TR que es una unidad de potencia
207
Es asiacute que se tiene las siguientes relaciones para poder saber
en teacuterminos de TR la capacidad de disentildeo para la torre de
enfriamiento
1TR=3517 W = 3024 Kcalh = 3024 Frigh Ec 20
De donde
27182539 BTUh 1 TR12000 BTUh = capacidad de la torre
Capacidad de la torre = 2262 TR
Flujo especifico Lrsquo
L es flujo de agua y Lrsquo es el flujo especifico de agua que se en
encuentra en la figura 318 este valor se encuentra en
funcioacuten del rango de enfriamiento del agua (Tho ndash Thi) y la
temperatura de bulbo huacutemedo Tbh
FIGURA 317 FLUJO ESPECIFICO Lrsquo [7]
208
El valor de flujo especifico de agua que nos da la figura 317
es Lrsquo=20 galmin ft2
L= 66 GPM
Datos para las condiciones de disentildeo de la torre de
enfriamiento
E-1
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
AIREAGUA
q=27182539 BTUh
L=33000 lbh
tL2=9120 FHrsquo2=
Yrsquo2=
tL1=8240 F
Gs=
tG1=79 F
Tw1=788 F
Yrsquo1=002
Hrsquo1=
tM=85 F
M(lbh)
FIGURA 318 DIAGRAMA DEL SISTEMA PARA EL
DISENtildeO
209
Anaacutelisis de la curva de equilibrio
La teoriacutea del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento es la
que desarrolloacute el Dr Merkel Se basa en la diferencia del potencial de entalpiacutea
entonces se supone que cada partiacutecula de agua estaacute rodeada por una peliacutecula de
aire y que la diferencia de entalpiacutea entre la misma y el aire circundante
proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento
A continuacioacuten se ilustran las relaciones del agua aire y el potencial impulsor que
existe en una torre de contra flujo
FIGURA 319 RELACIONES DE AGUA Y AIRE DE UNA TORRE A
CONTRA FLUJO [25]
De la figura anterior la operacioacuten del agua estaacute representada por la liacutenea AB y se
especifica por medio de las temperaturas del agua de la torre en la entrada y
salida La liacutenea de operacioacuten del aire inicia en C verticalmente por debajo de B y
en un punto que tiene una entalpiacutea correspondiente a la temperatura de entrada
de bulbo huacutemedo La liacutenea BC representa la fuerza impulsora inicial (hrsquo- h) El
aire que sale de la torre se representa por medio del punto D y la gama de
210
enfriamiento es la longitud proyectada de la liacutenea CD sobre la escala de
temperaturas
Resumiendo la teoriacutea del Dr Merkel como se observa en la figura 319
considera el flujo de masa y energiacutea del agua a la interfase y de la interfase a la
masa gaseosa Cuando el flujo cruza estas dos fronteras cada una ofrece una
resistencia a la transferencia de materia y energiacutea que resulta en gradientes de
temperatura entalpiacutea y de humedades
El Dr Merkel demostroacute que
Q = KS(hw - ha) Ec21
S = aV Ec22
Donde
Q Calor total transferido en Btuh oacute kJh
K Coeficiente total de transferencia en lbh pie2 oacute kgh m
2
S Aacuterea de transferencia en pie2 oacute m
2 caracteriacutestica fiacutesica
a Aacuterea de transferencia equivalente por unidad de volumen 1pie oacute 1m
V Volumen efectivo de la torre pie3 oacute m
3
hw Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura del agua Btulb oacute kJkg
ha Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura de bulbo huacutemedo Btulb oacute kJkg
Existen paraacutemetros citados en la Ec21 que no son constantes tanto entalpiacuteas
como temperaturas cambian a lo largo de la torre luego derivaacutendola
dQ = d[KS(hw-ha)] = K(hw-ha)dS Ec23
Para la transferencia de calor del lado del agua
Q = CwL(thw ndash tcw) Ec24
dQ = CwLdtw Ec25
211
donde
Cw Calor especiacutefico del agua kJ(kg ordmK) BTUlb F
L Flujo maacutesico del agua que ingresa a la torre kgs lbh
tw Temperatura del agua en contacto con el relleno ordmK 0F
thw Temperatura del agua caliente que ingresa a la torre ordmK 0F
tcw Temperatura del agua friacutea que sale de la torre ordmK 0F
Para la transferencia de calor del lado del aire
Q = G(hoa ndash hia) Ec26
dQ = Gdha Ec27
Donde
G Flujo maacutesico del aire que ingresa a la torre lbh oacute kgs
hia Entalpiacutea de mezcla gaseosa que ingresa a la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
hoa Entalpiacutea de mezcla gaseosa que sale de la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
Haciendo uso de las ecuaciones 23 25 y 27 se puede obtener el calor total por
medio de las siguientes ecuaciones
K(hw-ha)dS = CwLdtw Ec28
K(hw-ha)dS = Gdha Ec29
Que se puede rescribir de la siguiente manera
aw
a
hh
dhGdSK
Ec30
aw
ww
hh
dtC
L
dSK
Ec31
Integrando las Ecuaciones 30 y 31 se tiene
hoa
hia aw hh
dh
L
G
L
KaV
L
KS Ec32
212
thw
tcw aw
ww
hh
dtC
L
KaV
L
KS Ec33
ldquoAl teacutermino KaVL se lo denomina la caracteriacutestica de la torrerdquo
La curva caracteriacutestica es utilizada para determinar el buen funcionamiento de la
torre KaVL es una medida del grado de dificultad para los requerimientos de
enfriamiento del liquido Esta curva tambieacuten puede llamarse ldquoCurva de
Requerimientos de Disentildeordquo puesto que es una medida del grado de dificultad para
alcanzar los requerimientos de disentildeo
2 Calculo de la
humedad absoluta Yrsquo1y entalpia del aire entrando Hrsquo1
para la temperatura tbh
De la carta psicomeacutetrica que se encuentra en el Apeacutendice H
se puede construir la siguiente tabla mostrada en la tabla 33
esta tabla nos indica valores de entalpias y humedades para
mezclas de aire ndash agua a 147 lbplg2
Interpolando se obtiene valores para
Yrsquo1=0022 lb de vapor de agualb de aire seco
De las relaciones psicomeacutetricas para el sistema aire ndash agua
se obtiene que
Hrsquo1= (024+045Yrsquo1)(tG1 - 32) + 10758 Yrsquo1 Ec 34
213
Hrsquo1= 249 BTUlb de aire seco
Con los datos de las temperaturas entalpias encontradas se
puede construir el diagrama de operacioacuten para esta torre de
enfriamiento representada en la figura 320 con los valores
de entalpia de la mezcla aire ndash vapor de agua como
ordenadas y los valores de temperatura como abscisas aquiacute
se representa la curva de entalpia para el aire saturado dado
en la carta psicomeacutetrica H la cual es construida con los datos
de la tabla ubicada en el Apeacutendice H
Para obtener la liacutenea de operacioacuten sobre este diagrama se
ubica el punto N que representa las condiciones de entrada
de la torre esto es tL1=8240 0F y Hrsquo1= 249 BTUlb de aire
seco
La liacutenea de operacioacuten pasara por el punto N y terminara en
alguacuten punto sobre la ordenada trazada por el punto
tL2 = 91200F Para el miacutenimo valor de Gs la liacutenea de
operacioacuten tendraacute la mayor pendiente y tocara
tangencialmente a la curva de equilibrio por lo tanto pasara a
traveacutes del punto Orsquo en donde Hrsquo2= 52 BTU por lb de aire seco
214
Seguacuten lo anterior la pendiente de la liacutenea OrsquoN seraacute por lo
tanto
L CGs min = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1 Ec35
=
Gs min = 1071586 lb de aire seco h
Para que la torre no sea muy alta se considera 15 veces Gs
min
Gs real = 15 1071586 lb de aire seco h
Gs real = 1607380 lb de aire seco h
Una vez determinado el valor Gs real se puede hallar el valor
de la relacioacuten de flujos liacutequido ndash aire
L Gs real = 33000 lbh 1607380 lbh
L Gs real = 205
Como ya se tiene el valor de la pendiente de la liacutenea de
operacioacuten LG que se va a utilizar para el disentildeo faltariacutea
determinar el valor de la ordenada del punto de interseccioacuten
entre la liacutenea de operacioacuten y la vertical trazada por el punto
tL2=912 0F
215
Calculo de la entalpia del aire que sale Hrsquo2
De la ec22 tenemos que
L CGs real = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1
Despejando el valor Hrsquo2 se tiene
Hrsquo2 = (L CGs real (t L2 ndash t L1)) + Hrsquo1
Hrsquo2 = 4294 BTUlb de aire seco
Con los valores obtenidos se puede representar el punto O y
finalmente la liacutenea de operacioacuten seraacute la liacutenea ON
representada en la figura 320
216
FIGURA 320 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE
ENFRIAMIENTO DEL AGUA
3 Calculo de la altura de la
zona empaquetada Z
Utilizando el teacutermino KaVL que nos representa la ldquoCurva de Requerimientos de
Disentildeordquo dado en al ec 33 se procede a calcular la altura de la zona empaquetada
=
Para determinar el valor del integral de la ecuacioacuten propuesta
el cual puede ser calculado por tres formas
a Analiacuteticamente si se conoce la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo
b Integracioacuten grafica
c Integracioacuten numeacuterica
Como se tiene la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo dado en la figura 320 se
usara el meacutetodo de integracioacuten numeacuterica a intervalos de 2 0F
t H Hrsquo H ndash Hrsquo (H ndash Hrsquo)2 At(H ndashHrsquo)2
80 251 185 66
82 272 2217 503 58 034
84 323 2703 527 515 038
217
86 375 3109 641 584 034
88 415 3480 67 655 030
90 487 4120 75 710 028
92 542 4480 94 845 023
= 187
TABLA 33 VALORES DE ENTALPIA
= 187
El valor de kya se obtiene de la tabla 34 interpolando entre
los valores de L 500 ndash 1000 y G 250 por lo tanto tenemos un
Kya=347
Lrsquo=2GPM =`1000 lb de aguah ft2
Por lo tanto el valor de Z es
Z = 538 ft = 163 m
218
TABLA 34 CARACTERISTICAS DE HUMIDIFICACION [4]
4 Calculo de la
Cantidad de Agua de Compensacioacuten M
Realizando un balance de entalpias de acuerdo a la figura
318 se tiene
q + M Cw (tM ndash t0) = Gs (Hrsquo2 ndash Hrsquo1) Ec336
donde
q = 27182539 BTUh
Cw = 1 BTUlb 0F
tM = 85 0F
t0 = 32 0F
Hrsquo2 = 4294 BTU lb de aire seco
219
Hrsquo1 = 2490 BTUlb de aire seco
Reemplazando valores se tiene
27182539 + M (53) = Gs (1804)
De donde
M = Gs(1804) - 27182539 53 Ec 336-1
Haciendo un balance de liquido de acuerdo a la figura 318 se
tiene
M = Gs(Yrsquo2 ndash Yrsquo1) Ec337
Yrsquo2 no es conocido para determinarlo es necesario asumir
que el aire que sale de la torre estaacute saturado y su humedad
Yrsquo2 deberaacute ser la del aire saturado para Hrsquo2 = 4294 BTU lb
de aire seco
Entrando a la curva psicomeacutetrica dada en el Apeacutendice H se
tiene que
Yrsquo2 = 0024 lb de vapor de agualb de aire seco
M = Gs(0024 ndash 002) = 0004 Gs
Sustituyendo la ec 337 en la ec 336 ndash 1 se tiene que
0004 Gs 53 = Gs(1804) - 27182539
1804 Gs ndash 0004 Gs = 27182539
Gs = 1507126 lb de aireh
Reemplazando en la ec 337 el valor Gs
220
M = 6028 lb de aguah = 274 lth
CAPITULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS
CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
41 Partes Componentes de las Torres de Enfriamiento
Ya se ha definido que el mejor disentildeo para el sistema de enfriamiento
requerido de acuerdo a los paraacutemetros de evaluacioacuten es una Torre de
Enfriamiento de Tiro Inducido Flujo en Contracorriente
Este tipo de elementos ademaacutes del cuerpo vertical consta de los
siguientes elementos
Empaquetaduras sistemas de distribucioacuten deposito de coleccioacuten
eliminadores de arrastre ventilador motor y estructura
221
Empaquetaduras
Su funcioacuten es generar una mayor aacuterea de contacto entre el aire y el
agua como sea posible con una miacutenima presioacuten de aire
Existe variedad de empaquetaduras que van desde soacutelidos muy
faacuteciles de adquirir como piedras botellas rotas trozos de porcelana
hasta formas geomeacutetricas complejas y de alto costo econoacutemico
Sistemas de Distribucioacuten
Tiene como funcioacuten principal distribuir el agua caliente en la parte alta
de la torre se recomienda atomizarla para facilitar el contacto con el
aire
La importancia de adecuado sistema de distribucioacuten sobre las
empaquetaduras de una torre es indispensable para una buena
eficiencia en el enfriamiento
Depoacutesito de Coleccioacuten
Se trata de un recipiente donde es colectada el agua friacutea que sale de
la torre
Su construccioacuten deberaacute ser tal que elimine el peligro de que la bomba
absorba aire cuando opera con un miacutenimo de agua y accesible para
remover la suciedad acumulada en el fondo
222
Estructura
Es el soporte de la torre de enfriamiento
Su forma y solidez dependen de las caracteriacutesticas de disentildeo de la
torre que tiene que ser con normas especificas que dependen de su
capacidad de enfriamiento
Ventilador
Tiene como objetivo mantener el flujo constante de aire atreves de la
torre Para la torre seleccionada este aditamento se encontrara en la
parte superior
Motor
Es el que impulsara el ventilador La transmisioacuten se efectuara en
forma directa
Los elementos anteriores forman parte de la construccioacuten interna de la
torre de enfriamiento
Sin embargo existen otros componentes externos a la torre que juntos
constituyen el sistema de enfriamiento deseado Estos son
Bomba de Agua
223
Es el equipo que adicionara energiacutea al agua para hacerla re circular a
traveacutes de todo el sistema
Su capacidad dependeraacute del sistema de operacioacuten en el que va a
utilizar
Tuberiacuteas y Vaacutelvulas
Son los conductos ndash reguladores por los cuales fluiraacute el agua
El material de la tuberiacutea y los tipos especiacuteficos de vaacutelvulas estaraacuten
sujetos al aspecto teacutecnico econoacutemico y esteacutetico del sistema en
cuestioacuten
224
FIGURA 41 DISENO DE FORMA DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTO
42 Determinacioacuten de la Seccioacuten Transversal de la Torre de
Enfriamiento
Datos
Densidad del agua ρL 6222 lbft3 = 1010 Kgm3
Densidad del aire ρa 0077 lbft3 = 125 Kgm3
Relacioacuten de flujos LG 205
Flujo de aire Greal 446 lbs = 2027 Kgs
Tensioacuten superficial del agua σ 2 dinacm
Factor liquido - vapor FLV
Caacutelculos
Una aproximacioacuten para estimar las velocidades maacuteximas permisibles
ha sido presentada por Fair la cual se basa en datos obtenidos con
platos perforados y otros tipos de contactores de etapas finitas y toma
en cuenta el efecto de la tensioacuten superficial del liquido en la columna
la razoacuten de flujo de liquido a flujo de gas las densidades del aire y el
liquido y dimensiones y arreglo del contactor En este meacutetodo la
225
ecuacioacuten baacutesica para velocidad del vapor maacutexima permisible
equivalente a la Ec (41) es
Ec 41
donde
Vrsquom = velocidad de vapor maacutexima permisible basada en aacuterea neta
para el flujo de vapor la cual usualmente es el aacuterea de seccioacuten
transversal activa en fts
Krsquov = constante empiacuterica fts
σ = tensioacuten superficial del liquido en la torre dinascm
Krsquov
226
FIGURA 41 VALORES DE Kv EN FUNCION DEL
ESPACIADO
] Ec42
Sustituyendo valores en la ec 42 se tiene que
FLV = 0090
Se asume un espaciado entre platos de 740 plg = 188 mm
A partir de la fig 41 Kv = 017 fts
De la ec 41
Vrsquom = 3047 fts
Velocidad maacutesica del vapor Gm
Gm = Vrsquom ρa = (3047)(0077) = 023 lbs pie2 Ec43
227
Aacuterea de seccioacuten transversal de la torre A
A = Greal Gm Ec 44
Sustituyendo valores en la ec 44 se tiene que el aacuterea de la seccioacuten
transversal de la torre de enfriamiento es
A = 192 ft2
A = 8ft 24ft = 2430 mm 731 mm
43 Seleccioacuten de la Columna de Contacto de la Torre de Enfriamiento
En esta seccioacuten se tratara de decidir el tipo de columna a utilizar ya
sea de bandejas perforadas o de relleno en funcioacuten de las
caracteriacutesticas de la operacioacuten deseada y de los componentes en
contacto en este caso liquido - aire tomando para la decisioacuten algunos
aspectos
La seleccioacuten entre una columna de bandejas perforadas o una de
relleno depende de conceptos econoacutemicos Sin embargo en un estudio
228
preliminar podemos basar su seleccioacuten en las siguientes ventajas e
inconvenientes de cada una de ellas
1- La eficiencia de una torre de relleno se basa en datos
experimentales para cada tipo de relleno La eficiencia variacutea no solo
por el tipo y tamantildeo del relleno sino tambieacuten por las propiedades del
fluido caudales diaacutemetro de columna etc
2- Si el flujo de liacutequido es pequentildeo comparado con el del aire es
preferible utilizar columnas de platos pues necesitan menores
factores de seguridad en el disentildeo por causa de la dispersioacuten del
liacutequido
3- Las columnas de bandejas perforadas pueden manejar un rango
maacutes amplio de caudales sin inundacioacuten
4- Si los liacutequidos tienen soacutelidos en suspensioacuten se prefieren torres de
bandejas perforadas por la facilidad de limpieza
5- Si se necesita enfriamiento intermedio de la columna es preferible
que sean de bandejas perforadas por la facilidad de la instalacioacuten
del sistema de enfriamiento
6- El peso total de una columna de bandejas perforadas es menor que
en una de relleno si estaacuten vaciacuteas en cambio llenas tienen un peso
similar
229
7- La informacioacuten de disentildeo de una columna de bandejas perforadas
es maacutes accesible que en una de relleno
8- Si hay grandes cambios de temperatura son preferibles las
columnas de bandejas perforadas pues el incremento de
temperatura puede romper el relleno
10-Las columnas de rellenos son maacutes faacuteciles de construir y mas
baratas si se trabaja con fluidos corrosivos
11-Si se tiene liacutequidos con gran tendencia a formar espuma se deben
utilizar torres empaquetadas
12-El almacenamiento de liacutequido en la columna es muy inferior para
las torres de relleno
13-Las torres de relleno tienen menos peacuterdida de carga que las
bandejas perforadas y el relleno previene contra el colapso por lo
que se utilizan en operaciones a vaciacuteo
Por lo expuesto anteriormente se utilizara en el disentildeo de la
empaquetadura de la torre de enfriamiento el sistema de bandejas
perforadas
230
FIGURA 42 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE UNA BANDEJA
PERFORADA
431 Altura de la las Paredes de la Bandeja
La altura de la bandeja determina el volumen de liacutequido sobre la
bandeja y es un importante factor para determinar la eficiencia de
la bandeja con orificios Una mayor altura incrementaraacute la
eficiencia de la bandeja pero a expensas de un alta caiacuteda de
presioacuten en la bandeja Para columnas operando alrededor de la
presioacuten atmosfeacuterica la altura de las paredes de la bandeja variacutea
entre 40 a 90 mm (15 a 35 pulg) [7]
Para el disentildeo de estos elementos se tomara una altura de 90
mm para obtener una buena eficiencia de la bandeja ya que el
231
volumen de agua colocada en la bandeja por mayor tiempo
tendraacute mayor tiempo de contacto con el aire
Aacuterea Perforada
El aacuterea disponible para perforacioacuten se deduciraacute por la obstruccioacuten
causada por las partes estructurales (tales como soportes anillos
y vigas) y por el uso de zonas libres Las zonas libres son
espacios no perforados de la bandeja en los lados de salida y
entrada El ancho de cada zona es usualmente la misma valores
recomendados son
Ancho de la columna Ancho de la zona sin perforar
lt 15 m 75 mm
gt15 m 100 mm
TABLA 41 DIMENSIONES DE ZONA SIN PERFORAR [17]
De acuerdo a la tabla 41 se tomara una franja sin perforar de 75m
Dimensiones de las perforaciones
Los platos perforados tienen perforaciones de 25 mm a 12 mm
(18 a 12 pulg) de diaacutemetro siendo el tamantildeo comuacuten de 5 mm
(316 pulg) las perforaciones se hacen siguiendo un arreglo
232
triangular o cuadrado con una distancia entre centros entre 2 a 5
veces el diaacutemetro de las perforaciones (el oacuteptimo es 38) [17]
Se toma el valor recomendado del agujero de 316rdquo por lo tanto el
espaciamiento entre centros de los agujeros seria
D= 90 mm
Se escogeraacute un arreglo triangular para los orificios
De acuerdo al aacuterea de la seccioacuten transversal de la torre 2430
mm731 mm y la disposicioacuten del disentildeo de forma se tiene unas
dimensiones en las bandejas de
Bandeja = 2000 mm 731 mm
Al dejar una franja por los cuatro lados sin perforar de 75 mm
FIGURA 43 DISPOSICION DE AGUJEROS EN LAS
BANDEJAS
Por lo planteado en el capiacutetulo 3 se obtuvo que la altura de la zona
empaquetada es de
Z = 538 ft = 2044 mm
233
Para hallar el aacuterea de la seccioacuten transversal en el inciso 42 de
este capiacutetulo se asumioacute un espaciamiento entre bandejas de
e = 740 plg = 188 mm
Por lo tanto se necesitariacutea 5 bandejas perforadas en la disposicioacuten
dada en el disentildeo de forma de la fig 41
Para calcular el nuacutemero de agujeros en la bandeja se recurre a la
ecuacioacuten siguiente
Nh = 4Ahπd2h
Nh = 112 orificios en la bandeja
Espesor de las Bandejas
Se considera un espesor del material para la bandeja de 14 mm
Se considerara la presioacuten que ejerceriacutea el agua asumiendo la
bandeja llena al 100 la carga que ejerce el agua en el volumen
de la bandeja es de 42453 N
Se utilizara el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad
234
Anaacutelisis de Resistencia mediante el Meacutetodo de Elementos
Finitos
ANSYS en INVENTOR 10 analiza concentradores de esfuerzos
mecaacutenicas de fracturas bajo cargas estaacuteticas y dinaacutemicas asiacute
como frecuencias naturales y estabilidad El programa ofrece
distintos materiales a seleccionar para el anaacutelisis con
asunciones sobre su comportamiento Lineal (la tensioacuten es
directamente proporcional a la presioacuten) Constante (la
temperatura de todas las propiedades es independiente)
Homogeacutenea (las propiedades no cambian en todo el volumen de
la pieza) Isotroacutepica (las propiedades de los materiales son
ideacutenticas en todas las direcciones) El factor de seguridad se
calcula utilizando el equivalente maacuteximo de la teoriacutea de falla de
tensioacuten para materiales duacutectiles A continuacioacuten se muestran los
informes de los anaacutelisis practicados a las bandejas perforadas
las figuras indican en su parte superior izquierda la escala
colorida con sus respectivos valores de Tensioacuten Equivalente y
Factores de seguridad mayores a 13 Aceptables [19]
235
TABLA 42 INFORME DE RESULTADOS DEL
ANALISIS DE LA BANDEJA PERFORADA
INFORME DE ANALISIS DE BANDEJA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935 Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 934e-4 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 8688 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
236
FIGURA 44 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 45 DEFORMACION
FIGURA 46 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 2 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
237
Disentildeo del Depoacutesito de Coleccioacuten de la Torre de Enfriamiento
Para determinar las dimensiones del depoacutesito de coleccioacuten de agua
para la torre de enfriamiento se debe conocer el tiempo que demora
el agua en circular a traveacutes del sistema
Se asume que el ciclo demora un minuto y se parte del dato que el
depoacutesito deberiacutea tener una capacidad mayor a la cantidad de agua
que debe fluir por el sistema en un minuto y asi evitar que esta se
quede sin liquido ademaacutes el mismo colector debe soportar el peso de
la torre con sus accesorios
Entonces el problema consiste en seleccionar dimensiones para la
piscina que provean mayor economiacutea y aseguren un buen
funcionamiento Por lo general se establece el aacuterea transversal del
depoacutesito un poco mas grande que el aacuterea transversal de la torre de
enfriamiento que permita el montaje de la tuberiacutea de succioacuten o alguacuten
otro accesorio necesario
Para el disentildeo de la piscina se basara en el coacutedigo ASME para
recipientes a presioacuten seccioacuten Div 1 para tanques rectangulares que
trabajan bajo presioacuten atmosfeacuterica [15]
Notacioacuten
238
α Factor que depende del largo y ancho del tanque HL fig47
E Modulo de elasticidad 30000000 psi para aceros al carbono
G Gravedad especifica del liacutequido Agua=1
I Momento de Inercia plg4
l Maacutexima distancia entre soportes plg
L Largo del tanque plg
R Reaccioacuten con subiacutendices indicando el lugar de aplicacioacuten lbplg
S Esfuerzo del material
t Espesor requerido de la plancha plg
w Carga por unidad de longitud lbplg
FIGURA 47 VALORES DE α
Seleccioacuten del espesor de plancha
239
Ec 45
El espesor se incrementara con el factor de corrosioacuten para este
caso se le aumentara 00645 plg o 163 mm
FIGURA 48 DIMENSIONES DEL DEPOSITO DE COLECCIOacuteN DE
AGUA
L=8 ft
H=2 ft
B=4 ft
Relacioacuten HL = 025
De la figura 47 se obtiene el valor α = 00010
S=23200 lbplg2 para el acero estructural A ndash 36
G=1 para el agua
Sustituyendo valores en la ec 45 se tiene un espesor de
plancha
240
t=000109 plg
A este valor se le suma el factor de corrosioacuten 00626 plg
Por lo tanto
t=0063 plg o t=161mm se utilizara plancha de 2mm de
espesor
Carga en las paredes del depoacutesito
FIGURA 49 CARGAS HIDROSTATICAS
Ec 46
Sustituyendo valores se tiene que
w=162 lbplg
R1=03w Ec 47
R1=03162=486
R2=07w Ec 48
241
R2=07162=1134
442 Momento de Inercia miacutenimo requerido
Ec 49
Sustituyendo valores
Imin=0003 plg4 = 12486 mm4
443 Distancia entre soportes de la piscina
FIGURA 410 DISTANCIA ENTRE SOPORTES
Ec 410
Si el numero de soportes es 4 entonces = 26 plg = 6604mm
Sustituyendo en la ecuacioacuten 410
t=0141 plg
Despejando el valor de la ecuacioacuten 410 se tiene
242
Sustituyendo valores
Por lo tanto
11968 plg 2583 plg = Numero de soportes = N
N=463 es decir se fiacutesicamente se necesitan 5 soportes con un
espaciamiento de 2583 plg
E=656 mm
El disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de agua se encuentra en el
Plano N 3
Se utilizaraacute el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad del colector sometido a
toda la carga de la torre con su peso propio y la carga de agua
contenida en las bandejas
243
TABLA 43 INFORME DE RESULTADOS DEL
COLECTOR DE AGUA
INFORME DE ANALISIS DEL COLECTOR DE AGUA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1976Kg
Volumen de la pieza 2517+007 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 47950
Elementos 26630
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Fuerza 1481 N
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 5455e-005 MPa 2437 MPa
Deformacioacuten 0 mm 0102 mm
Factor de seguridad 15 NA
244
FIGURA 412 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 413 DEFORMACION
FIGURA 414 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 3 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
245
44 Seleccioacuten del Ventilador
Para la seleccionar el ventilador para la torre de enfriamiento es
necesario conocer los siguientes datos
1 Flujo de aire que circulara por la torre en ft3min
2 La presioacuten estaacutetica o presioacuten de resistencia contra la que debe
operar el ventilador expresada en plg de agua
Flujo de aire que circula por la torre Gs = 16056 lbh
Gs=2676 lbmin
Para determinar los pies cuacutebicos por minuto (pcm) de aire que salen
a traveacutes del extractor se divide las libras de aire seco por minuto
para la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
pcm = Gs (lbmin) densidad de la temperatura de operacioacuten Ec411
Para determinar la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
es necesario calcular la temperatura a la que sale el aire de la torre
Para esto conociendo el valor de la humedad absoluta Yrsquo2 lb de
vapor de agua por lb de aire seco con que sale el aire y asumiendo
que el aire se encuentra cercanamente saturado 95 se puede
246
entrar en la carta psicomeacutetrica Apeacutendice H y determinar dicha
temperatura
Yrsquo2= 0024
Con una temperatura de salida de la torre
T=84 0F
Con este valor dado en la figura se encuentra que la relacioacuten de
densidad del aire (RDA) a 84 0F y a nivel del mar es
RDA= densidad del aire en condiciones estaacutendar densidad del aire en condiciones de operacioacuten
Ec 412
RDA=105
De la ec411
105=0077lbft3 densidad del aire que opera a 84 0F
ρ84 F= 0075 lbft3
De la ec 412 se tiene
pcm=354483 ft3min = 116707 m3h
Con respecto a la caiacuteda de presioacuten estaacutetica contra la que debe
operar el ventilador se vio que en torres de este tipo era
ordinariamente menor que una pulgada de agua por lo tanto
tomando en consideracioacuten la resistencia ofrecida al paso del aire por
247
la zona empaquetada y los separadores de gotas se considera
suficiente utilizar el valor de 05 pulH20 o 127 mmH2O valores que
estaacuten dentro del rango de caiacuteda de presiones para este tipo de
ventiladores
Se ha escogido la curva del fabricante de la marca Ventiladores
Casals y sus caracteriacutesticas se indican en el Apeacutendice K
FIGURA 415 DIAGRAMA PARA SELELCCIONAR MODELO DE
VENTILADOR
Ingresando en el diagrama de la fig 415 con los datos planteados se
selecciona el ventilador modelo 56 T4 1 con las siguientes
caracteriacutesticas
Diaacutemetro = 650 mm
m3h = 12700
Peso = 36 Kg
248
RPM max = 1525
Potencia = 075 Kw
Ruido = 73 db
FIGURA 416 VENTILADOR SELECCIONADO
Con el peso del ventilador se disentildearaacute la campana de extraccioacuten de vapor de
agua se asumiraacute un espesor de 14 mm Se utilizara el programa
computacional INVENTOR 10 para analizar su deformacioacuten y el factor de
seguridad de la campana
249
TABLA 44 INFORME DE RESULTADOS DE LA
CAMPANA DE EXTRACCION
INFORME DE ANALISIS DE LA CAMPANA DE
EXTRACCION
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 9348+-5 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
250
FIGURA 417 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 418 DEFORMACION
FIGURA 419 FACTOR DE SEGURIDAD
251
45 Seleccioacuten de Diaacutemetro de la Tuberiacutea
Los criterios a utilizar para el caacutelculo del diaacutemetro de la tuberiacutea
son
1 Si la energiacutea
necesaria para el movimiento del fluido es gratis utilizar el
diaacutemetro miacutenimo que permita el caudal deseado
2 Si el fluido ha de ser
bombeado hay que calcular el tamantildeo que permita tener los
menores costes anuales (caacutelculo del diaacutemetro econoacutemico)
Velocidades tiacutepicas y caiacutedas de presioacuten permisibles que pueden
utilizarse para estimar el diaacutemetro de la tuberiacutea son
Velocidad (ms) ∆P(kPam)
Liacutequidos bombeados (no viscosos) 1 ndash 3 05
Liacutequidos flujo por gravedad - 0005
Gases y vapores 15 ndash 30 002 presioacuten de liacutenea
Flujos a alta presioacuten 30 - 60
TABLA 45 VELOCIDADES Y CAIDAS DE PRESION
PERMISIBLES [4]
Si se considera la densidad del fluido la velocidad oacuteptima es
252
Densidad del fluido
(Kgm3)
Velocidad del fluido
(ms)
1600 24
800 30
160 49
16 94
016 180
0016 340
TABLA 46 DENSIDAD DEL FLUIDO EN FUNCION DE LA
VELOCIDAD [4]
En la seleccioacuten de las tuberiacuteas se tiene que considerar el caudal
maacuteximo no el nominal (aumentar 20 a 50)
De acuerdo a la tablas 45 y 46 se tiene que
Flujo de agua = 15 m3h
Por lo tanto se escoge una velocidad
V = 2475 ms este valor es interpolado de la tabla 43 para
liacutequidos bombeados
Conocido el caudal y la velocidad se puede encontrar el
diaacutemetro
Q = A V Ec413
253
A = π4 D = QV
Donde D diaacutemetro de la tuberiacutea despejando D se tiene
D = 00508 m o tuberiacutea de 2rdquo
46 Seleccioacuten de la Bomba para la Torre de Enfriamiento
Se tiene los siguientes datos para la torre
Q = 15 m3h
Altura de la torre se la torre 12m
Considerando las tablas del Apeacutendice J del manual del
fabricante Golds Pumps se selecciona la siguiente bomba
Modelo 3196
STX 1x 1 frac12 - 6
Capacidad 70 GPM 3 frac12 ldquo 1 frac12 HP
Frecuencia 60 Hz
254
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
51 Diagrama de Gantt para la Ejecucioacuten del Proyecto
Diagrama de Gantt- Para la planificacioacuten de la construccioacuten montaje se contara con la
ayuda del software Microsoft Project
Que se lo muestra a continuacioacuten
255
FIGURA 51 DIAGRAMA DE GANTT
El diagrama de la figura anterior da los pasos que se siguieron describiendo todo el
proceso que se llevo a cabo en el proyecto utilizando oacuteptimamente el recurso humano
existente y el tiempo requerido para realizarlo
Levantamiento de planos del disentildeo de forma del sistema de enfriamiento- Este
procedimiento se hizo para obtener una referencia del espacio disponible y con ello ver
las posibles soluciones a implementar Este proceso no consta en el diagrama de Gantt
ya que lo hizo previo a la licitacioacuten ya que seria acreedora del contrato la empresa
participante que presente su mejor propuesta y cotizacioacuten sin embargo se tomo 5 diacuteas
para realizar este proceso
511 Preparacioacuten de Documentos Planos de Taller y Movilizacioacuten
Elaboracioacuten de planos de taller- Se procederaacute al disentildeo del sistema mas optimo en
este caso torre de enfriamiento certificacioacuten de intercambiador de calor disentildeo de
estructura moacutevil y de su estructura de soporte a ser ejecutado para la alternativa
seleccionada Asimismo se procederaacute al disentildeo eleacutectrico bajo la responsabilidad
ERMARLO SA Los planos seraacuten sometidos a la aprobacioacuten del departamento
encargado por parte de la Armada del Ecuador para iniciar los trabajos de
construccioacuten de acuerdo al cronograma presentado
256
Ninguacuten data sheet mostrado en la oferta podraacute ser utilizado como base para la
construccioacuten del sistema en mencioacuten por parte de la Armada del Ecuador o terceros si
la obra no se adjudica a ERMARLO SA con amparo a la ley de derechos de autor
Movilizacioacuten- Durante el periacuteodo de elaboracioacuten de planos se procederaacute con la
movilizacioacuten de equipos herramientas material a las instalaciones de la Armada
Nacional del Ecuador ubicada en la Base Sur Se utilizaraacuten bantildeos portaacutetiles con
mantenimiento perioacutedico Ademaacutes la logiacutestica del proyecto seraacute reforzada con el
apoyo de las oficinas e instalaciones de ERMARLO SA Ubicadas en la viacutea a Daule
Parque industrial Inmaconsa
512 Fabricacioacuten en el Taller
El disentildeo suministro de los materiales prefabricacioacuten y pre pintura interior y exterior
de las estructuras seraacuten ejecutados por ERMARLO SA En el taller se construiraacute
Rieles de movilizacioacuten para los soportes que llevaran la tuberiacutea de agua destilada
friacutea y caliente con sus respectivos acoples
Construccioacuten de la Torre de Enfriamiento y sus accesorios
Se ha contemplado la supervisioacuten de un teacutecnico de la Armada Nacional en los talleres
de ERMARLO SA asi mismo la supervisioacuten en campo de un teacutecnico durante la etapa
de montaje Para el efecto se ha considerado cubrir con todos los gastos relacionados
con esta visita salvo los honorarios de este teacutecnico los cuales correraacuten por cuenta de
la institucioacuten contratante
1 Materiales- De conformidad con los planos de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas para la construccioacuten de las rieles de deslizamiento y torre de
257
enfriamiento se selecciona el material a utilizar verificando calidad espesores y
dimensiones generales de laacuteminas y tuberiacuteas
Principalmente para laacuteminas de acero se verifican las marcas estampadas en
cada plancha contra los certificados emitidos por el fabricante de estar todo
conforme se libera el material para fabricacioacuten
2- Fabricacioacuten
21-Corte- Se posiciona la laacutemina seleccionada en la mesa de corte
procediendo al trazo y verificacioacuten conforme a medidas de plano de fabricacioacuten
Se transfieren las marcas originales de la laacutemina a cada parte y pieza a ser
cortada para mantener su identificacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten y en la
torre de enfriamiento terminada Se regulan los flujos de gases y velocidad de
avance de la maacutequina de conformidad con el procedimiento especiacutefico de cada
maacutequina y se procede a cortar el material En esta etapa se define dentro del
proceso de corte el tipo de bisel que se deja en el filo de las planchas para el
posterior proceso de soldadura todos los biseles tienen que estar detallados en
los planos de fabricacioacuten Una vez cortadas las piezas se realiza una limpieza
mecaacutenica de los bordes de la laacutemina especialmente los biseles de soldadura se
inspecciona y libera el material para el siguiente proceso
22-Conformado- Dependiendo de la parte de la torre que esteacute en proceso las
bandejas perforadas se las fabricara con este procedimiento Adicionalmente
todas las partes conformadas seraacuten pre-ensambladas en taller para verificar su
correcto dimensionamiento y agilizar el proceso de ensamble final en campo
23-Soldadura- Se realizaraacute soldadura en faacutebrica par elementos como patas
soportes de la cuba colectora de agua tuberiacuteas de carga y descarga conexiones
para instrumentacioacuten de acuerdo con el requerimiento del cliente Todas las
258
soldaduras de faacutebrica deben estar definidas en los planos de fabricacioacuten
indicando el proceso de soldadura y paraacutemetros generales que seraacuten ejecutados
Todas las soldaduras se realizaraacuten con procedimientos y soldadores calificados
de conformidad con coacutedigo ASME uacuteltima edicioacuten Los principales procesos a ser
utilizados son SAW GMAW SMAW
Toda soldadura deberaacute ser inspeccionada y verificada cumpliendo los
requerimientos del coacutedigo ASME y condiciones particulares del Cliente si
existieran
24-Tratamiento de Superficies- Tanto las laacuteminas de cuerpo como tuberiacuteas
soportes plataformas seraacuten preparadas y recubiertas de acuerdo con las
especificaciones del cliente En taller se realizaraacute aplicaraacute la primera capa de
revestimiento y en campo se completara el sistema luego del montaje
y pruebas del tanque El procedimiento a seguir es el siguiente
Se prepararaacute la superficie utilizando chorro de granalla metaacutelica hasta obtener un
acabado SSPC - SP 10 metal casi blanco con un perfil de anclaje de 2 a 3 mils
que garantice la adherencia y resistencia mecaacutenica del sistema de pintura a
aplicar Se dispone con los equipos y condiciones adecuadas para garantizar una
buena limpieza
La pintura seraacute aplicada conforme las recomendaciones y especificaciones de la
hoja teacutecnica del fabricante de pintura Durante el proceso de aplicacioacuten se
controla y registran los paraacutemetros externos y condiciones de aplicacioacuten como
temperatura ambiente temperatura de la pieza humedad relativa punto de
rociacuteo espesor huacutemedo y espesor seco
25 Factibilidad de construccioacuten- Se quiere resaltar las ventajas de la
fabricacioacuten de la torre de enfriamiento en Ecuador ya que ademaacutes del arancel
que tendraacute que pagarse sobre el tanque importado cuando se trata de proyectos
de intereacutes puacuteblico de acuerdo a la Ley la Armada del Ecuador puede requerir la
259
aprobacioacuten de la importacioacuten de bienes de capital El Ministerio encargado
certificaraacute si hay manufactura local o no para los bienes a ser importados El
producto local debe ser similar al importado debe tener la misma funcioacuten precio
competitivo igual calidad y tiempo de entrega Si los productos locales cumplen
con los estaacutendares de los productos importados deben entonces ser comprados
localmente caso contrario el Ministerio no autorizaraacute su importacioacuten
513 Montaje del Sistema de Enfriamiento
El Supervisor de montaje seraacute responsable de la eficiente
coordinacioacuten del Proyecto la Armada del Ecuador seraacute informado
continuamente de todas las acciones a tomar
ERMARLO SA dispondraacute de todos los equipos y herramientas
necesarios para enfrentar adecuadamente los trabajos
incluyendo gruacuteas compresores generadores soldadoras equipo
para prueba hidrostaacutetica etc
El montaje del sistema de enfriamiento obedece a una secuencia establecida en los
procedimientos y normas aplicables para este tipo de trabajos
En resumen las actividades principales que es necesario cumplir son las siguientes
Revisioacuten de la fundacioacuten de las estructuras deslizantes y la torre de enfriamiento
Antes del montaje del sistema de guiacuteas para la estructura
deslizante y para la torre de enfriamiento se verificaraacuten
260
cuidadosamente la topografiacutea e integridad estructural de las
fundaciones Tambieacuten se comprobaraacute que el terreno esteacute
adecuado para los diferentes movimientos de los equipos de
montaje
FIGURA 53 ALINEACION DE PISO DONDE SE ASENTARA LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Montaje de la estructura de soporte del sistema deslizante
Una vez revisada y aprobada las estructuras donde se va a montar el sistema
deslizante la cual llevara las tuberiacuteas de agua destilada a las bateriacuteas por parte de
ERMARLO SA se procederaacute a la instalacioacuten de cada una de las vigas transversales
donde se delizara el sistema de tuberiacuteas
261
FIGURA 52 SISTEMA DE DESLIZAMIENTO
Soldadura en obra
Las vigas del sistema de deslizamiento la torre y sus estructuras seraacuten soldados por
cualquiera de los procesos SMAW y SAW utilizando los equipos adecuados La
soldadura puede ser manual semi-automaacutetica o automaacutetica de conformidad a lo que
establezca del procedimiento de soldadura correspondiente
Se tendraacute una revisioacuten estricta de las condiciones de los biseles eliminacioacuten de escoria
antes de efectuar el siguiente cordoacuten inspecciones visuales de la soldadura
inspecciones radiograacuteficas de acuerdo al Coacutedigo se es necesario
Las laacuteminas del cuerpo en juntas de tope seraacuten alineadas en su posicioacuten antes de
soldar las mismas
514 Preparacioacuten de Superficie y Pintura en Sitio
262
Con el fin de asegurar la culminacioacuten del proyecto dentro del tiempo especificado asiacute
como para minimizar los dantildeos ambientales y proteger los materiales prefabricados
durante su transporte se ha considerado realizar la preparacioacuten y pre pintura de
superficies exterior e interior de las estructuras en taller
Las capas finales de pintura seraacuten aplicadas en el campo de acuerdo a las
especificaciones establecidas propuestas por ERMARLO SA Las aacutereas de pintura que
deban reparase o terminarse en se las repararaacute en obra
515 Prueba Hidrostaacutetica del Sistema de Tuberiacuteas e Intercambiador de Calor
Una vez instalado y pintado la torre de enfriamiento con el intercambiador de calor
sumergido en la piscina recolectora de la torre se procederaacute a realizar la prueba
hidrostaacutetica y la posterior desinfeccioacuten del mismo de acuerdo a lo especificaciones en
las bases de licitacioacuten entregada por la Armada del Ecuador
516 Bombas de agua
Existen dos bombas a ser montadas veacutease la figura 53 La bomba 1 para el sistema
de agua destilada de circulacioacuten por las bateriacuteas y al intercambiador de calor la bomba
2 figura 54 para la recirculacioacuten del agua en la torre de enfriamiento Las
caracteriacutesticas de todas ellas han sido ya establecidas en capiacutetulos anteriores
263
FIGURA 53 BOMBA PARA AGUA DESTILADA QUE ENTRA EN LAS BATERIA
FIGURA 54 BOMBA DE AGUA PARA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Para el montaje se deben respetar las especificaciones dadas ya sea por las normas
respectivas o seguir recomendaciones teacutecnicas En este caso se haraacute lo posible por
cumplir las recomendaciones dadas[12] Para el caso de la tuberiacutea de succioacuten se da la
figura 55
264
FIGURA 55 TUBERIA DE SUCCION [12]
Otra recomendacioacuten dada radica en que se debe evitar para el transporte el uso de
tuberiacuteas de igual diaacutemetro al de ingreso o salida del agua de la bomba deben ser
las inmediatas superiores Esto se cumple con los caacutelculos solo cuando la bomba
estaacute bien dimensionada pero no en el caso de la bomba 2 debido a que esta se
encuentra sobredimensionada Por ello el diaacutemetro de la tuberiacutea de salida es igual
diaacutemetro de la tuberiacutea de transporte de agua en el ingreso caso igual se usa una
tuberiacutea de 2rdquo
516 Instalacioacuten Eleacutectrica
Se ha contemplado el disentildeo instalacioacuten suministro y pruebas de
un sistema eleacutectrico el mismo que tendraacute los controles y mandos
para activar ventilador de la torre activacioacuten de las bombas de
agua control de ventiladores del cuarto de activacioacuten
265
FIGURA 56TABLERO DE CONTROL ELECTRICO
Toda tuberiacutea eleacutectrica se aseguraraacute con abrazaderas o soportes
de acero a la estructura de la torre o a las paredes por donde
crucen los cables
517 Graficas Representativas del Montaje de la Torre de
Enfriamiento
266
FIGURA 57 INTERCAMBIADOR SUMERGIDO EN COLECTOR
DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
FIGURA 58 BANDEJAS PERFORADAS INSTALADAS EN LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
267
FIGURA 59 TORRE DE ENFRIAMIENTO INSTALADA
52 Lista de materiales y equipos requeridos para el montaje
En las siguientes tablas se listan los materiales y equipos requeridos para el montaje
realizado adicionalmente se indica si se empleoacute algo usado o nuevo asiacute como su cantidad
268
EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
Equipoherramienta Tamantildeoespecificacioacuten Condicioacuten
01 Arco para sierra Estaacutendar de 12rdquo En bodega
02 Broca para acero HSS Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
03 Broca para cemento Percusioacuten Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
04 Broca para cemento Percusioacuten Oslash frac12 rdquo x 6rdquo En bodega
06 Cepillo de acero 6 hileras En bodega
07 Destornillador plano 5 mm x 150 mm En bodega
08 Emulsioacuten lubricante Proporcioacuten 120 En bodega
09 Flexoacutemetro 8 m x 25 mm En bodega
10 Guantes de cuero Par manga corta (10rdquo) En bodega
11 Hoja de sierra 12rdquo x frac12rdquo x 132rdquo Comprada
12 Hoja de sierra 24rdquo x 1frac14rdquo x 116rdquo Comprada
13 Llave mixta ⅜rdquo En bodega
14 Llave mixta 916rdquo En bodega
15 Llave mixta 58rdquo En bodega
16 Llave para tubo Largo 12rdquo abre hasta 2rdquo En bodega
17 Llave para tubo Largo 24rdquo abre hasta 3frac12rdquo En bodega
18 Llave para tubo Largo 36rdquo abre hasta 5rdquo En bodega
19 Nivel Aluminio largo 24rdquo En bodega
20 Pie de amigo De 24rdquo de aacutengulo de frac34rdquo Construido
21 Piola de algodoacuten Rollo de 50 gramos Comprado
22 Prensa para tubo De tornillo para Oslash 4rdquo En bodega
23 Sierra alternativa Para aserrar acero En taller
269
24 Taladro de mano Capacidad frac12rdquo asymp 13 mm En bodega
25 Taco Fisher F10 Comprado
26 Tarraja para tubo Manual para Oslash frac12rdquo a 2rdquo En bodega
27 Tefloacuten Rollo 19mmx15mx02mm Comprado
29 EPP Comprado
30 Material de aporte E6011 E6013 etc Comprado
31 Equipo de oxicorte Acetileno oxigeno manom En bodega
32 extintores Polvo quiacutemico seco En taller
33 tecle 2 Ton En bodega
34 Maq De soldar En bodega
TABLA 51 LISTA DE EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
53 RESUMEN DE COSTOS
ITEM MATERIALES Cantidad unid mater peso V Unitario V Venta
Soportariacutea fija y estructura moacutevil
Correa G 125 x 50 x 15 x 3 6 unid 3324 3291 19745
plancha 4 1 unid 9334 9241 9241
aacutengulo laminado 40 x 3 9 unid 1100 1089 9801
aacutengulo laminado 50 x 4 3 unid 2355 2331 6994
Correa G 80 x 50 x 15 x 3 9 unid 2406 2382 21437
malla electro ARMEX R- 131 (515) 52 mc 100 200 10400
perno expansioacuten 58 x 3 24 unid 012 060 1440
270
Pintura 4 galoacuten 100 1500 6000
ruedas para correas 12 unid 100 2500 30000
aacutengulo laminado 25 x 3 6 unid 706 699 4194
Materiales estructura 119252
Mano de obra estructura 71551
Total estructura 190803
Sistema de tuberiacuteas y accesorios
tubo PVC 2 20 unid 100 1400 28000
accesorio T 2 2 unid 030 240 480
tapoacuten 2 4 unid 020 160 640
unioacuten 2 10 unid 020 160 1600
bushing 2 x 14 4 unid 020 160 640
manguera 2 6 m 100 3500 21000
acople para manguera 2 x 2 4 unid 200 1600 6400
abrazaderas 2 8 unid 100 600 4800
manguera 14 300 m 100 250 75000
abrazadera 14 480 unid 100 030 14400
tubo galvanizado 1 14 7 unid 100 3360 23520
codo pvc 2 4 unid 020 160 640
codo galvanizado 1 14 4 Unid 020 180 720
nudo 2 4 unid 030 240 960
acoples para manguera 14 240 unid 100 24000
Materiales sistema distribucioacuten agua
enfriamiento aire 202800
Mano de obra sistema distribucioacuten agua 81120
271
enfriamiento
Total sistema distribucioacuten 283920
Torre de enfriamiento
tubo cuadrado 80 x 3 4 unid 4521 4476 17903
aacutengulo laminado 50 x 3 8 unid 1430 1416 11326
ventilador axial para torre enfriamiento 1 unid 120000 120000
plancha 3 para deposito de agua torre 2 unid 7040 6970 13939
control nivel de agua torre 1 global 1500 1500
plancha galvanizada para bandejas 8 unid 4224 5914 47309
plancha galvanizada para paredes 8 unid 3285 4599 36792
bomba de circulacioacuten 80 gpm ndash 30 psi 1 unid 120000 120000
arrancador para bomba de circulacioacuten y
ventilador 1 global 32000 32000
difusores y encausadores de torre 1 global 35000 35000
tuberiacutea y vaacutelvulas de control de circulacioacuten 1 global 23500 23500
Material torre 459269
Mano de obra torre 156151
Total torre 615420
EQUIPOS SUMINISTRADOS POR ARMADA DEL ECUADOR
Intercambiador de calor de haz tubular 000
Bomba PN 50 ndash 32 ndash 145 para agua des-ionizada 000
NOTA no se encuentra agregado el valor del IVA
272
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
61 Conclusiones
1 El meacutetodo usado por el texto de Procesos de transferencia de calor de Kern y al
comparar con el programa computacional para la seleccioacuten del intercambiador de calor
son similares concluyendo que el programa funciona correctamente y este caso el
intercambiador disponible cumple con los requerimientos para reducir la temperatura
requerida para el sistema
2 El equipo disentildeado cumple con lo establecido en el anaacutelisis del problema y las
restricciones
3 El meacutetodo de construccioacuten utilizado especialmente los procesos de soldadura garantizan
el buen funcionamiento del equipo
4 Se ha adquirido mas conocimientos sobre las torres de enfriamiento y sobre su valor
caracteriacutestico KaVL A mayor valor mayor dificultad para lograr el enfriamiento deseado
Adicionalmente se ratifico los conocimientos adquiridos
273
5 Se ha utilizado varios sistemas computacionales para comprobar los resultados
adquiridos e implementar estos programas en el trabajo diario dentro del departamento de
proyectos de ERMARLO SA
6 Se ha utilizado tablas normas y coacutedigos de seleccioacuten y disentildeo de esta manera logrando
un meacutetodo de seleccioacuten maacutes raacutepida para la ejecucioacuten de un proyecto
7 El control de calidad dentro del proceso de construccioacuten y montaje es muy importante en
la entrega final del trabajo para la satisfaccioacuten del cliente y realzar el nombre de la
empresa constructora
8 Una gran experiencia de trabajo en equipo tanto con el personal encargado de la
construccioacuten como la interaccioacuten con el personal de la Armada del Ecuador
62 Recomendaciones
1 Cuando se desee realizar la evaluacioacuten de un intercambiador de calor o una torre de
enfriamiento se debe seguir un sin nuacutemero de especificaciones para tenerlas a mano
Personalmente me parecioacute muy buena la guiacutea del texto Procesos de Transferencia de
Calor
2 Se requiere implementar un estudio detallado para el manejo de todos los desechos
generados
3 Se tendriacutea que hacer un plan de mantenimiento para los equipos constitutivos del sistema
de enfriamiento
4 Revisar permanentemente las instalaciones eleacutectricas ya que se tiene un ambiente
explosivo por las emanaciones de hidrogeno de las bateriacuteas al estar activaacutendose
274
5 La pintura de la torre de enfriamiento deberiacutea estar en control para evitar corrosioacuten en la
estructura
6 En la construccioacuten y el montaje se recomienda el correcto uso del Equipo de Proteccioacuten
Personal asiacute como los implementos para realizar trabajos en altura trabajos en caliente o
lugares confinados para evitar lesiones por parte de los integrantes del proyecto
7 Tener en consideracioacuten todas las normas de seguridad que tiene la institucioacuten (Armada
del Ecuador) para evitar sanciones al personal que estaacute ejecutando el proyecto
8 Implementar un mejor sistema de ventilacioacuten en el cuarto de activacioacuten de bateriacuteas ya que
este tiene demasiados contaminantes en el ambiente
275
BIBLIOGRAFIA
1 Gonzalez Jorge ldquoAplicacioacuten de la Investigacion de Operaciones al
Diseno Optimo de un Intercambiador de Calorrdquo (Tesis Facultad de
Ingenieria en Mecanica y Ciencias de la Produccion Escuela Superior
Politecnica del Litoral 1970)
2 Kern Donald Procesos de Transferencia de Calor Editorial CECSA
1995
3 Hickstyler Manual de Calculos para las Ingenierias Tercera Edicion
Tomo II McGraw Hill 1998
4 Torres Alberto ldquoDiseno de una Torre de Enfriamiento de Agua para Uso
Industrialrdquo (Tesis Facultad de Ingenieria Mecanica y Ciencias de la
Produccion Escuela Superior Politecnica del Litoral 1973)
5 Andrade Francisco Ing Ventilacioacuten Industrial Diplomado en Manejo
Ambiental ESPOL julio 2001
6 Manual Praacutectico de Ventilacioacuten Catalogo Teacutecnico Salvador Escoda
SA
7 Perry Robert-Green Don PERRY Manual del Ingeniero Quiacutemico
Seacuteptima Edicioacuten Volumen II Mc Graw Hill
8 Load amp Resistance Factor Design Manual of Steel Construction AISC
First Edition
9 Incropera P Frank-De Witt P David Fundamentos de Transferencia de
Calor Cuarta Edicioacuten Prentice Hall
10 Granet Irving Termodinaacutemica Tercera Edicioacuten Editorial Prentice Hall
1998
11 Goulds Pump Manual Sexta Edicioacuten Goulds Pumps Inc 1995
276
12 McNaughton Kenneth Bombas Seleccioacuten Uso y Mantenimiento
Editorial Mc Graw Hill 1992
13 David Linden Thomas B Reddy Handbook of Batteries McGraw Hill
Third Edition 1995
14 Pedro Fernaacutendez Diez Bombas Centrifugas y Volumeacutetricas 2002
15 Eugene F Megyesy Pressure Vessel Handbook Publishing Inc Sexta
edicioacuten
16 Holman J P Transferencia de Calor Octava edicioacuten Prentice Hall
2001
17 Dpto Ingenieria Quiacutemica y Textil Disentildeo de Equipos e Instalaciones
(Facultad de Ciencias Quiacutemicas Universidad de Salamanca)
18 Peters and Timmerhaus Plant Design and Economics For Chemical
Engineers McGraw Hill
19 Introduccioacuten al Programa ANSYS
20 Avallone Eugene A Baumeister III Theodore MARKS Manual del
Ingeniero Mecaacutenico Novena Edicioacuten Tomos I y II Mc Graw Hill
21 httpwwwipacesacerofabricacionasp
22 httpwwwevapcocom
23 httpwwwcasalscom
24 httpwwwamcotcom
25 httpwwwmonografiastrabajos10toentoenzip
277
112
En el Capiacutetulo Cuatro conocidos los paraacutemetros teacutermicos actuantes en el sistema se procede a
realizar la seleccioacuten y disentildeo mecaacutenico de los componentes involucrados en el funcionamiento del
sistema de enfriamiento
El Capiacutetulo Cinco realiza una evaluacioacuten teacutecnica para la construccioacuten y montaje de los equipos la
evaluacioacuten econoacutemica del proyecto y actividades de taller
El Capiacutetulo Seis se da conclusiones y recomendaciones a las que se llega como consecuencia del
desarrollo de este trabajo Ademaacutes recomendaciones para que se implemente en un proceso de
mejora continua
IacuteNDICE GENERAL
Paacuteg
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I
IacuteNDICE GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip III
ABREVIATURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VII
SIacuteMBOLOGIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XI
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XII
IacuteNDICE DE PLANOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XIV
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XV
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
CAPIacuteTULO 1
1 GENERALIDADEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
11 Descripcioacuten del sistema de poder de los submarinoshelliphelliphellip 4
113
12 Caracteriacutesticas generales del submarino U - 209helliphelliphelliphelliphellip 6
13 Proceso de activacioacuten de las bateriacuteas para submarinohelliphellip
131 Anaacutelisis del sistema operativohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
132 Caracteriacutesticas de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
133 Capacidad de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
134 Autodescargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
135 Almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
136 Principales meacutetodos de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
137 Control de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
138 Control de la temperatura en las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphellip
7
7
14
16
21
23
24
27
29
CAPIacuteTULO 2
2 DESCRIPCION DEL PROBLEMAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
21 Requerimientos para el proceso de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 36
22 Consideraciones teacutecnicas para la activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
23 Alternativas de solucioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
37
38
231 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
232 Sistema de enfriamiento con intercambiador enfriado por
airehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
233 Sistema de enfriamiento utilizando chillerhelliphelliphelliphelliphelliphellip
234 Sistema de enfriamiento utilizando intercambiador de calor y torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
42
43
45
24 Seleccioacuten mejor alternativahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
25 Torres de enfriamiento y su clasificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
26 Seleccioacuten de la torre a utilizarsehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
114
CAPIacuteTULO 3
3 ANAacuteLISIS TEacuteRMICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
31 Descripcioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
32 Datos de operacioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 64
33 Seleccioacuten del intercambiador de calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
331 Meacutetodo FLMTDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
332 Uso de software para seleccioacuten del intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
34 Disentildeo teacutermico de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
351 Fundamento del enfriamiento por evaporacioacutenhelliphelliphellip 87
352 Caacutelculoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89
CAPIacuteTULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 105
41Componentes de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 104
42 Determinacioacuten de la seccioacuten transversal de la torrehelliphelliphelliphellip 108
43 Seleccioacuten de la columna de contactohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 112
431 Altura de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
432 Aacuterea perforadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
433 Dimensiones de las perforacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
434 Espesor de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 117
44 Disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de la torre de enfriamiento 121
441 Seleccioacuten del espesor de planchahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 123
442 Carga en las paredes del depoacutesitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
444 Momento de inercia miacutenimo requeridohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
433 Distancia entre soportes del colectorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
115
44 Seleccioacuten del ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 129
45 Seleccioacuten de diaacutemetro de la tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 135
46 Seleccioacuten de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 137
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
51 Diagrama de Gantthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
511 Preparacioacuten de documentos planos de taller y
movilizacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 139
512 Fabricacioacuten en el tallerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
513 Montaje del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
514 Preparacioacuten de superficie y pintura en sitiohelliphelliphelliphelliphellip 148
515 Pruebas hidrostaacuteticas de tuberiacuteas e intercambiadorhellip 149
516 Bombas de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
517 Instalacioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
52 Materiales y equipos requeridoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
53 Resumen de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 156
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
61 Conclusioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
62 Recomendacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 160
APEacuteNDICES
BIBLIOGRAFIacuteA
116
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 11 Partes constitutivas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
Figura 12 Estado de descarga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Figura 13 Estado de carga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
117
Figura 14 Variacioacuten de la capacidad seguacuten reacutegimen de descargahelliphellip 17
Figura 15 Variacioacuten de la capacidad seguacuten la temperaturahelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Variacioacuten de la capacidad seguacuten nuacutemero de cicloshelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Variacioacuten de la vida uacutetil en funcioacuten de la descargahelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Variacioacuten de la capacidad por autodescarga 22
Figura 19 Reaccioacuten exoteacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 21 Trabajos preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 22 Esquema de enfriamiento de bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 23 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Figura 24 Enfriamiento utilizando intercambiador enfriado por aire 43
Figura 25 Sistema de enfriamiento utilizando un chiller 44
Figura 26 Sistema de enfriamiento utilizando torre de enfriamiento e intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
Figura 27 Torre de enfriamiento de tiro forzadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
Figura 28 Torre de flujo a contracorriente y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
Figura 29 Torre de flujo cruzado y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
Figura 31 Disposicioacuten de las bateriacuteas en el cuarto de activacioacutenhelliphelliphellip 61
Figura 32 Disposicioacuten de tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
Figura 33 Sistema de desplazamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 34 Bateriacuteas en cuarto de activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 35 Sistema moacutevil para llevar el fluido de enfriamiento a las
bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
Figura 36 Disentildeo de forma del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
Figura 37 Distribucioacuten de temperaturas en un intercambiador de calor de doble tubo en
paralelohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 69
Figura 38 Ventana de inicio del programahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
Figura 39 Ventana de seleccioacuten de tipo de intercambiador a utilizarse y definicioacuten de
fluidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
Figura 310 Datos del material del intercambiadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 80
118
Figura 311 Ventana de ingreso de datos de intercambiador de calorhellip 81
Figura 312 Ventana de resultados en la presioacuten de disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphellip 82
Figura 313 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 83
Figura 314 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 84
Figura 315 Disposiciones del haz de tuboshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
Figura 316 Idealizacioacuten del fenoacutemeno de transferenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
Figura 317 Flujo Especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
Figura 318 Diagrama del sistema para el disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
Figura 319 Relaciones de agua y aire de una torre a contra flujohelliphelliphellip 93
Figura 320 Diagrama de operacioacuten de enfriamiento del aguahelliphelliphelliphelliphellip 101
Figura 41 Disentildeo de Forma de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 108
Figura 42 Diagrama de operacioacuten de una bandeja perforadahelliphelliphelliphellip 114
Figura 43 Disposicioacuten de agujeros en las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
Figura 44 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 45 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 46 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 47 Valores de alfahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
Figura 48 Dimensionamiento del depoacutesito de coleccioacuten de aguahelliphelliphellip 123
Figura 49 Cargas hidrostaacuteticashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
Figura 410 Distancia entre soporteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
Figura 412 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 413 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 414 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 415 Diagrama para seleccionar modelo de ventiladorhelliphelliphelliphelliphellip 131
Figura 416 Ventilador seleccionadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 132
Figura 417 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 418 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 419 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 51 Diagrama de Gantt 138
119
Figura 52 Sistema de deslizamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 171
Figura 53 Alineacioacuten de piso donde se asentaraacute la torrehelliphelliphelliphelliphelliphellip 172
Figura 54 Bomba de agua para torrehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 175
Figura 55 Tuberiacutea de succioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 176
Figura 56 Tablero de control eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 177
Figura 57 Intercambiador sumergido en colector de la torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 58 Bandejas perforadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 59 Torre de enfriamiento instaladahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 179
120
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphellip 6
Tabla 12 Paraacutemetros de almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
Tabla 21 Programa de carga eleacutectrica para la activacioacuten de las bateriacuteas de los
submarinoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
Tabla 22 Impurezas maacutes comunes en el agua que afectan los sistemas de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 23 Matriz de decisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
Tabla 24 Clasificacioacuten de las torres de enfriamiento 49
Tabla 25 Matriz de decisioacuten para seleccionar el tipo de torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
Tabla 31 Escala de presioacuten y valor U para tipos de intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Tabla 32 Aacuterea transversal de flujo y superficie para intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Tabla 33 Valores de entalpiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 102
Tabla 34 Caracteriacutesticas de humidificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103
Tabla 41 Dimensiones de zona sin perforarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
Tabla 42 Informe de resultados del anaacutelisis de la bandeja perforadahellip 119
Tabla 43 Informe de resultados del colector de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 127
Tabla 44 Informe de resultados de la campana de extraccioacutenhelliphelliphelliphellip 133
Tabla 45 Velocidades y caiacutedas de presioacuten permisibles 135
Tabla 46 Densidad del fluido en funcioacuten de la velocidadhelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
Tabla 51 Lista de equipos y herramientashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
121
IacuteNDICE DE PLANOS
Plano 1 Torre de enfriamiento y sus partes
Plano 2 Bandejas perforadas
Plano 3 Campana de extraccioacuten
Plano 4 Tanque colector
Plano 5 Placa soporte
Plano 6 Dimensiones de estructura de torre de enfriamiento
122
ABREVIATURAS
ordmC Grados centiacutegrados
Mg Magnesio
Si Silicio
m Metros
cm Centiacutemetros
mm Miliacutemetros
kg Kilogramos
t Toneladas meacutetricas
MVA Mega voltamperios
kwh Kilovatio hora
tkwh Kilovatio hora por tonelada
Nm3
Metro cuacutebico normalizado
FeMn Ferromanganeso
MgO Oacutexido de magnesio
m Microacutemetro
NO2 Dioacutexido de nitroacutegeno
3Nmg
Gramos por metro cuacutebico de aire normalizado
ht Toneladas por hora
3mg
Gramos por metro cuacutebico
123
3mmg
Miligramos por metro cuacutebico
3pieg
Gramos por pieacute cuacutebico
min
3pie Pieacute cuacutebico por minuto
gal galoacuten
CFM Pies cuacutebicos por minuto
t
Kg Kilogramos por tonelada
hm3
Metros cuacutebicos por hora
th
m3
Metros cuacutebicos por hora por tonelada
s Densidad del soacutelido
3mg
Microgramos por metro cuacutebico
3mkg
Kilogramo por metro cuacutebico
sm Metros por segundo
OHmmCol 2 Miliacutemetros de columna de agua
atm atmoacutesferas
Pa Pascales
FPM Pies cuacutebicos por minuto
A Aacuterea
V Velocidad
Q Caudal
sm3
Metros cuacutebicos por segundo
124
SP Presioacuten estaacutetica
VP Presioacuten dinaacutemica
kPa Kilopascales
MPa Megapascales
2lgpulb Libras por pulgadas cuadradas
antildeomm Miliacutemetro por antildeo
hmm
2
3
Metros cuacutebicos por metro cuadrado por hora
psi Libras por pulgada cuadrada
diaacutemetro
ppm Partes por milloacuten
M Momento
mpy Mileacutesimas de pulgada por antildeo
Mw Megavatios
T Diferencia de temperaturas
CkgJ
ordm Joules por kilogramo por grado centiacutegrado
k Conductividad
h Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
R Sumatoria de resistencias
f Factor de friccioacuten
St Nuacutemero de stanton
KmW
2 Vatios por metro cuadrado por grados kelvin
125
INTRODUCCIOacuteN
La Armada del Ecuador a cargo de la Direccioacuten de Mantenimiento de la
institucioacuten con el propoacutesito de brindar mantenimiento al escuadroacuten de
submarinos nacionales SS ndash 11 ldquoShyrirdquo y SS ndash 12 ldquoHuancavilcardquo tipo U ndash 209
de fabricacioacuten alemana considera el cambio inmediato de las bateriacuteas de
propulsioacuten instaladas en dichos submarinos por haber cumplido su ciclo de
vida
Las unidades submarinas son de propulsioacuten diesel ndash eleacutectricas las bateriacuteas
son las encargadas de suministrar la energiacutea necesaria para propulsar y
alimentar la red abordo
Las bateriacuteas operan desde el antildeo 1997 tiempo de operacioacuten hasta la fecha
de 11 antildeos que sobrepasan el tiempo de vida uacutetil que es de 10 antildeos lo que
requiere un reemplazo inmediato de las bateriacuteas
Es por eso que las bateriacuteas de propulsioacuten fueron adquiridas a traveacutes de la
Junta de Defensa Nacional a la compantildeiacutea alemana Hawker GMBH una
126
remesa de 960 bateriacuteas estas son del tipo plomo ndash aacutecido las bateriacuteas se
someten a un proceso de carga y descarga cuando estaacuten montadas en el
submarino este proceso genera calor y produccioacuten de hidroacutegeno en el
ambiente
Para controlar la generacioacuten de calor existe en el submarino un sistema de
enfriamiento utilizando agua del mar las bateriacuteas nuevas adquiridas no
vienen activadas de fabrica para evitar problemas de danos y eliminar
riesgos durante el viaje hasta las instalaciones de la Armada Nacional es por
eso que la institucioacuten a dispuesto un lugar estrateacutegico donde se va a
proceder a la construccioacuten del sistema de activacioacuten de las bateriacuteas lo que
conlleva a realizar trabajos preliminares para la puesta en marcha de estos
equipos
Como este proceso tiene que ser realizado en tierra la Armada del Ecuador
convoca a diferentes empresas para licitar en el disentildeo construccioacuten y
montaje de un sistema de enfriamiento de agua que va a ser utilizada en la
activacioacuten de 120 bateriacuteas a la vez
ERMARLO SA empresa en la cual me desenvolviacutea en el departamento de
proyectos fue adjudicada la licitacioacuten y fue asignado el proyecto de disentildeo y
construccioacuten del sistema de enfriamiento el cual es el objetivo de esta tesis
127
Se utilizaran varios programas computacionales como Inventor 10 ESP plus
con el fin de utilizarlos en la praacutectica con mayor destreza para solucionar
problemas
CAPITULO 1
1 GENERALIDADES 11 Descripcioacuten del Sistema de Poder de los Submarinos
A fin de clarificar ciertos aspectos importantes para comprender el sistema de
propulsioacuten de los submarinos se realizaraacute una breve descripcioacuten generalizada de
este tipo de buque
El submarino tipo U ndash 209 es un buque disentildeado exclusivamente para
operar bajo el agua esta afirmacioacuten puede parecer redundante pero
es necesaria para diferenciar los submarinos modernos de los usados
durante la primera y segunda guerras mundiales que era propiamente
128
ldquosumergiblesrdquo es decir los buques con capacidad de permanecer
periodos relativamente cortos bajo la superficie esto explica el disentildeo
de estos con cantildeones en cubierta para la defensa aeacuterea y de
superficie
Hasta la llegada de la propulsioacuten nuclear marina la mayoriacutea de los submarinos del
siglo XX usaron bateriacuteas eleacutectricas para la navegacioacuten subacuaacutetica y motores de
combustioacuten interna para la superficie y recargar las bateriacuteas Los primeros modelos
usaban gasolina como combustible pero pronto se sustituyoacute por parafina y luego
gasoacuteleo gracias a su menor inflamabilidad La combinacioacuten diesel-eleacutectrico se
convertiriacutea en el medio de propulsioacuten estaacutendar Inicialmente el motor diesel o gasolina
y el eleacutectrico separados por embragues estaban en el mismo eje e impulsaban el
propulsor Esto permitiacutea que el primero usase al segundo como generador para
recargar las bateriacuteas e impulsar tambieacuten al submarino si era necesario Cuando el
submarino se sumergiacutea se desembragaba el motor diesel de forma que se usase el
eleacutectrico para girar la heacutelice El motor eleacutectrico puede tener maacutes de un inducido sobre
el eje estando eleacutectricamente acoplados en serie para velocidades bajas y en
paralelo para velocidades altas
129
12 Caracteriacutesticas Principales del Submarino U ndash 209
Desplazamiento
(sumergidos)
1285 Ton
Dimensiones 559 6355 m
Propulsioacuten 4 MTU MD 12V992 Tb 90
diesel de 600 CV un
Siemens eleacutectrico de
5000 CV y 4
generadores eleacutectricos
de 405 Kw
Tipo Submarino diesel
eleacutectrico de ataque SSK
Astillero de origen Howaldtswerke Kiel
Alemania
Desplazamiento 1265 ton (superficie)
1396 ton (inmersioacuten)
Casco Acero naval reforzado
Celdas 480 de 11500 Amp ndash h y
un peso total de 257 ton
Combustible 108 ton
Profundidad
maacutexima
500 metros
Armamento 553 mm torpedos en
tubos (14) misil Sub-
130
Harpoon
Tripulacioacuten 33
TABLA 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U ndash 209
El submarino posee 4 bateriacuteas de 120 celdas cada una
Cada celda estaacute disentildeada para almacenar cargas con voltajes que no
exceden los 275 voltios de corriente continua Las 120 celdas estaacuten
conectadas en serie esto para cada bateriacutea
FIGURA 11 PARTES CONSTITUTIVAS DEL SUBMARINO U -209
13 Proceso de Carga y Descarga de las Bateriacuteas en el Submarino
131
Para activar las bateriacuteas antes de ser puestas en operacioacuten se
requiere que se cumpla un determinado procedimiento el cual
implica periodos de carga y descarga de acuerdo a un plan
establecido
131 Anaacutelisis del Sistema Operativo de las Bateriacuteas
El suministro de energiacutea eleacutectrica dentro del buque tiene un solo
responsable estas son las celdas del buque
Primeramente entieacutendase por celdas al elemento unitario de
energiacutea eleacutectrica del buque que baacutesicamente es un acumulador de
plomo y aacutecido o pila secundaria que puede recargarse invirtiendo
la reaccioacuten quiacutemica
La celda electroliacutetica que describiremos a continuacioacuten el
acumulador de plomo
Estos acumuladores constan de una serie de placas de plomo
dispuestas una al lado de la otra y separadas entre siacute por medio de
los separadores
Las placas son unas rejillas rectangulares en las que se efectuacutea
una transformacioacuten de energiacutea quiacutemica en eleacutectrica o viceversa
seguacuten se descargue o cargue repetidamente el acumulador
132
Existen dos clases de placas las positivas constituidas a base de
peroacutexido de plomo cuyo color es negruzco y las negativas
constituidas de plomo combinado con materiales inertes que no
intervienen en la transformacioacuten generalmente antimonio Al
peroacutexido de plomo y al plomo que componen las placas se les
denomina materia activa del acumulador
Las placas positivas estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute
mediante una barra o laacutemina metaacutelica denominada puente de
unioacuten Lo mismo ocurre para las placas negativas Sobre ambos
puentes se hallan los bornes del acumulador uno positivo y otro
negativo
El conjunto de placas positivas y negativas alternadas se
encuentran sumergidas en agua acidulada que es una mezcla de
acido sulfuacuterico y agua que hace las veces de electrolito
En las condiciones hasta ahora descritas el acumulador se halla
cargado es decir que si entre sus bornes conectamos un
consumidor por ejemplo una laacutempara por ella circula corriente y
por tanto se encenderaacute ello es debido a que entre sus placas de
peroacutexido de plomo y de plomo existe una diferencia de potencial
capaz de producir corriente eleacutectrica cuando circula esta corriente
a traveacutes de un consumidor el acumulador se estaacute descargando
133
Durante dicha descarga para la corriente desde la placa positiva a
la negativa por el por el receptor o consumidor exterior a la bateriacutea
y por el interior desde la placa negativa a traveacutes del electrolito a la
placa positiva
Al pasar la corriente por el electrolito se descompone la moleacutecula
del aacutecido sulfuacuterico en dos iones (SO4-) y (2H+) con cargas
negativas y positivas respectivamente que reaccionan formando
en la placa positiva peroacutexido de plomo (PbO2) mas agua en el
recipiente Esta agua se genera porque el oxiacutegeno liberado de la
placa positiva del peroacutexido de plomo se combina con el hidroacutegeno
descompuesto del aacutecido sulfuacuterico
De la misma manera se forma sulfato plumboso en la placa
negativa y agua en el recipiente La reaccioacuten de la descarga la
podriacuteamos resumir asiacute
134
A medida que se va descargando la concentracioacuten de aacutecido
sulfuacuterico en el electrolito va disminuyendo lo que origina que sea
menos conductor provocando este fenoacutemeno un aumento de la
resistencia interior en el elemento lo que produce una caiacuteda de
tensioacuten tan grande que deja la bateriacutea fuera del servicio uacutetil
Cuando ha sido atacado todo el peroacutexido de plomo y todo el plomo
cesa la transformacioacuten y con ella la corriente eleacutectrica el
acumulador descargado incapaz de producir maacutes corriente
eleacutectrica
Si estando el acumulador descargado aplicamos en sus bornes
una diferencia de potencial se produciraacute la electroacutelisis del agua
contenida en el recipiente y las transformaciones que habraacuten
tenido lugar durante la descarga se invertiraacuten es decir en las
placas positivas se transformara el sulfato plumboso en peroacutexido
de plomo y aacutecido sulfuacuterico y en las negativas en plomo y aacutecido
sulfuacuterico con lo que el acumulador quedara nuevamente cargado y
con la facultad de poder suministrar de nuevo corriente eleacutectrica
La reaccioacuten de carga se habraacute efectuado asiacute
135
Estos fenoacutemenos quiacutemicos se llevan a cabo en el interior del
acumulador se va intentar representarlos por una serie de figuras
Por ejemplo en la Figura 12 Se tiene una aproximacioacuten a un
esquema de reaccioacuten quiacutemica durante la descarga del acumulador
La laacutempara representa el aparato consumidor que estaacute recibiendo
energiacutea eleacutectrica en este momento En el interior del acumulador
se estaacuten descomponiendo del modo que indican las flechas las
moleacuteculas de cada uno de los componentes de las placas
conjuntamente y en colaboracioacuten con el electrolito y su
composicioacuten quiacutemica
Obseacutervese como en la parte baja de las placas se produce la
presencia del sulfato de plomo (PbSO4) que es el indicio claro de la
descarga (En este esquema se mantiene el sentido electroacutenico de
la corriente es decir el paso del negativo al positivo tal como
ocurre en la realidad aunque se ha aceptado convencionalmente la
inversa)
136
La descarga total del acumulador llegariacutea a producirse cuando
ambas placas se hallaran saturadas de sulfato de plomo y el
electrolito fuera praacutecticamente formado por agua destilada La luz
dejara de brillar en sentildeal evidente de la falta de energiacutea eleacutectrica
FIGURA 12 ESTADO DE DESCARGA DE UN ACUMULADOR
El proceso de carga podemos verlo en la Figura 13 La colocacioacuten
de un generador de corriente continua entre los bornes del
acumulador hace que la corriente circule entre placas y electrolito
Tal como puede verse en la parte alta de las placas la presencia
del sulfato plumboso (PbSO4) es general lo que indica su estado
descarga pero al paso de la corriente eleacutectrica proveniente del
generador activa una reaccioacuten quiacutemica en la que de nuevo acido
sulfuacuterico se recompone Poco a poco la placa negativa recobra su
137
plomo inicial y la positiva su peroacutexido de plomo mientras el
electrolito aumenta su densidad por encima de los valores casi del
agua que teniacutea en el estado totalmente descargado debido a su
enriquecimiento de acido sulfuacuterico [13]
Estas son pues las transformaciones quiacutemicas mediante las
cuales es posible convertir energiacutea eleacutectrica en energiacutea quiacutemica y
viceversa
FIGURA 13 ESTADO DE CARGA DE UN ACUMULADOR [13]
132 Caracteriacutesticas de las Bateriacuteas
138
A pesar de su diversa constitucioacuten todas las bateriacuteas pueden
ser definidas mediante unas caracteriacutesticas comunes que se
consideran seguidamente
Resistencia interna- Formada por la resistencia oacutehmica
de sus componentes (terminales electrodos soportes y
electrolito) y por una resistencia virtual variable en funcioacuten
del estado de carga y de las distintas polarizaciones y
concentraciones Aumenta con las bajas temperaturas
con la descarga de la bateriacutea y con el envejecimiento
Rendimiento- Es la relacioacuten entre la energiacutea
suministrada durante la descarga y la que se necesita
para cargar plenamente la bateriacutea Las peacuterdidas en una
bateriacutea se deben sobre todo a una produccioacuten de energiacutea
caloriacutefica en los procesos quiacutemicos que tienen lugar
durante la carga y descarga
Velocidad de carga y descarga - Las corrientes de
carga y descarga a menudo se especifican con unos
teacuterminos que indican la descarga completa en un periacuteodo
continuo de una hora Estos teacuterminos son los regiacutemenes C
y sus muacuteltiples y submuacuteltiplos son un medio muy coacutemodo
para especificar las velocidades de carga y descarga Por
tanto 10C es la corriente que descarga la bateriacutea en seis
139
minutos mientras que C10 es la corriente que descarga
la bateriacutea en diez horas
Vida uacutetil - La vida uacutetil de una bateriacutea no se mide en antildeos
sino por la cantidad de ciclos de carga - descarga que es
capaz de realizar Asiacute si se la somete a un reacutegimen de
trabajo de muchos ciclos diarios probablemente soacutelo
duraraacute unos meses mientras que si el reacutegimen es de un
ciclo al diacutea o incluso maacutes lento (como ocurre en el caso de
iluminacioacuten de viviendas con energiacutea solar) la bateriacutea
puede durar al menos diez antildeos
133 Capacidad de una Bateriacutea
Es la cantidad de electricidad que puede entregar cuando se
descarga antes de que su tensioacuten disminuya por debajo de un
nivel miacutenimo Su siacutembolo es C y se expresa en A - h Otro
factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una bateriacutea
es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten quiacutemica
que tiene lugar en el acumulador se acelera demasiado y la
vida se acorta Si la temperatura es baja la vida se prolonga
pero si baja demasiado puede correr el riesgo de congelacioacuten
En este caso lo mejor seraacute mantener la bateriacutea en un nivel de
140
carga alto ya que cuanto mayor sea la concentracioacuten del
electrolito el punto de congelacioacuten seraacute maacutes bajo
La capacidad de una bateriacutea variacutea seguacuten el reacutegimen de
descarga aumenta a medida que la descarga es maacutes lenta y
disminuye cuando esta es maacutes raacutepida
Por esta razoacuten el valor de C debe venir referenciado con el
tiempo de descarga
FIGURA 14 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
REGIMEN DE DESCARGA [13]
Un incremento de la temperatura dentro de unos liacutemites
aumenta la actividad de los procesos quiacutemicos y por lo tanto
la capacidad de la bateriacutea Por el contrario a bajas
temperaturas la actividad quiacutemica es menor y la capacidad
disminuye considerablemente
141
FIGURA 15 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN LA
TEMPERATURA [13]
La historia de la bateriacutea afecta tambieacuten a la capacidad Si una
bateriacutea lleva un largo periacuteodo sin ser recargada en toda su
capacidad se produce un efecto memoria que impide que
recupere su capacidad nominal siendo necesarios varios
ciclos de carga y descarga para recuperarla El
envejecimiento de una bateriacutea merma su capacidad y va
disminuyendo a lo largo de su vida en funcioacuten del servicio de
carga - descarga a que sea sometida Para el caacutelculo de la
capacidad nominal necesaria hay que tener en cuenta la vida
uacutetil que se desea para la bateriacutea si se desea una vida uacutetil de
142
3 antildeos y el fabricante indica que al final de este periacuteodo soacutelo
se mantiene el 50 de la capacidad habraacute que utilizar una
bateriacutea de capacidad doble a la estimada necesaria
FIGURA 16 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
NUacuteMERO DE CICLOS [13]
Ademaacutes de los ciclos de carga - descarga tambieacuten hay que
considerar la profundidad de la descarga media que se
produce en cada uno de ellos Si dicha descarga es
moderada y soacutelo de vez en cuando se alcanza una
profundidad elevada el nuacutemero de ciclos que soportaraacute las
bateriacuteas seraacute elevado A medida que se la someta a
descargas maacutes profundas el nuacutemero de ciclos que podraacute
realizar y por tanto su vida uacutetil iraacute disminuyendo En
143
cualquier caso la profundidad de descarga maacutexima admisible
para un acumulador plomo - aacutecido es del 80
FIGURA 17 VARIACION DE LA VIDA UTIL EN FUNCION
DE LA DESCARGA [13]
Con un reacutegimen de descarga diaria del 25 de su capacidad
y un 80 de descarga 2 veces al antildeo (condiciones que
normalmente se dan en una instalacioacuten fotovoltaica) la
bateriacutea solar puede alcanzar una vida uacutetil de maacutes de 11 antildeos
Otro factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una
bateriacutea es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten
quiacutemica que tiene lugar en el acumulador se acelera
demasiado y la vida se acorta Si la temperatura es baja la
144
vida se prolonga pero si baja demasiado puede correr el
riesgo de congelacioacuten En este caso lo mejor seraacute mantener
la bateriacutea en un nivel de carga alto ya que cuanto mayor sea
la concentracioacuten del electrolito el punto de congelacioacuten seraacute
maacutes bajo
Las mayores formas de acortar la vida uacutetil de un acumulador
son
someterlos a cargas y descargas violentas y repetidas
descargarlo hasta el agotamiento
trabajar a temperaturas extremas
134 Autodescarga
La autodescarga de una bateriacutea consiste en la peacuterdida de
energiacutea por reaccioacuten entre los materiales que forman los
elementos de la bateriacutea en condiciones de circuito abierto es
decir cuando no hay carga alguna conectada al circuito de la
bateriacutea Depende del tipo de bateriacutea y muy directamente de la
temperatura aumentando con esta Por ello y dado que los
valores estaacutendar suelen venir referidos a una temperatura
145
media (unos 20 oacute 25ordmC) es preciso tener en cuenta que este
factor puede alterarse en algunos casos
FIGURA 18 VARIACION DE LA CAPACIDAD POR
AUTODESCARGA [13]
La autodescarga hay que considerarla como un consumo
adicional que demanda un cierto porcentaje de energiacutea
almacenada Su valor es aproximadamente de un 05 a un
1 diario en bateriacuteas plomo - aacutecido
146
135 Almacenamiento
Los fabricantes suelen dar recomendaciones para el almacenamiento
Mostramos las condiciones recomendadas para aplicaciones solares
en la tabla siguiente
TABLA 12 PARAMETROS DE ALMACENAMIENTO [18]
Las bateriacuteas almacenadas llenas y cargadas requieren un periodo de
recarga antes de su instalacioacuten El fabricante debe proporcionar las
instrucciones acerca de los intervalos y meacutetodos en los que debe
efectuarse
La exposicioacuten a alta temperatura y humedad durante el
almacenamiento puede ocasionar una peacuterdida de capacidad La
temperatura de una bateriacutea guardada en un recipiente expuesto a la
luz directa del sol puede subir a 60 degC o maacutes durante el diacutea
147
136 Principales Meacutetodos de Carga
La vida uacutetil de una bateriacutea y sus prestaciones dependen
directamente de los procesos de carga a los que es sometida
Por esta razoacuten hay que seguir en cada caso las
recomendaciones que da el fabricante
Los principales meacutetodos de carga son
1 Tensioacuten constante
2 Corriente constante
3 Corriente descendente
4 Dos niveles de tensioacuten constante
Tensioacuten constante
El meacutetodo de carga a tensioacuten constante es el maacutes usado para
cargar bateriacuteas de plomo - aacutecido Consiste en aplicar una
tensioacuten constante de 23 24 oacute 25 Velemento limitando la
corriente inicial de carga a 01C oacute 02 C amperios siendo C la
capacidad de la bateriacutea en amperios - hora El tiempo de
carga va de 40 horas a 10 horas y la tensioacuten debe regularse
seguacuten la temperatura ambiente si la temperatura es alta la
tensioacuten de carga debe ser baja y viceversa
148
Algunos fabricantes admiten la utilizacioacuten de este meacutetodo sin
limitacioacuten de corriente pues sus bateriacuteas estaacuten
dimensionadas para fuertes corrientes En este caso si se
inicia el proceso con 23Velemento la corriente inicial
despueacutes de una descarga profunda seraacute de 3C amperios y de
un 05C durante un periacuteodo largo
Corriente constante
El meacutetodo de carga a corriente constante es recomendado
por algunos fabricantes para las bateriacuteas de niacutequel - cadmio
limitando la corriente entre 025C y 005C amperios En el
caso de carga profunda se admiten corrientes de 1C
amperios pero vigilando la tensioacuten de la bateriacutea o la
temperatura
La carga a corriente constante se utiliza como carga de
igualacioacuten en bateriacuteas plomo - aacutecido para corregir diferencias
de capacidad entre las bateriacuteas de un mismo grupo Para
evitar una sobrecarga que destruya la bateriacutea es necesario
terminar cuando la bateriacutea alcance su maacutexima capacidad
149
Corriente descendente
Es el sistema de carga maacutes econoacutemico y es utilizado por
algunos fabricantes para sus bateriacuteas niacutequel - cadmio
Consiste en una carga sin regulacioacuten limitada por una
resistencia serie que en algunos casos es la propia
resistencia del devanado del transformador de alimentacioacuten
A medida que la bateriacutea se va cargando la corriente de carga
va descendiendo gradualmente Es un meacutetodo antiguo y muy
peligroso porque la tensioacuten y corriente de carga dependen de
las fluctuaciones de la corriente de la red con lo que existe
riesgo impliacutecito de sobrecarga
Dos niveles de tensioacuten constante
Es el meacutetodo recomendado para cargar una bateriacutea de plomo
- aacutecido hermeacutetica en un periacuteodo corto de tiempo y mantener la
bateriacutea en plena carga en situacioacuten de flotacioacuten Inicialmente
se carga a un nivel alto de tensioacuten (245Velemento)
limitando la corriente A partir de que esta disminuya por
debajo de un nivel se pasa a tensioacuten constante permanente o
de flotacioacuten Este meacutetodo es el maacutes eficiente pues minimiza el
tiempo de carga y la bateriacutea queda protegida de sobrecargas
150
Despueacutes de una descarga profunda es necesario un tiempo
de carga maacutes largo de lo normal Inicialmente la corriente que
admite la bateriacutea es baja ya que la resistencia interna tiene
un valor elevado y no adquiere su valor normal hasta pasados
unos 30 minutos Por este motivo es necesario inhibir el
control durante este periacuteodo de tiempo pues el cargador
podriacutea suponer que la bateriacutea estaacute cargada y dejarla en
flotacioacuten
137 Control de Carga
Para mantener el rendimiento oacuteptimo de una bateriacutea es esencial que
su carga se controle adecuadamente Al comienzo del ciclo de carga la
corriente deberiacutea limitarse para asegurar que no se produzca
generacioacuten de gases a causa de un voltaje excesivo aplicado al vaso
mientras la capacidad se recupera la corriente de carga debe
limitarse para mantener el voltaje de los vasos en el umbral requerido
para la generacioacuten de gases o ligeramente inferior una vez
recuperada la plena capacidad se deberiacutea aplicar una carga final a
corriente constante por un periacuteodo de tiempo fijo (carga de
igualacioacuten) Aunque estas condiciones no puedan lograrse
praacutecticamente en los sistemas de energiacutea fotovoltaica hay ciertas
151
circunstancias que se necesitan para minimizar el mantenimiento y
mantener la vida de la bateriacutea Los paraacutemetros del regulador tendraacuten
en cuenta los efectos del disentildeo del generador fotovoltaico la carga
la temperatura y los valores liacutemite recomendados para proteger la
bateriacutea Las de plomo-aacutecido o de niacutequel-cadmio tendraacuten el electrolito
suficiente para cubrir el periacuteodo entre por lo menos las visitas de
mantenimiento planificadas [13]
La sobrecarga excesiva no aumenta la energiacutea almacenada en la
bateriacutea En cambio la sobrecarga afecta al intervalo de servicio
debido al consumo de agua destilada en las bateriacuteas aacutecidas como
resultado de la generacioacuten de gases Para minimizar este efecto el
voltaje de regulacioacuten de la carga debe compensarse con los cambios
en la temperatura del electrolito ya que esto afecta directamente al
umbral de voltaje de generacioacuten de gases Contrariamente a esto la
estratificacioacuten puede ocurrir en bateriacuteas de electrolito liacutequido
particularmente en sistemas fotovoltaicos doacutende la insolacioacuten es a
menudo insuficiente para proporcionar generacioacuten de gases durante
el funcionamiento normal La estratificacioacuten se produce cuando capas
menos densas de electrolito se depositan sobre capas maacutes densas
situadas en el fondo de los vasos lo que produce una reduccioacuten de
152
capacidad Esto puede corregirse con la agitacioacuten que se produce
durante el proceso de gasificacioacuten Por consiguiente el proceso de
regulacioacuten de carga debe disentildearse para promover la generacioacuten de
gases a intervalos regulares Esto puede lograrse elevando el voltaje
de control de carga durante un periacuteodo y restablecieacutendolo una vez
que se ha producido la generacioacuten de gases
138 Administracioacuten de la Temperatura en las Bateriacuteas
Limites de temperatura de operacioacuten
Todas las bateriacuteas dependen para su funcionamiento de un proceso electroquiacutemico
ya sea en carga o descarga y sabemos que estas reacciones quiacutemicas son en alguna
manera dependientes de la temperatura La capacidad nominal de una bateriacutea se
especifica usualmente en alguacuten punto dentro del rango de trabajo entre +20ordmC hasta
+30ordmC (+68ordmF ~ +86ordmF) sin embargo la capacidad real puede desviarse
substancialmente del valor nominal si la bateriacutea es forzada a trabajar a mayores o
menores temperaturas (Figura 18) La Ley de Arrhenius dice que la velocidad a la
cual una reaccioacuten quiacutemica se produce incrementa exponencialmente seguacuten la
temperatura aumenta Esto permite que se extraiga mayor potencia de la bateriacutea en
un instante a mayores temperaturas que la de trabajo Al mismo tiempo las mayores
temperaturas aumentan la movilidad de los electrones o iones reduciendo asiacute la
impedancia interna de la celda por consiguiente aumentando su capacidad Sin
embargo en el extremo superior de la escala las altas temperaturas pueden
tambieacuten iniciar reacciones quiacutemicas no deseadas o irreversibles yo peacuterdida de
electrolito lo cual puede causar un dantildeo permanente o falla completa de la bateriacutea
En el extremo inferior de la escala el electrolito se puede congelar fijando un liacutemite
153
para la capacidad a bajas temperaturas Por debajo del punto de congelamiento del
electrolito la capacidad de la bateriacutea comienza a deteriorarse seguacuten la velocidad de
la reaccioacuten quiacutemica se reduce Auacuten cuando una bateriacutea esteacute especificada para
trabajar bajo los -20ordmC oacute -30ordmC la capacidad a 0ordmC y por debajo de este punto de
disminuye considerablemente Debemos tomar en cuenta que el liacutemite inferior de
temperatura de trabajo de una bateriacutea puede depender de su estado de carga Un
sistema real puede por lo tanto necesitar ambos calentamiento y enfriamiento
ambiental forzado para mantenerlo no soacutelo dentro de los rangos liacutemite de trabajo
especificado por el fabricante sino dentro de un rango maacutes limitado para alcanzar
desempentildeo oacuteptimo
FIGURA 18 CAPACIDAD DE CARGA DE BATERIAS PLOMO ndash ACIDO A
DIFERENTES TEMPERATURAS
Efectos teacutermicos externos
154
Efectos teacutermicos externos La condicioacuten teacutermica de la bateriacutea es tambieacuten dependiente
de su ambiente Si su temperatura estaacute sobre la temperatura ambiente perderaacute calor
por efecto de la conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten Si la temperatura ambiente es
mayor la bateriacutea absorberaacute calor de sus alrededores
Cuando la temperatura ambiente es muy alta el sistema de manejo de la
temperatura debe trabajar muy duro para mantener la temperatura bajo control Una
sola celda puede trabajar muy bien a la temperatura ambiente de una sala por siacute
sola pero si es parte de un paquete de bateriacuteas rodeada de celdas similares todas
generando calor auacuten si la carga es la misma para todas podriacutea exceder sus liacutemites
de temperatura
FIGURA 19 REACCION EXOTERMICA
155
CAPITULO 2
2 DESCRIPCIOacuteN DEL PROBLEMA
Las unidades navales de la Armada del Ecuador dentro de los escenarios
en tiempo de paz y conflicto una de sus principales funciones es de
mantener los equipos y sistemas operativos como parte fundamental en
la operatividad como parte de estas funciones la Direccioacuten de
Mantenimiento de la institucioacuten es la encargada de realizar el cambio de
las bateriacuteas del Escuadroacuten de submarinos de que son las encargadas
suministrar energiacutea eleacutectrica a todo el submarino
156
Se adquiere una remesa de 960 bateriacuteas nuevas para eacutel los submarinos
a la empresa alemana Hawker GMBH ya que es necesario se efectuacutee la
remocioacuten de las bateriacuteas por cuanto su tiempo de vida uacutetil fue alcanzado
en el antildeo 2006 estos equipos vienen realizados sus pruebas de control
de calidad pero no vienen eleacutectricamente cargadas por lo que se
requiere realizar la operacioacuten de activacioacuten en tierra antes de ser puestas
en los submarinos
Para esto se requiere construir un sistema que permita la carga de 120
bateriacuteas a la vez Como se analizoacute en el Capitulo 1 existen tres
paraacutemetros que se debe controlar en el momento de carga o activacioacuten
de estos elementos que son
Voltaje
Corriente
Temperatura
El paraacutemetro de voltaje es necesario conocerlo para saber cuando las
celdas necesitan recargarse o cuando una de las celdas esta averiada y
tomar las acciones necesarias para continuar con el procedimiento de
activacioacuten de los elementos
157
El paraacutemetro de la corriente es necesario conocerlo para saber queacute
cantidad de energiacutea eleacutectrica estaacute entregando o recibiendo las celdas y
de esta manera conocer los amperios ndash hora que estaacute recibiendo las
celdas
El paraacutemetro de temperatura es criacutetico y es el paraacutemetro que esta tesis
estaacute encargada de controlar en este proceso de activacioacuten ya que se
desprende hidrogeno y sabiendo que el hidrogeno es un gas inflamable y
que al combinarse con el oxigeno en un determinado porcentaje es
detonante por este motivo se debe tener estricto control en la
temperatura de las celdas y de la concentracioacuten de hidrogeno en el aacuterea
de activacioacuten
El resultado de los efectos termo-eleacutectricos y termo-quiacutemicos posiblemente aumentados por las
condiciones ambientales es generalmente un aumento en la temperatura y como se dijo
anteriormente esto provocaraacute un incremento exponencial en la velocidad a la cual la reaccioacuten
quiacutemica se da Tambieacuten sabemos que si el aumento de temperatura es excesivo muchas cosas
desagradables pueden suceder
Los quiacutemicos activos se expanden causando que la celda se
ldquohincherdquo
Distorsiones mecaacutenicas en los componentes de la celda pueden
provocar corto circuitos o circuitos abiertos
158
Pueden darse reacciones quiacutemicas irreversibles las cuales
causaraacuten una reduccioacuten permanente en los quiacutemicos activos y por
lo tanto en la capacidad de la celda
Operacioacuten prolongada a altas temperaturas puede causar roturas
en partes plaacutesticas de la celda
Se expeleraacuten muchos gases de la celda debido a lo cual aumenta
la presioacuten dentro de esta lo que puede llevar eventualmente a una
ruptura o explosioacuten de la misma
Se podriacutean liberar quiacutemicos toacutexicos o inflamables
21 Requerimientos para el Proceso de Enfriamiento de las
Bateriacuteas de los Submarinos
Las bateriacuteas son colocadas en un cuarto de activacioacuten designado por la Armada del
Ecuador este cuarto debe ser adecuado para colocar 240 bateriacuteas colocadas sobre
plataformas de carga 4 unidades por plataforma en fila cada bateriacutea debe ser enfriada
de acuerdo a los paraacutemetros especificados por el fabricante
159
FIGURA 21 TRABAJOS PRELIMINARES
El enfriamiento de los elementos de la bateriacutea se consigue haciendo pasar el agua
destilada a traveacutes de los polos negativos y positivos que son huecos pasando desde
aquiacute a traveacutes de tuberiacuteas de salida hacia la tuberiacutea principal
Salida de agua
destilada caliente
Ingreso de agua
destilada friacutea
Salida de agua
destilada caliente
160
FIGURA 22 ESQUEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIA POR MEDIO DE AGUA
DESTILADA
22 Condiciones Teacutecnicas para la Activacioacuten de las Bateriacuteas de
Los Submarinos
Por lo que debe cumplirse con los programas de carga y descarga
siendo la temperatura un paraacutemetro a controlar principalmente en
el periodo de carga
Carga 10 h 590 A 5900 A-h
40 h 435 A 17400 A-h
Ingreso de agua
destilada friacutea
161
4 h Pausa
18 h 200 A 3600 A-h
Descarga 16 h 564 A
Carga aprox 31 h Carga Factor carga 125
27 Cargar 2h 200 A1h pausa
Descarga 20 h 564 A
Carga aprox 36 h Cargar IUI
TABLA 21 PROGRAMA DE CARGA ELECTRICA PARA LA ACTIVACION DE LAS
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
23 Alternativas de Solucioacuten
Los procesos de enfriamiento del agua se cuentan entre los maacutes antiguos que haya
desarrollado el hombre Por lo comuacuten el agua se enfriacutea exponiendo la superficie al aire
Algunos de estos procesos son lentos como el enfriamiento del agua en la superficie
de un estanque otros son comparativamente raacutepidos por ejemplo el rociado de agua
hacia el aire todos estos procesos implican la exposicioacuten de la superficie del agua al
aire en diferentes grados
Al enfriar agua es importante tener en cuenta consideraciones que mejoraran al modo
de enfriamiento del agua y que pueden significar un mayor rendimiento en el proceso
industrial Por esta razoacuten los meacutetodos de enfriamiento pueden ser mejorados en base a
estudios preliminares que cumplen con las normas existentes
162
El agua en estado puro no existe y dependiendo de la fuente de donde provenga
contiene un sin nuacutemero de impurezas a continuacioacuten enlistaremos solo las que nos
afectan en el tratamiento interno de los sistemas de enfriamiento
Constituyente Formula Quiacutemica
Dificultad de causa
Dureza Sales de Ca y Mg Fuente principal de incrustaciones en tuberiacuteas
Acidez mineral H2SO4
Libre HCl Corrosioacuten
Dioacutexido de carbono CO2 Corrosioacuten en las liacuteneas de agua
Sulfatos
SO4
Aumenta el contenido de soacutelidos en el agua Se combina con calcio para formar sales incrustantes de sulfato de calcio
Cloruros
Cl como NaCl
Aumento el contenido de soacutelidos e incrementa el caraacutecter corrosivo del agua
Siacutelice
SiO2
Incrustacioacuten en sistemas de agua de enfriamiento
Hierro Fe +2 ferroso
Fe +3 feacuterrico
Fuente de depoacutesitos en las tuberiacuteas
Oxigeno O2 Oxidacioacuten en tuberiacuteas
Sulfuro de hidrogeno H2S Corrosioacuten
Soacutelidos disueltos Elevadas concentraciones de soacutelidos son indeseables debido a que originan formacioacuten de lodos
Soacutelidos suspendidos Originan depoacutesitos en equipos intercambiadores de calor y tuberiacuteas ocasionan formacioacuten de lodos o incrustaciones
Microorganismos Algas limo y hongos
Formacioacuten de adherencia suciedad bioloacutegica corrosioacuten olores desagradables
TABLA 22 IMPUREZAS MAS COMUNES EN EL AGUA QUE AFECTAN LOS
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
De acuerdo a las especificaciones indicadas anteriormente
principalmente se requiere remocioacuten de calor de las bateriacuteas
163
mientras estas se encuentran en el proceso de activacioacuten en tierra
para la cual se plantea algunas alternativas de varios sistemas de
enfriamiento para posteriormente escoger la maacutes oacuteptima
231 Sistema de enfriamiento directo
Las instalaciones donde se van a colocar las bateriacuteas para ser
activadas estaacuten cerca del estero para lo cual se analizaran
ventajas y desventajas de utilizar este sistema
E-1
Agua de mar
Cuarto de
activacion de
baterias
FIGURA 23 ESQUEMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
DIRECTO
Ventajas
Se tiene agua permanente y en gran cantidad tomada desde
el estero
164
No se requiere instalaciones hidraacuteulicas complicadas
Desventajas
El agua que debe ingresar al sistema de enfriamiento de las
bateriacuteas debe ser esteacuteril pero el agua del estero contiene
cantidades apreciables de sales disueltas lo que implica el
que se tendriacutea que pensar en una planta de tratamiento de
agua
El agua caliente que sale como producto de la remocioacuten de
calor retorna al estero se presenta el problema de
contaminacioacuten teacutermica que puede ser tan grave como
cualquier otra forma de contaminacioacuten ya que el agua tibia
estimula el crecimiento anormal de algas que en cierto modo
consume el oxigeno de uso animal
232 Sistema de enfriamiento para Bateriacuteas de Submarino
utilizando Intercambiadores Enfriados por Aire
Consiste en una serie de tubos situados en una corriente de
aire que puede ser forzada con ayuda de un ventilador
Ventajas
Los tubos suelen tener aletas para aumentar el aacuterea de
transferencia de calor
165
Pueden ser de hasta 12 m de largo y 25 a 5 m de ancho
Un intercambiador de aire tiene una diferencia de
temperatura de unos 12 oC
Desventajas
En un intercambiador de calor enfriado por aire hay que
considerar gastos de enfriamiento del agua es
relativamente caro
E-1
Cuarto de activacion de
baterias
E-2
FIGURA 24 ESQUEMA DE SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
UTILIZANDO INTERCAMBIADORES ENFRIADOS POR AIRE
233 Sistema de Enfriamiento de Bateriacuteas de Submarino
Utilizando Chiller
Un Chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea
para el enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor
generado en un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que
el proceso finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su
temperatura y el agua durante el paso por el proceso la eleva
El agua ahora caliente retorna al chiller donde nuevamente se reduce su
temperatura para ser enviada nuevamente al proceso
166
Ventajas
El chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten
Alimentacioacuten al sistema con diferentes caudales y presiones y temperaturas
de agua
Alto rango de enfriamiento inclusive temperaturas de congelacioacuten con
adicioacuten de anticongelantes
Desventajas
Mantenimiento costoso ya que incluye un compresor un condensador
evaporador vaacutelvula de expansioacuten refrigerante y tuberiacuteas
Consumo de energiacutea
CHILLER
ENFRIADOR DE AGUA
DESTILADA
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
FIGURA 25 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIAS PARA
SUBMARINO UTILIZANDO UN CHILLER
234 Sistema de Enfriamiento Utilizando Intercambiador de
Calor y Torre de Enfriamiento
167
Ventajas
Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para
enfriar un fluido que esta maacutes caliente de lo deseado
transfiriendo este calor a otro fluido que esta frio y
necesita ser calentado
La transferencia de calor se realiza a traveacutes de una
pared metaacutelica o de un tubo que separa ambos fluidos
Las torres para enfriamiento de agua son dispositivos
cuya finalidad es extraer calor del agua a traveacutes del
contacto directo con el aire
Las torres tienen muacuteltiples aplicaciones desde
pequentildeas instalaciones de aire acondicionado hasta en
grandes complejos de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
Se puede decir que su uso estaacute justificado en sistemas
que utilizan agua como medio refrigerante donde sea
necesario disipar grandes cantidades de calor a bajo
costo y el salto de temperatura requerido sea del orden
de 10degC
La Armada del Ecuador proporcionara el banco de
tubos de un Intercambiador de Calor en desuso
Desventajas
Sistema ocupa mayor espacio fiacutesico
168
Tiempo de montaje relativamente largo
Sistemas sujetos a mayor corrosioacuten
Alcanza diferenciales de temperatura bajos en relacioacuten
a los otros sistemas
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
INTERCAMBIADOR
DE CALOR
AGUA DE TORRE CALIENTE (SALE
DEL INTERCAMBIADOR)
AGUA DESTILADA
CALIENTE SALE DE
BANCO DE BATERIAS
AGUA FRIA DE
TORRE ENTRA AL
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA FRIA
SALE DE
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA A
TEMPERATURA
ADECUADA (FRIA)
ENTRA A LAS BATERIAS
FIGURA 26 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO UTILIZANDO
INTERCAMBIADOR DE CALOR Y TORRE DE
ENFRIAMIENTO
24 Seleccioacuten de la Mejor Alternativa para el Sistema de
Enfriamiento de las Bateriacuteas
169
Para la seleccioacuten del sistema de enfriamiento para las bateriacuteas
de los submarinos se utilizaraacute una matriz de decisioacuten de
acuerdo a los paraacutemetros descritos anteriormente tomando en
cuenta las ventajas y las desventajas de cada sistema se ha
tomado en cuenta para esta operacioacuten los paraacutemetros maacutes
significativos en el proceso de la solucioacuten del problema
asignando a cada uno un porcentaje de acuerdo a la
importancia que este brinda para escoger la solucioacuten
Para ingresar a la matriz a las alternativas se les reconoceraacute
con sus iniciales
Sistema de enfriamiento directo SED
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador
enfriado por aire
SEIEA
Sistema de enfriamiento utilizando chiller SECh
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador de
calor y Torre de enfriamiento
SEICTE
170
Paraacutemetros
1 Costos de los sistemas de enfriamiento 3
2 Mantenimiento de equipos 4
3 Cumple con especificaciones y requerimientos de la
propuesta 2
4 Facilidad para adquisicioacuten de equipos 3
5 Durabilidad del sistema 1
1 2 3 4 5 Total
3 4 2 3 1
SED 25 2 0 15 05 65
SEIEA 15 10 10 10 05 50
SECh 05 10 10 10 10 45
SEICTE 15 15 15 15 10 70
TABLA 23 MATRIZ DE DECISION
De acuerdo a la matriz de decisioacuten planteada la solucioacuten maacutes
adecuada es la propuesta del sistema de enfriamiento con
intercambiador de calor y torre de enfriamiento
Existen varias torres de enfriamiento que se podriacutean adaptar al
sistema a continuacioacuten se mencionaran cada una de estas para
seleccionarla de por medio de otra matriz de decisioacuten
171
25 Torres de Enfriamiento y su Clasificacioacuten
251 Torres de circulacioacuten natural
Estas no hacen uso de ventiladores para la circulacioacuten de aire se clasifican en
torres atmosfeacutericas
torres de tiro natural
Torres atmosfeacutericas
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Utilizan las corrientes de aire de la atmoacutesfera (son de flujo cruzado)
2 Son abiertas
3 Deben instalarse en lugares muy despejados de forma que ninguacuten obstaacuteculo
pueda impedir la libre circulacioacuten de aire a traveacutes de la torre
4 Tienen un costo inicial alto debido a su gran tamantildeo pero el costo de
mantenimiento es reducido al no existir partes mecaacutenicas moacuteviles
5 Se debe garantizar que funcionaraacute habitualmente expuesta a vientos de
velocidades iguales o superiores a los 8 kmh
6 Si la velocidad promedio del viento es baja los costos fijos y de bombeo
aumentan mucho en relacioacuten a una torre de tiro mecaacutenico y no compensan el
ahorro del costo de ventilacioacuten Actualmente las torres atmosfeacutericas estaacuten en
desuso
172
Torres de tiro natural
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno
2 La diferencia de densidades entre el aire huacutemedo caliente y el aire atmosfeacuterico
es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a traveacutes de la torre
3 La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el
viento que circula por la parte superior de la chimenea tambieacuten ayuda a
establecer el flujo de aire
4 Son altas y deben tener una seccioacuten transversal grande para facilitar el
movimiento del aire ascendente
5 Tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes
caudales de agua
6 Al igual que las torres atmosfeacutericas no tienen partes mecaacutenicas
7 La velocidad media del aire a traveacutes de la torre suele estar comprendida entre 1
y 2 ms
8 No es posible conseguir un valor de acercamiento pequentildeo y es muy difiacutecil
controlar exactamente la temperatura del agua
9 En las torres de tiro -natural no se pueden utilizar rellenos de gran compacidad
debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo maacutes pequentildea posible
10 Estas torres son muy utilizadas en centrales teacutermicas muy pocas veces son
aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversioacuten inicial necesaria
252 Torres de tiro mecaacutenico
1 Proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado
2 Son torres compactas con una seccioacuten transversal y una altura de bombeo
pequentildeas en comparacioacuten con las torres de tiro natural
3 Valores de acercamiento muy pequentildeos (hasta de 1 a 2 ordmC aunque en la
praacutectica acostumbra a ser de 3 a 4 ordmC)
4 Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire el tiro es forzado
173
5 Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire se habla de tiro
inducido
Torres de tiro forzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre
2 Son casi siempre de flujo a contracorriente
3 Son maacutes eficientes que las torres de tiro inducido puesto
que la presioacuten dinaacutemica convertida a estaacutetica realiza un
trabajo uacutetil El aire que se mueve es aire friacuteo de mayor
densidad que en el caso de tiro inducido
4 El ventilador trabaja con aire friacuteo y no saturado
5 El equipo mecaacutenico tendraacute una duracioacuten mayor que en el caso de tiro inducido
6 El inconveniente radica en la posibilidad de recirculacioacuten del
aire de salida hacia la zona de baja presioacuten creada por el
ventilador en la entrada de aire En la siguiente figura se
puede observar la distribucioacuten de sus partes constituyentes
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
174
Flujo de aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 27 TORRE DE ENFRIAMIENTO DE TIRO FORZADO
Torres de tiro inducido
Estas torres son de gran importancia a nivel industrial son solucioacuten econoacutemica
a los requerimientos de enfriamiento pueden ser de dos tipos
De flujo a contracorriente
De flujo cruzado
Torres de tiro inducido y flujo a contracorriente
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Tanto el agua como el aire van en la misma direccioacuten pero en
sentidos opuestos
2 El agua maacutes friacutea se pone en contacto con el aire maacutes seco
lograacutendose un maacuteximo rendimiento
3 El aire puede entrar a traveacutes de una o maacutes paredes de la torre
4 Altura de entrada de aire reducida en comparacioacuten con las de tiro
inducido y flujo cruzado Existe el riesgo de arrastre de suciedad y
cuerpos extrantildeos dentro de la torre debido a la velocidad de
entrada de aire
5 La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se
traduce en un aumento de la potencia de ventilacioacuten en
comparacioacuten con otras torres En la siguiente figura se observa la
distribucioacuten de las partes constituyentes de este tipo de torre
175
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Ducto de salida de aire
Ventilador
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
Bandeja colectora de agua friacutea
Agua friacutea
Acceso de aire friacuteo no saturado
FIGURA 28 TORRE DE FLUJO A CONTRACORRIENTE Y TIRO
INDUCIDO
Torres de tiro inducido y flujo cruzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
176
1 El aire circula en direccioacuten perpendicular respecto al
agua que desciende
2 Tienen una altura menor que las torres de flujo a
contracorriente ya que la altura total de la torre es
praacutecticamente igual a la del relleno Pero su
diaacutemetro o seccioacuten transversal es relativamente
mayor a las de tiro inducido y flujo a contracorriente
3 El mantenimiento de estas torres es menos
complicado que en el caso de las torres a
contracorriente
4 Facilidad de inspeccioacuten de los distintos
componentes internos de la torre
5 La principal desventaja de estas torres es que no
son recomendables para aquellos casos en los que
se requiera un gran salto teacutermico y un valor de
acercamiento pequentildeo puesto que ello significaraacute
maacutes superficie transversal y maacutes potencia de
ventilacioacuten que en el caso de una torre de flujo a
contracorriente
En la siguiente figura se observan sus partes
177
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Depoacutesito
surtidor de agua caliente
Aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 29 TORRE DE FLUJO CRUZADO Y TIRO INDUCIDO
253 Especificacioacuten del Tipo de Torre de Enfriamiento a Usarse
Para seleccionar el tipo de torre de enfriamiento adecuado empleo una matriz de
decisioacuten en la que en la primera fila pondero al costo inicial costo de operacioacuten
tamantildeo compacto facilidad de mantenimiento y sobre todo al espacio requerido
para el montaje como las caracteriacutesticas requeridas para solucionar el problema
Las alternativas de solucioacuten son las 5 clases de torre de enfriamiento a las que
asigno una jerarquiacutea del 1 al 10 en funcioacuten de las caracteriacutesticas dadas en la
anterior clasificacioacuten de las torres de enfriamiento
De la sumatoria de los valores resultantes de la multiplicacioacuten de ponderacioacuten y
jerarquiacutea de cada tipo de torre se elegiraacute al tipo que posea mayor resultado
178
TABLA 25 MATRIZ DE DECISION PARA SELECCIONAR EL TIPO DE TORRE
Es evidente que la mejor opcioacuten es el tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico
y flujo a contracorriente Esto debido a que comparativamente tiene menor tamantildeo
y aacuterea de montaje requerido aunque no posea los menores costos iniciales y de
operacioacuten tal es el caso del tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico forzado
Esta es relativamente maacutes difiacutecil de limpiar y realizar su montaje razoacuten por la que
se descarta
179
CAPITULO 3
3 ANALISIS TEacuteRMICO
31 Descripcioacuten del Sistema
A partir de la figura 26 implica algunos anaacutelisis para el disentildeo del sistema de enfriamiento y es asiacute
que
Las bateriacuteas como se indico en los requerimientos del sistema van a ser cargadas 120 a la vez esto se
lo va a realizar en el galpoacuten asignado por el personal encargado del proyecto por parte de la Armada
del Ecuador
En este sitio tiene capacidad para almacenar 240 bateriacuteas como se vio en los requerimientos
eleacutectricos las bateriacuteas tienen periodos de tiempo de carga y descarga por lo que se requiere realizar
primeramente un disentildeo de un sistema que permita enfriar primeramente a 120 bateriacuteas por un tiempo
y en el periodo de descarga llevar a cargar las 120 bateriacuteas que se encuentran a continuacioacuten
180
FIGURA 31 DISPOCISION DE LAS BATERIAS EN EL CUARTO DE ACTIVACION
Para ello se disentildeo un sistema moacutevil que consta de parrillas suspendidas en ruedas en esta parrilla se
colocara las tuberiacuteas de circulacioacuten de agua destilada friacutea y saldraacute de las bateriacuteas agua destilada
caliente se indica esta disposicioacuten en el Plano 1 la parte del disentildeo de la estructura moacutevil no seraacute
parte de esta tesis
FI
GURA 32 DISPOSICION DE TUBERIA
FIGURA 33 SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO
181
FIGURA 34 DISPOSICION DE BATERIAS EN CUARTO DE ACTIVACION CON SISTEMA DE
DESPLAZAMIENTO
FIGURA 35 SISTEMA MOVIL PARA LLEVAR FLUIDO DE ENFRIAMIENTO A LAS BATERIAS
CONSTRUIDO
182
Una vez que se ha descrito el sistema el cual va a llevar el agua destilada para el enfriamiento de las
bateriacuteas se tiene que describir el sistema de enfriamiento en si del agua destilada para ello la Armada
del Ecuador doto de un intercambiador de calor que por el interior circulara agua destilada caliente para
que por su exterior circule agua friacutea proveniente de la torre de enfriamiento cerrando de esta manera el
circuito cabe notar que el intercambiador de calor es del tipo tubo coraza pero el intercambiador
adquirido no posee su coraza
Antes de hacer el disentildeo se hizo un anaacutelisis de la factibilidad de construir este sistema en nuestro
medio se consulto en el mercado el costo de una torre de enfriamiento adquirida en una empresa
importadora de estos equipos frente al anaacutelisis de una torre que se pueda construir en ERMARLO SA
resultando maacutes conveniente la construccioacuten de la torre y el acondicionamiento en el sistema de
enfriamiento este anaacutelisis se demostrara en el capiacutetulo de costos
32 Datos de Operacioacuten
A) FLUJO
1) Agua destilada
15 m3h
2) Agua de mar
15 m3h
B) PRESION
1) Agua destilada
25 kgcm2
2) Agua de mar
de la torre
C) TEMPERATURA DE
ENTRADA
183
1) Agua destilada
38 0C
2) Agua de mar
28 0C
D) TEMPERATURA DE
SALIDA
1) Agua destilada
3310C
2) Agua de mar
329 0C
E) DATOS DEL AIRE
1) Temperatura de bulbo seco
322 0C
2) Temperatura de bulbo
huacutemedo 788
33 Consideraciones del
Sistema
El sistema se instalara en un
patio al aire libre
El intercambiador de calor
debe permitir facilidades de limpieza y mantenimiento
El agua a usarse para la
torre seraacute agua potable
184
La velocidad del viento en Guayaquil es variable asiacute que el disentildeo de la torre no debe
depender de la velocidad del viento
El intercambiador de calor
dotado por parte de la Armada del Ecuador del tipo de haz de tubos y coraza este
dispositivo no posee la coraza
Para lo cual el
intercambiador de calor se analizara sumergiendo eacutel en la piscina de la torre de
enfriamiento esta disposicioacuten arrancara calor de los tubos del intercambiador para por el
meacutetodo de conduccioacuten teacutermica pasar calor al agua de la torre y hacerla circular
El agua destilada y el agua
de la torre no deben mezclarse
FIGURA 36 DISENO DE FORMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
185
34 Seleccioacuten del
Intercambiador de Calor
Un intercambiador de calor es un dispositivo que efectuacutea la transferencia de calor de un fluido a otro
que se encuentran a diferentes temperaturas y separados por una frontera solida
En forma muy general se pueden clasificar los intercambiadores de calor de acuerdo al tipo de
superficie
FIGURA 36 INTERCAMBIADOR DE HAZ DE TUBOS
186
En la primera etapa se toman en cuenta consideraciones referidas al tipo de intercambio de calor que
se produce En la segunda etapa se obtienen las propiedades de los fluidos en funcioacuten de las variables
conocidas y se calcula el coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A En la tercera etapa se elige
un intercambiador adecuado para este servicio teniendo en cuenta el coeficiente global U el aacuterea de
intercambio A y las caracteriacutesticas de los fluidos y de las corrientes En la cuarta se vuelve a calcular el
coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A Si no coinciden con el intercambiador previamente
elegido se vuelve al paso tres Si coinciden se da por terminado el proceso [2]
341 Meacutetodo F ndash LMTD para Seleccionar el Intercambiador de Calor
El balance de energiacutea da como resultado
[Energiacutea perdida por el flujo caliente]= [Energiacutea ganada por el flujo friacuteo]
O bien
mh ch(Thi ndash Th0) =mc cc(Tci ndash Tc0) Ec1
Donde
m h Flujo maacutesico del fluido caliente
c h Calor especiacutefico del fluido caliente
Thi Temperatura de entrada del fluido caliente
T h0 Temperatura de salida del fluido caliente
m c Flujo maacutesico del fluido friacuteo
c c Calor especiacutefico del fluido friacuteo
T c i Temperatura de entrada del fluido friacuteo
T c0 Temperatura de salida del fluido friacuteo
El producto (mc) aparece con frecuencia en el anaacutelisis de intercambiadores de calor y
es denominado Capacidad caloriacutefica C
C (mc)
Existen dos metodologiacuteas de anaacutelisis teacutermico de intercambiadores de calor
187
1 Meacutetodo F-LMTD
2 Meacutetodo - NTU
A continuacioacuten se presentara el anaacutelisis F-LMTD para la seleccioacuten del intercambiador de
calor
FIGURA 37 DISTRIBUCION DE TEMPERATURAS EN UN INTERCAMBIADOR DE
DOBLE TUBO EN TUBO PARALELO[1]
Se propone calcular el flujo de calor mediante
Ec 2
Donde
q Flujo de calor [W]
U Coeficiente global de transferencia de calor [Wm2K]
A Aacuterea de transferencia de calor consistente con U
Diferencia de temperatura media
188
En la figura 37 se muestra la historia de las temperaturas de los fluidos friacuteos y calientes
de este modo un balance de energiacutea nos da como resultado
Ec 3
Incorporando la capacidad caloriacutefica y arreglando la ecuacioacuten tenemos
= Ec4
Ec5
Restando ambas ecuaciones
Ec6
Sustituyendo la expresioacuten de calor expresada por
Ec7
Se obtiene la siguiente ecuacioacuten diferencial
Ec8
Integrando la ecuacioacuten anterior entre el punto 1 y el 2 se obtiene
Ec9
Si
Ec10
Ec 11
De manera que sustituyendo las ecuaciones anteriores en la ecuacioacuten previamente
integrada S
189
Ec12
Que al despejar de la ecuacioacuten anterior q se tiene
Ec13
De la uacuteltima ecuacioacuten se reconoce
Donde LMTD son las siglas en ingles de Logarithm Mean Temperature Difference
(Diferencia de temperatura logariacutetmica media)
Esta ecuacioacuten se aplica la misma expresioacuten para LMTD tanto en flujo paralelo como en
contra corriente[1]
Asignacioacuten de flujos
Las reglas aplicables para determinar que fluido va por el casco y cual por los tubos son
1- El fluido a mayor presioacuten va en los tubos
2- El fluido maacutes corrosivo va en los tubos
3- Los fluidos maacutes sucios van en los tubos
4- El fluido con menor peacuterdida de presioacuten va en el casco
5- El fluido a condensar en el casco
Diagramas Teacutermicos
Un diagrama teacutermico es la representacioacuten de la temperatura de las corrientes en funcioacuten
del calor transferido o de la longitud Si existe cruce de temperaturas seraacute necesario
utilizar varios intercambiadores en serie
Diferencia de temperatura media corregida
La diferencia media de temperaturas MTD en un intercambiador de calor de tubo coraza
es la diferencia media logariacutetmica de temperaturas multiplicada por un factor F
MTD = F LMTD Ec 14
De la ecuacioacuten 13 tenemos que
190
= Ec15
Siendo T temperatura de fluido caliente t temperatura de fluido frio
1 entrada 2 salida
El factor F se obtiene de las graficas que se daraacuten en el apeacutendice 1 Un valor de F lt 08
no es admisible por disentildeo hay que calcular P y R seguacuten las condiciones
Ec 16
Ec17
SELECCIOacuteN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Se tiene que obtener primeramente el calor removido por el intercambiador de calor para
lo cual se utilizara la ec1
q=mhch∆T Ec 11
Ch=1BTUlb 0F
∆T=88 0F
mh=Qρ Ec 12
donde
Q=15 m3h = 5297 ft
3h
ρ=6199 lbft3 Para 100
oF (ver anexo 1)
Sustituyendo en la ec12
mh=5297 ft3h6199 lbft
3 = 32836103 lbh
por lo tanto sustituyendo valores en la ec 12
q=27182539 BTUh
q=796599 W
191
Con los datos suministrados se seleccionara el intercambiador de calor adecuado
Thi = 1004
T h0 = 9158
m c = 15 h = 6605 GPM
T c i = 824
T c0 = 912
q = 27182539 BTUh
U = 150 BTUpie2
obtenido de la tabla 31
TABLA 31 ESCALA DE PRESION Y VALOR U PARA TIPOS DE
INTERCAMBIADORES DE CALOR[16]
De la Ec 2 obtenemos el aacuterea de transferencia del intercambiador
Ec 18
192
MTD = LMTD F diferencia de temperaturas medias corregidas
LMTD = 918 este valor es obtenido de la Ec 15
Para encontrar el factor de correccioacuten F utilizamos el Apeacutendice C Ingresando los valores
P y R dadas en las ecuaciones 16 y 17 obtenemos
P = 055
R = 117
F = 09
Por lo tanto
MTD = 918 09 = 82
Por la Ec 18 el aacuterea de transferencia de calor es
A = 2209 pie2 = 2052 m
2
Para calcular el nuacutemero de tubos del intercambiador tubo coraza se plantea la siguiente
ecuacioacuten
Ec 19
ardquo es un factor obtenido para el tubo frac34 obtenido del Apeacutendice E y es 0193 piepie2
por
el aacuterea de disponibilidad donde se construiraacute el sistema tiene una longitud de 8 pie
Por lo tanto el nuacutemero de tubos requeridos para el intercambiador de calor es
Nt = 14072 tubos de frac34rdquo
193
TABLA 32 AREA TRANSVERSAL DE FLUJO Y SUPERFICIE PARA
INTERCAMBIADORES DE CALOR [16]
35 Uso de Software para
Seleccioacuten de Intercambiador de Calor
En este punto se pretende realizar un anaacutelisis comparativo de los resultados obtenidos
mediante el meacutetodo analiacutetico frente al uso de un software mediante el cual se
seleccionara el intercambiador de calor requerido para el sistema de enfriamiento que se
trata
El software que se utilizara es el ESP ndash PLUS V 20 HEAT EXCAHANGER este software
daraacute como resultados el tipo de intercambiador de calor que existe comercialmente
FIGURA 38 VENTANA DE INICIO DEL PROGRAMA
194
FIGURA 38 VENTANA DE SELECCIOacuteN DE TIPO DE INTERCAMBIADOR A UTILIZARSE Y LOS
TIPOS DE FLUIDOS
195
FIGURA 39 VENTANA INGRESO DE DATOS TANTO PARA INTERCAMBIADOR COMO PARA EL
FLUIDO CIRCUNDANTE DA COMO RESULTADO LA TAZA DE FLUJO EN GPM
196
FIGURA 310 SE INTRODUCE LOS DATOS DE MATERIALES DEL INTERCAMBIADOR DE
CALOR
197
FIGURA 311 VENTADA EN LA QUE SE INTRODUCE DATOS DE LONGITUD DEL
INTERCAMBIADOR PRESION INTERNA EN LOS TUBOS Y FACTOR DE FRICCION DENTRO DE
LOS TUBOS
198
FIGURA 312 VENTANA RESULTADOS EN LA PRESION DE DISENO MATERIAL DE TAPAS
DEL INTERCAMBIADOR MATERIAL DE LOS TUBOS Y TUBERIA DE INGRESO AL MATERIAL
199
FIGURA 313 VENTANA DE RESULTADOS
200
FIGURA 314 VENTANA DE RESULTADOS
De acuerdo a este software el intercambiador que se va a seleccionar es el WU16 7 ndash 2 4 que es la
denominacioacuten comercial del constructor ITT Bell amp Gosset creador de este software
La denominacioacuten WU 16 7 ndash 2 4 cada letra y nuacutemero tiene su significado teacutecnico que a continuacioacuten se
detalla
WU Serie de intercambiador de calor
16 Diaacutemetro de la coraza del intercambiador en unidades inglesas
7 Longitud de tubo
2 Numero de pasos del intercambiador de calor
201
4 Espaciamiento de bafles
Al realizar el anaacutelisis comparativo con los meacutetodos de seleccioacuten se tiene que por el meacutetodo analiacutetico se
tiene un aacuterea de 221 ft2 frente al software que nos arroja un aacuterea de 274 ft
2 este valor diferencia
notoriamente a que la seleccioacuten del factor U en el meacutetodo analiacutetico se lo selecciono 150 BTUpie2
el
software utiliza y factor de 137 BTUpie2
notando este paraacutemetro relativamente la diferencia de aacuterea
de los dos anaacutelisis serian casi indiferentes con lo que estariacuteamos en capacidad de decidir si el
intercambiador dotado por la Armada Nacional esta dentro de los paraacutemetros requeridos dado que este
consta de 160 tubos en disposicioacuten triangular dando un aacuterea de transferencia de calor de 24707 ft2
certificando de esta manera que el intercambiador que se posee entra en el rango requerido para el
sistema por lo tanto se lo utilizara para el proceso requerido de enfriamiento del fluido caliente extraiacutedo
del banco de bateriacuteas que estaacuten en el proceso de activacioacuten
FIGURA 315 DISPOSICIONES DEL HAZ DE TUBOS [9]
Los resultados obtenidos del software se presentaran en el Anexo 3
36 Disentildeo de la Torre de
Enfriamiento
El proceso de termotransferencia que se produce en una torre para
enfriamiento de agua cualquiera fuese su tipo es el resultado de la
202
interaccioacuten entre el medio gaseoso refrigerante (aire) y el fluido a
enfriar (agua)
En las torres el agua se encuentra en contacto directo con el aire que
la enfriacutea y el proceso de transferencia de calor se realiza en parte por
intercambio de calor sensible entre la fase liacutequida y la gaseosa pero
en mayor medida por la formacioacuten de vapor de agua en la interfase
liacutequidogas y su posterior difusioacuten en el aire que la circunda
El proceso de transferencia de masa entre el liacutequido y el aire estaacute
iacutentimamente conectado con el de transferencia de calor En efecto
con el cambio de fase desde liacutequido a vapor se absorbe calor lo cual
da lugar a gradientes de temperatura en el aire adyacente a la
superficie liacutequida En muchos casos praacutecticos las condiciones en
que se desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse
que la difusividad teacutermica y el coeficiente de difusioacuten maacutesico son
iguales
203
FIGURA 316 IDEALIZACION DEL FENOMENO DE
TRANSFERENCIA [10]
361 Fundamento del Enfriamiento por Evaporacioacuten
El principio fundamental en que se basa el enfriamiento del
agua por evaporacioacuten es en el que el agua para transformarse
en vapor necesita calor (calor latente de vaporizacioacuten) cuyo
valor el alrededor de 1000 BTU lb de agua evaporada valor
que pone en manifiesto que pequentildeas cantidades de agua
evaporada producen altos efectos de enfriamiento
Este calor es tomado principalmente del liacutequido remanente lo
que produce un descenso de su temperatura
La evaporacioacuten se produce poniendo en contacto directo agua
caliente con aire atmosfeacuterico ambiente de humedad relativa
204
baja en dispositivos especiales que variacutean en complejidad
desde piscinas o lagunas abiertas hasta las torres de
enfriamiento de tiro mecaacutenico
Cuando se requiere enfriar raacutepidamente y continuamente
grandes cantidades de agua las torres de enfriamiento son las
teacutecnicas maacutes ventajosas y su funcioacuten principal es la de reducir
la temperatura del agua circulante a los valores maacutes
adecuados seguacuten el tipo de operacioacuten que tenga
Baacutesicamente el funcionamiento de una torre de enfriamiento
convencional es el siguiente
El agua caliente llega por tuberiacuteas a un distribuidor situado en la
parte superior de la unidad a una temperatura Tho luego es
distribuida en forma de pequentildeas gotas a traveacutes de una
instalacioacuten compleja de material de relleno de diferentes tipos y
calidades variando desde madera incorruptible materiales de
fribrocemento PVC ceraacutemica etc los cuales son ubicados en
forma de mallas o enrejados que dispersan la corriente
descendente del liquido y de esta forma obtener una aacuterea
maacutexima de transferencia con el aire atmosfeacuterico el cual entra
por parte inferior de la torre con una temperatura Tci de bulbo
205
seco y una humedad absoluta Yrsquo1 expresada en lb de vapor de
agua lb de aire seco
362 Caacutelculos
Datos para realizar el caacutelculo de la torre de enfriamiento
Flujo a ser enfriado L
66 GPM
Calor removido por el
intercambiador q 27182539 BTUh
Temperatura que
sale del intercambiador de calor para entrar en la torre tL2
9120 0F
Temperatura del
agua requerida luego del enfriamiento en la torre de
enfriamiento tL1 8240 0F
Temperatura de
bulbo huacutemedo tbh 7880 0F
Temperatura de
bulbo seco del aire que entra tG1 7900 0F
Temperatura del
agua de la tuberiacutea de alimentacioacuten a la torre de enfriamiento
tm 8500 0F
206
Con los datos suministrados se desea obtener los siguientes valores
a Valor teoacuterico del coeficiente total de transferencia de masa Kya
b Calculo de la seccioacuten transversal de la torre A
c Calculo del flujo de aire que circula por la torre Gs
d Calculo de la zona empaquetada Z
e Calculo de agua de compensacioacuten M
Para realizar el disentildeo de la torre de enfriamiento se debe seguir
ciertos pasos que daraacuten la pauta para disentildear una torre de
enfriamiento para cualquier necesidad o requerimiento
1 Capacidad de la
Torre de Enfriamiento
q=27182539 BTUh
Este es el calor que remueve el intercambiador de calor y que
es transmitido al agua de la torre
La capacidad de la torre se mide en Toneladas de
Refrigeracioacuten TR que es una unidad de potencia
207
Es asiacute que se tiene las siguientes relaciones para poder saber
en teacuterminos de TR la capacidad de disentildeo para la torre de
enfriamiento
1TR=3517 W = 3024 Kcalh = 3024 Frigh Ec 20
De donde
27182539 BTUh 1 TR12000 BTUh = capacidad de la torre
Capacidad de la torre = 2262 TR
Flujo especifico Lrsquo
L es flujo de agua y Lrsquo es el flujo especifico de agua que se en
encuentra en la figura 318 este valor se encuentra en
funcioacuten del rango de enfriamiento del agua (Tho ndash Thi) y la
temperatura de bulbo huacutemedo Tbh
FIGURA 317 FLUJO ESPECIFICO Lrsquo [7]
208
El valor de flujo especifico de agua que nos da la figura 317
es Lrsquo=20 galmin ft2
L= 66 GPM
Datos para las condiciones de disentildeo de la torre de
enfriamiento
E-1
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
AIREAGUA
q=27182539 BTUh
L=33000 lbh
tL2=9120 FHrsquo2=
Yrsquo2=
tL1=8240 F
Gs=
tG1=79 F
Tw1=788 F
Yrsquo1=002
Hrsquo1=
tM=85 F
M(lbh)
FIGURA 318 DIAGRAMA DEL SISTEMA PARA EL
DISENtildeO
209
Anaacutelisis de la curva de equilibrio
La teoriacutea del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento es la
que desarrolloacute el Dr Merkel Se basa en la diferencia del potencial de entalpiacutea
entonces se supone que cada partiacutecula de agua estaacute rodeada por una peliacutecula de
aire y que la diferencia de entalpiacutea entre la misma y el aire circundante
proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento
A continuacioacuten se ilustran las relaciones del agua aire y el potencial impulsor que
existe en una torre de contra flujo
FIGURA 319 RELACIONES DE AGUA Y AIRE DE UNA TORRE A
CONTRA FLUJO [25]
De la figura anterior la operacioacuten del agua estaacute representada por la liacutenea AB y se
especifica por medio de las temperaturas del agua de la torre en la entrada y
salida La liacutenea de operacioacuten del aire inicia en C verticalmente por debajo de B y
en un punto que tiene una entalpiacutea correspondiente a la temperatura de entrada
de bulbo huacutemedo La liacutenea BC representa la fuerza impulsora inicial (hrsquo- h) El
aire que sale de la torre se representa por medio del punto D y la gama de
210
enfriamiento es la longitud proyectada de la liacutenea CD sobre la escala de
temperaturas
Resumiendo la teoriacutea del Dr Merkel como se observa en la figura 319
considera el flujo de masa y energiacutea del agua a la interfase y de la interfase a la
masa gaseosa Cuando el flujo cruza estas dos fronteras cada una ofrece una
resistencia a la transferencia de materia y energiacutea que resulta en gradientes de
temperatura entalpiacutea y de humedades
El Dr Merkel demostroacute que
Q = KS(hw - ha) Ec21
S = aV Ec22
Donde
Q Calor total transferido en Btuh oacute kJh
K Coeficiente total de transferencia en lbh pie2 oacute kgh m
2
S Aacuterea de transferencia en pie2 oacute m
2 caracteriacutestica fiacutesica
a Aacuterea de transferencia equivalente por unidad de volumen 1pie oacute 1m
V Volumen efectivo de la torre pie3 oacute m
3
hw Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura del agua Btulb oacute kJkg
ha Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura de bulbo huacutemedo Btulb oacute kJkg
Existen paraacutemetros citados en la Ec21 que no son constantes tanto entalpiacuteas
como temperaturas cambian a lo largo de la torre luego derivaacutendola
dQ = d[KS(hw-ha)] = K(hw-ha)dS Ec23
Para la transferencia de calor del lado del agua
Q = CwL(thw ndash tcw) Ec24
dQ = CwLdtw Ec25
211
donde
Cw Calor especiacutefico del agua kJ(kg ordmK) BTUlb F
L Flujo maacutesico del agua que ingresa a la torre kgs lbh
tw Temperatura del agua en contacto con el relleno ordmK 0F
thw Temperatura del agua caliente que ingresa a la torre ordmK 0F
tcw Temperatura del agua friacutea que sale de la torre ordmK 0F
Para la transferencia de calor del lado del aire
Q = G(hoa ndash hia) Ec26
dQ = Gdha Ec27
Donde
G Flujo maacutesico del aire que ingresa a la torre lbh oacute kgs
hia Entalpiacutea de mezcla gaseosa que ingresa a la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
hoa Entalpiacutea de mezcla gaseosa que sale de la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
Haciendo uso de las ecuaciones 23 25 y 27 se puede obtener el calor total por
medio de las siguientes ecuaciones
K(hw-ha)dS = CwLdtw Ec28
K(hw-ha)dS = Gdha Ec29
Que se puede rescribir de la siguiente manera
aw
a
hh
dhGdSK
Ec30
aw
ww
hh
dtC
L
dSK
Ec31
Integrando las Ecuaciones 30 y 31 se tiene
hoa
hia aw hh
dh
L
G
L
KaV
L
KS Ec32
212
thw
tcw aw
ww
hh
dtC
L
KaV
L
KS Ec33
ldquoAl teacutermino KaVL se lo denomina la caracteriacutestica de la torrerdquo
La curva caracteriacutestica es utilizada para determinar el buen funcionamiento de la
torre KaVL es una medida del grado de dificultad para los requerimientos de
enfriamiento del liquido Esta curva tambieacuten puede llamarse ldquoCurva de
Requerimientos de Disentildeordquo puesto que es una medida del grado de dificultad para
alcanzar los requerimientos de disentildeo
2 Calculo de la
humedad absoluta Yrsquo1y entalpia del aire entrando Hrsquo1
para la temperatura tbh
De la carta psicomeacutetrica que se encuentra en el Apeacutendice H
se puede construir la siguiente tabla mostrada en la tabla 33
esta tabla nos indica valores de entalpias y humedades para
mezclas de aire ndash agua a 147 lbplg2
Interpolando se obtiene valores para
Yrsquo1=0022 lb de vapor de agualb de aire seco
De las relaciones psicomeacutetricas para el sistema aire ndash agua
se obtiene que
Hrsquo1= (024+045Yrsquo1)(tG1 - 32) + 10758 Yrsquo1 Ec 34
213
Hrsquo1= 249 BTUlb de aire seco
Con los datos de las temperaturas entalpias encontradas se
puede construir el diagrama de operacioacuten para esta torre de
enfriamiento representada en la figura 320 con los valores
de entalpia de la mezcla aire ndash vapor de agua como
ordenadas y los valores de temperatura como abscisas aquiacute
se representa la curva de entalpia para el aire saturado dado
en la carta psicomeacutetrica H la cual es construida con los datos
de la tabla ubicada en el Apeacutendice H
Para obtener la liacutenea de operacioacuten sobre este diagrama se
ubica el punto N que representa las condiciones de entrada
de la torre esto es tL1=8240 0F y Hrsquo1= 249 BTUlb de aire
seco
La liacutenea de operacioacuten pasara por el punto N y terminara en
alguacuten punto sobre la ordenada trazada por el punto
tL2 = 91200F Para el miacutenimo valor de Gs la liacutenea de
operacioacuten tendraacute la mayor pendiente y tocara
tangencialmente a la curva de equilibrio por lo tanto pasara a
traveacutes del punto Orsquo en donde Hrsquo2= 52 BTU por lb de aire seco
214
Seguacuten lo anterior la pendiente de la liacutenea OrsquoN seraacute por lo
tanto
L CGs min = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1 Ec35
=
Gs min = 1071586 lb de aire seco h
Para que la torre no sea muy alta se considera 15 veces Gs
min
Gs real = 15 1071586 lb de aire seco h
Gs real = 1607380 lb de aire seco h
Una vez determinado el valor Gs real se puede hallar el valor
de la relacioacuten de flujos liacutequido ndash aire
L Gs real = 33000 lbh 1607380 lbh
L Gs real = 205
Como ya se tiene el valor de la pendiente de la liacutenea de
operacioacuten LG que se va a utilizar para el disentildeo faltariacutea
determinar el valor de la ordenada del punto de interseccioacuten
entre la liacutenea de operacioacuten y la vertical trazada por el punto
tL2=912 0F
215
Calculo de la entalpia del aire que sale Hrsquo2
De la ec22 tenemos que
L CGs real = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1
Despejando el valor Hrsquo2 se tiene
Hrsquo2 = (L CGs real (t L2 ndash t L1)) + Hrsquo1
Hrsquo2 = 4294 BTUlb de aire seco
Con los valores obtenidos se puede representar el punto O y
finalmente la liacutenea de operacioacuten seraacute la liacutenea ON
representada en la figura 320
216
FIGURA 320 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE
ENFRIAMIENTO DEL AGUA
3 Calculo de la altura de la
zona empaquetada Z
Utilizando el teacutermino KaVL que nos representa la ldquoCurva de Requerimientos de
Disentildeordquo dado en al ec 33 se procede a calcular la altura de la zona empaquetada
=
Para determinar el valor del integral de la ecuacioacuten propuesta
el cual puede ser calculado por tres formas
a Analiacuteticamente si se conoce la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo
b Integracioacuten grafica
c Integracioacuten numeacuterica
Como se tiene la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo dado en la figura 320 se
usara el meacutetodo de integracioacuten numeacuterica a intervalos de 2 0F
t H Hrsquo H ndash Hrsquo (H ndash Hrsquo)2 At(H ndashHrsquo)2
80 251 185 66
82 272 2217 503 58 034
84 323 2703 527 515 038
217
86 375 3109 641 584 034
88 415 3480 67 655 030
90 487 4120 75 710 028
92 542 4480 94 845 023
= 187
TABLA 33 VALORES DE ENTALPIA
= 187
El valor de kya se obtiene de la tabla 34 interpolando entre
los valores de L 500 ndash 1000 y G 250 por lo tanto tenemos un
Kya=347
Lrsquo=2GPM =`1000 lb de aguah ft2
Por lo tanto el valor de Z es
Z = 538 ft = 163 m
218
TABLA 34 CARACTERISTICAS DE HUMIDIFICACION [4]
4 Calculo de la
Cantidad de Agua de Compensacioacuten M
Realizando un balance de entalpias de acuerdo a la figura
318 se tiene
q + M Cw (tM ndash t0) = Gs (Hrsquo2 ndash Hrsquo1) Ec336
donde
q = 27182539 BTUh
Cw = 1 BTUlb 0F
tM = 85 0F
t0 = 32 0F
Hrsquo2 = 4294 BTU lb de aire seco
219
Hrsquo1 = 2490 BTUlb de aire seco
Reemplazando valores se tiene
27182539 + M (53) = Gs (1804)
De donde
M = Gs(1804) - 27182539 53 Ec 336-1
Haciendo un balance de liquido de acuerdo a la figura 318 se
tiene
M = Gs(Yrsquo2 ndash Yrsquo1) Ec337
Yrsquo2 no es conocido para determinarlo es necesario asumir
que el aire que sale de la torre estaacute saturado y su humedad
Yrsquo2 deberaacute ser la del aire saturado para Hrsquo2 = 4294 BTU lb
de aire seco
Entrando a la curva psicomeacutetrica dada en el Apeacutendice H se
tiene que
Yrsquo2 = 0024 lb de vapor de agualb de aire seco
M = Gs(0024 ndash 002) = 0004 Gs
Sustituyendo la ec 337 en la ec 336 ndash 1 se tiene que
0004 Gs 53 = Gs(1804) - 27182539
1804 Gs ndash 0004 Gs = 27182539
Gs = 1507126 lb de aireh
Reemplazando en la ec 337 el valor Gs
220
M = 6028 lb de aguah = 274 lth
CAPITULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS
CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
41 Partes Componentes de las Torres de Enfriamiento
Ya se ha definido que el mejor disentildeo para el sistema de enfriamiento
requerido de acuerdo a los paraacutemetros de evaluacioacuten es una Torre de
Enfriamiento de Tiro Inducido Flujo en Contracorriente
Este tipo de elementos ademaacutes del cuerpo vertical consta de los
siguientes elementos
Empaquetaduras sistemas de distribucioacuten deposito de coleccioacuten
eliminadores de arrastre ventilador motor y estructura
221
Empaquetaduras
Su funcioacuten es generar una mayor aacuterea de contacto entre el aire y el
agua como sea posible con una miacutenima presioacuten de aire
Existe variedad de empaquetaduras que van desde soacutelidos muy
faacuteciles de adquirir como piedras botellas rotas trozos de porcelana
hasta formas geomeacutetricas complejas y de alto costo econoacutemico
Sistemas de Distribucioacuten
Tiene como funcioacuten principal distribuir el agua caliente en la parte alta
de la torre se recomienda atomizarla para facilitar el contacto con el
aire
La importancia de adecuado sistema de distribucioacuten sobre las
empaquetaduras de una torre es indispensable para una buena
eficiencia en el enfriamiento
Depoacutesito de Coleccioacuten
Se trata de un recipiente donde es colectada el agua friacutea que sale de
la torre
Su construccioacuten deberaacute ser tal que elimine el peligro de que la bomba
absorba aire cuando opera con un miacutenimo de agua y accesible para
remover la suciedad acumulada en el fondo
222
Estructura
Es el soporte de la torre de enfriamiento
Su forma y solidez dependen de las caracteriacutesticas de disentildeo de la
torre que tiene que ser con normas especificas que dependen de su
capacidad de enfriamiento
Ventilador
Tiene como objetivo mantener el flujo constante de aire atreves de la
torre Para la torre seleccionada este aditamento se encontrara en la
parte superior
Motor
Es el que impulsara el ventilador La transmisioacuten se efectuara en
forma directa
Los elementos anteriores forman parte de la construccioacuten interna de la
torre de enfriamiento
Sin embargo existen otros componentes externos a la torre que juntos
constituyen el sistema de enfriamiento deseado Estos son
Bomba de Agua
223
Es el equipo que adicionara energiacutea al agua para hacerla re circular a
traveacutes de todo el sistema
Su capacidad dependeraacute del sistema de operacioacuten en el que va a
utilizar
Tuberiacuteas y Vaacutelvulas
Son los conductos ndash reguladores por los cuales fluiraacute el agua
El material de la tuberiacutea y los tipos especiacuteficos de vaacutelvulas estaraacuten
sujetos al aspecto teacutecnico econoacutemico y esteacutetico del sistema en
cuestioacuten
224
FIGURA 41 DISENO DE FORMA DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTO
42 Determinacioacuten de la Seccioacuten Transversal de la Torre de
Enfriamiento
Datos
Densidad del agua ρL 6222 lbft3 = 1010 Kgm3
Densidad del aire ρa 0077 lbft3 = 125 Kgm3
Relacioacuten de flujos LG 205
Flujo de aire Greal 446 lbs = 2027 Kgs
Tensioacuten superficial del agua σ 2 dinacm
Factor liquido - vapor FLV
Caacutelculos
Una aproximacioacuten para estimar las velocidades maacuteximas permisibles
ha sido presentada por Fair la cual se basa en datos obtenidos con
platos perforados y otros tipos de contactores de etapas finitas y toma
en cuenta el efecto de la tensioacuten superficial del liquido en la columna
la razoacuten de flujo de liquido a flujo de gas las densidades del aire y el
liquido y dimensiones y arreglo del contactor En este meacutetodo la
225
ecuacioacuten baacutesica para velocidad del vapor maacutexima permisible
equivalente a la Ec (41) es
Ec 41
donde
Vrsquom = velocidad de vapor maacutexima permisible basada en aacuterea neta
para el flujo de vapor la cual usualmente es el aacuterea de seccioacuten
transversal activa en fts
Krsquov = constante empiacuterica fts
σ = tensioacuten superficial del liquido en la torre dinascm
Krsquov
226
FIGURA 41 VALORES DE Kv EN FUNCION DEL
ESPACIADO
] Ec42
Sustituyendo valores en la ec 42 se tiene que
FLV = 0090
Se asume un espaciado entre platos de 740 plg = 188 mm
A partir de la fig 41 Kv = 017 fts
De la ec 41
Vrsquom = 3047 fts
Velocidad maacutesica del vapor Gm
Gm = Vrsquom ρa = (3047)(0077) = 023 lbs pie2 Ec43
227
Aacuterea de seccioacuten transversal de la torre A
A = Greal Gm Ec 44
Sustituyendo valores en la ec 44 se tiene que el aacuterea de la seccioacuten
transversal de la torre de enfriamiento es
A = 192 ft2
A = 8ft 24ft = 2430 mm 731 mm
43 Seleccioacuten de la Columna de Contacto de la Torre de Enfriamiento
En esta seccioacuten se tratara de decidir el tipo de columna a utilizar ya
sea de bandejas perforadas o de relleno en funcioacuten de las
caracteriacutesticas de la operacioacuten deseada y de los componentes en
contacto en este caso liquido - aire tomando para la decisioacuten algunos
aspectos
La seleccioacuten entre una columna de bandejas perforadas o una de
relleno depende de conceptos econoacutemicos Sin embargo en un estudio
228
preliminar podemos basar su seleccioacuten en las siguientes ventajas e
inconvenientes de cada una de ellas
1- La eficiencia de una torre de relleno se basa en datos
experimentales para cada tipo de relleno La eficiencia variacutea no solo
por el tipo y tamantildeo del relleno sino tambieacuten por las propiedades del
fluido caudales diaacutemetro de columna etc
2- Si el flujo de liacutequido es pequentildeo comparado con el del aire es
preferible utilizar columnas de platos pues necesitan menores
factores de seguridad en el disentildeo por causa de la dispersioacuten del
liacutequido
3- Las columnas de bandejas perforadas pueden manejar un rango
maacutes amplio de caudales sin inundacioacuten
4- Si los liacutequidos tienen soacutelidos en suspensioacuten se prefieren torres de
bandejas perforadas por la facilidad de limpieza
5- Si se necesita enfriamiento intermedio de la columna es preferible
que sean de bandejas perforadas por la facilidad de la instalacioacuten
del sistema de enfriamiento
6- El peso total de una columna de bandejas perforadas es menor que
en una de relleno si estaacuten vaciacuteas en cambio llenas tienen un peso
similar
229
7- La informacioacuten de disentildeo de una columna de bandejas perforadas
es maacutes accesible que en una de relleno
8- Si hay grandes cambios de temperatura son preferibles las
columnas de bandejas perforadas pues el incremento de
temperatura puede romper el relleno
10-Las columnas de rellenos son maacutes faacuteciles de construir y mas
baratas si se trabaja con fluidos corrosivos
11-Si se tiene liacutequidos con gran tendencia a formar espuma se deben
utilizar torres empaquetadas
12-El almacenamiento de liacutequido en la columna es muy inferior para
las torres de relleno
13-Las torres de relleno tienen menos peacuterdida de carga que las
bandejas perforadas y el relleno previene contra el colapso por lo
que se utilizan en operaciones a vaciacuteo
Por lo expuesto anteriormente se utilizara en el disentildeo de la
empaquetadura de la torre de enfriamiento el sistema de bandejas
perforadas
230
FIGURA 42 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE UNA BANDEJA
PERFORADA
431 Altura de la las Paredes de la Bandeja
La altura de la bandeja determina el volumen de liacutequido sobre la
bandeja y es un importante factor para determinar la eficiencia de
la bandeja con orificios Una mayor altura incrementaraacute la
eficiencia de la bandeja pero a expensas de un alta caiacuteda de
presioacuten en la bandeja Para columnas operando alrededor de la
presioacuten atmosfeacuterica la altura de las paredes de la bandeja variacutea
entre 40 a 90 mm (15 a 35 pulg) [7]
Para el disentildeo de estos elementos se tomara una altura de 90
mm para obtener una buena eficiencia de la bandeja ya que el
231
volumen de agua colocada en la bandeja por mayor tiempo
tendraacute mayor tiempo de contacto con el aire
Aacuterea Perforada
El aacuterea disponible para perforacioacuten se deduciraacute por la obstruccioacuten
causada por las partes estructurales (tales como soportes anillos
y vigas) y por el uso de zonas libres Las zonas libres son
espacios no perforados de la bandeja en los lados de salida y
entrada El ancho de cada zona es usualmente la misma valores
recomendados son
Ancho de la columna Ancho de la zona sin perforar
lt 15 m 75 mm
gt15 m 100 mm
TABLA 41 DIMENSIONES DE ZONA SIN PERFORAR [17]
De acuerdo a la tabla 41 se tomara una franja sin perforar de 75m
Dimensiones de las perforaciones
Los platos perforados tienen perforaciones de 25 mm a 12 mm
(18 a 12 pulg) de diaacutemetro siendo el tamantildeo comuacuten de 5 mm
(316 pulg) las perforaciones se hacen siguiendo un arreglo
232
triangular o cuadrado con una distancia entre centros entre 2 a 5
veces el diaacutemetro de las perforaciones (el oacuteptimo es 38) [17]
Se toma el valor recomendado del agujero de 316rdquo por lo tanto el
espaciamiento entre centros de los agujeros seria
D= 90 mm
Se escogeraacute un arreglo triangular para los orificios
De acuerdo al aacuterea de la seccioacuten transversal de la torre 2430
mm731 mm y la disposicioacuten del disentildeo de forma se tiene unas
dimensiones en las bandejas de
Bandeja = 2000 mm 731 mm
Al dejar una franja por los cuatro lados sin perforar de 75 mm
FIGURA 43 DISPOSICION DE AGUJEROS EN LAS
BANDEJAS
Por lo planteado en el capiacutetulo 3 se obtuvo que la altura de la zona
empaquetada es de
Z = 538 ft = 2044 mm
233
Para hallar el aacuterea de la seccioacuten transversal en el inciso 42 de
este capiacutetulo se asumioacute un espaciamiento entre bandejas de
e = 740 plg = 188 mm
Por lo tanto se necesitariacutea 5 bandejas perforadas en la disposicioacuten
dada en el disentildeo de forma de la fig 41
Para calcular el nuacutemero de agujeros en la bandeja se recurre a la
ecuacioacuten siguiente
Nh = 4Ahπd2h
Nh = 112 orificios en la bandeja
Espesor de las Bandejas
Se considera un espesor del material para la bandeja de 14 mm
Se considerara la presioacuten que ejerceriacutea el agua asumiendo la
bandeja llena al 100 la carga que ejerce el agua en el volumen
de la bandeja es de 42453 N
Se utilizara el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad
234
Anaacutelisis de Resistencia mediante el Meacutetodo de Elementos
Finitos
ANSYS en INVENTOR 10 analiza concentradores de esfuerzos
mecaacutenicas de fracturas bajo cargas estaacuteticas y dinaacutemicas asiacute
como frecuencias naturales y estabilidad El programa ofrece
distintos materiales a seleccionar para el anaacutelisis con
asunciones sobre su comportamiento Lineal (la tensioacuten es
directamente proporcional a la presioacuten) Constante (la
temperatura de todas las propiedades es independiente)
Homogeacutenea (las propiedades no cambian en todo el volumen de
la pieza) Isotroacutepica (las propiedades de los materiales son
ideacutenticas en todas las direcciones) El factor de seguridad se
calcula utilizando el equivalente maacuteximo de la teoriacutea de falla de
tensioacuten para materiales duacutectiles A continuacioacuten se muestran los
informes de los anaacutelisis practicados a las bandejas perforadas
las figuras indican en su parte superior izquierda la escala
colorida con sus respectivos valores de Tensioacuten Equivalente y
Factores de seguridad mayores a 13 Aceptables [19]
235
TABLA 42 INFORME DE RESULTADOS DEL
ANALISIS DE LA BANDEJA PERFORADA
INFORME DE ANALISIS DE BANDEJA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935 Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 934e-4 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 8688 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
236
FIGURA 44 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 45 DEFORMACION
FIGURA 46 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 2 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
237
Disentildeo del Depoacutesito de Coleccioacuten de la Torre de Enfriamiento
Para determinar las dimensiones del depoacutesito de coleccioacuten de agua
para la torre de enfriamiento se debe conocer el tiempo que demora
el agua en circular a traveacutes del sistema
Se asume que el ciclo demora un minuto y se parte del dato que el
depoacutesito deberiacutea tener una capacidad mayor a la cantidad de agua
que debe fluir por el sistema en un minuto y asi evitar que esta se
quede sin liquido ademaacutes el mismo colector debe soportar el peso de
la torre con sus accesorios
Entonces el problema consiste en seleccionar dimensiones para la
piscina que provean mayor economiacutea y aseguren un buen
funcionamiento Por lo general se establece el aacuterea transversal del
depoacutesito un poco mas grande que el aacuterea transversal de la torre de
enfriamiento que permita el montaje de la tuberiacutea de succioacuten o alguacuten
otro accesorio necesario
Para el disentildeo de la piscina se basara en el coacutedigo ASME para
recipientes a presioacuten seccioacuten Div 1 para tanques rectangulares que
trabajan bajo presioacuten atmosfeacuterica [15]
Notacioacuten
238
α Factor que depende del largo y ancho del tanque HL fig47
E Modulo de elasticidad 30000000 psi para aceros al carbono
G Gravedad especifica del liacutequido Agua=1
I Momento de Inercia plg4
l Maacutexima distancia entre soportes plg
L Largo del tanque plg
R Reaccioacuten con subiacutendices indicando el lugar de aplicacioacuten lbplg
S Esfuerzo del material
t Espesor requerido de la plancha plg
w Carga por unidad de longitud lbplg
FIGURA 47 VALORES DE α
Seleccioacuten del espesor de plancha
239
Ec 45
El espesor se incrementara con el factor de corrosioacuten para este
caso se le aumentara 00645 plg o 163 mm
FIGURA 48 DIMENSIONES DEL DEPOSITO DE COLECCIOacuteN DE
AGUA
L=8 ft
H=2 ft
B=4 ft
Relacioacuten HL = 025
De la figura 47 se obtiene el valor α = 00010
S=23200 lbplg2 para el acero estructural A ndash 36
G=1 para el agua
Sustituyendo valores en la ec 45 se tiene un espesor de
plancha
240
t=000109 plg
A este valor se le suma el factor de corrosioacuten 00626 plg
Por lo tanto
t=0063 plg o t=161mm se utilizara plancha de 2mm de
espesor
Carga en las paredes del depoacutesito
FIGURA 49 CARGAS HIDROSTATICAS
Ec 46
Sustituyendo valores se tiene que
w=162 lbplg
R1=03w Ec 47
R1=03162=486
R2=07w Ec 48
241
R2=07162=1134
442 Momento de Inercia miacutenimo requerido
Ec 49
Sustituyendo valores
Imin=0003 plg4 = 12486 mm4
443 Distancia entre soportes de la piscina
FIGURA 410 DISTANCIA ENTRE SOPORTES
Ec 410
Si el numero de soportes es 4 entonces = 26 plg = 6604mm
Sustituyendo en la ecuacioacuten 410
t=0141 plg
Despejando el valor de la ecuacioacuten 410 se tiene
242
Sustituyendo valores
Por lo tanto
11968 plg 2583 plg = Numero de soportes = N
N=463 es decir se fiacutesicamente se necesitan 5 soportes con un
espaciamiento de 2583 plg
E=656 mm
El disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de agua se encuentra en el
Plano N 3
Se utilizaraacute el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad del colector sometido a
toda la carga de la torre con su peso propio y la carga de agua
contenida en las bandejas
243
TABLA 43 INFORME DE RESULTADOS DEL
COLECTOR DE AGUA
INFORME DE ANALISIS DEL COLECTOR DE AGUA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1976Kg
Volumen de la pieza 2517+007 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 47950
Elementos 26630
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Fuerza 1481 N
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 5455e-005 MPa 2437 MPa
Deformacioacuten 0 mm 0102 mm
Factor de seguridad 15 NA
244
FIGURA 412 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 413 DEFORMACION
FIGURA 414 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 3 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
245
44 Seleccioacuten del Ventilador
Para la seleccionar el ventilador para la torre de enfriamiento es
necesario conocer los siguientes datos
1 Flujo de aire que circulara por la torre en ft3min
2 La presioacuten estaacutetica o presioacuten de resistencia contra la que debe
operar el ventilador expresada en plg de agua
Flujo de aire que circula por la torre Gs = 16056 lbh
Gs=2676 lbmin
Para determinar los pies cuacutebicos por minuto (pcm) de aire que salen
a traveacutes del extractor se divide las libras de aire seco por minuto
para la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
pcm = Gs (lbmin) densidad de la temperatura de operacioacuten Ec411
Para determinar la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
es necesario calcular la temperatura a la que sale el aire de la torre
Para esto conociendo el valor de la humedad absoluta Yrsquo2 lb de
vapor de agua por lb de aire seco con que sale el aire y asumiendo
que el aire se encuentra cercanamente saturado 95 se puede
246
entrar en la carta psicomeacutetrica Apeacutendice H y determinar dicha
temperatura
Yrsquo2= 0024
Con una temperatura de salida de la torre
T=84 0F
Con este valor dado en la figura se encuentra que la relacioacuten de
densidad del aire (RDA) a 84 0F y a nivel del mar es
RDA= densidad del aire en condiciones estaacutendar densidad del aire en condiciones de operacioacuten
Ec 412
RDA=105
De la ec411
105=0077lbft3 densidad del aire que opera a 84 0F
ρ84 F= 0075 lbft3
De la ec 412 se tiene
pcm=354483 ft3min = 116707 m3h
Con respecto a la caiacuteda de presioacuten estaacutetica contra la que debe
operar el ventilador se vio que en torres de este tipo era
ordinariamente menor que una pulgada de agua por lo tanto
tomando en consideracioacuten la resistencia ofrecida al paso del aire por
247
la zona empaquetada y los separadores de gotas se considera
suficiente utilizar el valor de 05 pulH20 o 127 mmH2O valores que
estaacuten dentro del rango de caiacuteda de presiones para este tipo de
ventiladores
Se ha escogido la curva del fabricante de la marca Ventiladores
Casals y sus caracteriacutesticas se indican en el Apeacutendice K
FIGURA 415 DIAGRAMA PARA SELELCCIONAR MODELO DE
VENTILADOR
Ingresando en el diagrama de la fig 415 con los datos planteados se
selecciona el ventilador modelo 56 T4 1 con las siguientes
caracteriacutesticas
Diaacutemetro = 650 mm
m3h = 12700
Peso = 36 Kg
248
RPM max = 1525
Potencia = 075 Kw
Ruido = 73 db
FIGURA 416 VENTILADOR SELECCIONADO
Con el peso del ventilador se disentildearaacute la campana de extraccioacuten de vapor de
agua se asumiraacute un espesor de 14 mm Se utilizara el programa
computacional INVENTOR 10 para analizar su deformacioacuten y el factor de
seguridad de la campana
249
TABLA 44 INFORME DE RESULTADOS DE LA
CAMPANA DE EXTRACCION
INFORME DE ANALISIS DE LA CAMPANA DE
EXTRACCION
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 9348+-5 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
250
FIGURA 417 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 418 DEFORMACION
FIGURA 419 FACTOR DE SEGURIDAD
251
45 Seleccioacuten de Diaacutemetro de la Tuberiacutea
Los criterios a utilizar para el caacutelculo del diaacutemetro de la tuberiacutea
son
1 Si la energiacutea
necesaria para el movimiento del fluido es gratis utilizar el
diaacutemetro miacutenimo que permita el caudal deseado
2 Si el fluido ha de ser
bombeado hay que calcular el tamantildeo que permita tener los
menores costes anuales (caacutelculo del diaacutemetro econoacutemico)
Velocidades tiacutepicas y caiacutedas de presioacuten permisibles que pueden
utilizarse para estimar el diaacutemetro de la tuberiacutea son
Velocidad (ms) ∆P(kPam)
Liacutequidos bombeados (no viscosos) 1 ndash 3 05
Liacutequidos flujo por gravedad - 0005
Gases y vapores 15 ndash 30 002 presioacuten de liacutenea
Flujos a alta presioacuten 30 - 60
TABLA 45 VELOCIDADES Y CAIDAS DE PRESION
PERMISIBLES [4]
Si se considera la densidad del fluido la velocidad oacuteptima es
252
Densidad del fluido
(Kgm3)
Velocidad del fluido
(ms)
1600 24
800 30
160 49
16 94
016 180
0016 340
TABLA 46 DENSIDAD DEL FLUIDO EN FUNCION DE LA
VELOCIDAD [4]
En la seleccioacuten de las tuberiacuteas se tiene que considerar el caudal
maacuteximo no el nominal (aumentar 20 a 50)
De acuerdo a la tablas 45 y 46 se tiene que
Flujo de agua = 15 m3h
Por lo tanto se escoge una velocidad
V = 2475 ms este valor es interpolado de la tabla 43 para
liacutequidos bombeados
Conocido el caudal y la velocidad se puede encontrar el
diaacutemetro
Q = A V Ec413
253
A = π4 D = QV
Donde D diaacutemetro de la tuberiacutea despejando D se tiene
D = 00508 m o tuberiacutea de 2rdquo
46 Seleccioacuten de la Bomba para la Torre de Enfriamiento
Se tiene los siguientes datos para la torre
Q = 15 m3h
Altura de la torre se la torre 12m
Considerando las tablas del Apeacutendice J del manual del
fabricante Golds Pumps se selecciona la siguiente bomba
Modelo 3196
STX 1x 1 frac12 - 6
Capacidad 70 GPM 3 frac12 ldquo 1 frac12 HP
Frecuencia 60 Hz
254
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
51 Diagrama de Gantt para la Ejecucioacuten del Proyecto
Diagrama de Gantt- Para la planificacioacuten de la construccioacuten montaje se contara con la
ayuda del software Microsoft Project
Que se lo muestra a continuacioacuten
255
FIGURA 51 DIAGRAMA DE GANTT
El diagrama de la figura anterior da los pasos que se siguieron describiendo todo el
proceso que se llevo a cabo en el proyecto utilizando oacuteptimamente el recurso humano
existente y el tiempo requerido para realizarlo
Levantamiento de planos del disentildeo de forma del sistema de enfriamiento- Este
procedimiento se hizo para obtener una referencia del espacio disponible y con ello ver
las posibles soluciones a implementar Este proceso no consta en el diagrama de Gantt
ya que lo hizo previo a la licitacioacuten ya que seria acreedora del contrato la empresa
participante que presente su mejor propuesta y cotizacioacuten sin embargo se tomo 5 diacuteas
para realizar este proceso
511 Preparacioacuten de Documentos Planos de Taller y Movilizacioacuten
Elaboracioacuten de planos de taller- Se procederaacute al disentildeo del sistema mas optimo en
este caso torre de enfriamiento certificacioacuten de intercambiador de calor disentildeo de
estructura moacutevil y de su estructura de soporte a ser ejecutado para la alternativa
seleccionada Asimismo se procederaacute al disentildeo eleacutectrico bajo la responsabilidad
ERMARLO SA Los planos seraacuten sometidos a la aprobacioacuten del departamento
encargado por parte de la Armada del Ecuador para iniciar los trabajos de
construccioacuten de acuerdo al cronograma presentado
256
Ninguacuten data sheet mostrado en la oferta podraacute ser utilizado como base para la
construccioacuten del sistema en mencioacuten por parte de la Armada del Ecuador o terceros si
la obra no se adjudica a ERMARLO SA con amparo a la ley de derechos de autor
Movilizacioacuten- Durante el periacuteodo de elaboracioacuten de planos se procederaacute con la
movilizacioacuten de equipos herramientas material a las instalaciones de la Armada
Nacional del Ecuador ubicada en la Base Sur Se utilizaraacuten bantildeos portaacutetiles con
mantenimiento perioacutedico Ademaacutes la logiacutestica del proyecto seraacute reforzada con el
apoyo de las oficinas e instalaciones de ERMARLO SA Ubicadas en la viacutea a Daule
Parque industrial Inmaconsa
512 Fabricacioacuten en el Taller
El disentildeo suministro de los materiales prefabricacioacuten y pre pintura interior y exterior
de las estructuras seraacuten ejecutados por ERMARLO SA En el taller se construiraacute
Rieles de movilizacioacuten para los soportes que llevaran la tuberiacutea de agua destilada
friacutea y caliente con sus respectivos acoples
Construccioacuten de la Torre de Enfriamiento y sus accesorios
Se ha contemplado la supervisioacuten de un teacutecnico de la Armada Nacional en los talleres
de ERMARLO SA asi mismo la supervisioacuten en campo de un teacutecnico durante la etapa
de montaje Para el efecto se ha considerado cubrir con todos los gastos relacionados
con esta visita salvo los honorarios de este teacutecnico los cuales correraacuten por cuenta de
la institucioacuten contratante
1 Materiales- De conformidad con los planos de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas para la construccioacuten de las rieles de deslizamiento y torre de
257
enfriamiento se selecciona el material a utilizar verificando calidad espesores y
dimensiones generales de laacuteminas y tuberiacuteas
Principalmente para laacuteminas de acero se verifican las marcas estampadas en
cada plancha contra los certificados emitidos por el fabricante de estar todo
conforme se libera el material para fabricacioacuten
2- Fabricacioacuten
21-Corte- Se posiciona la laacutemina seleccionada en la mesa de corte
procediendo al trazo y verificacioacuten conforme a medidas de plano de fabricacioacuten
Se transfieren las marcas originales de la laacutemina a cada parte y pieza a ser
cortada para mantener su identificacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten y en la
torre de enfriamiento terminada Se regulan los flujos de gases y velocidad de
avance de la maacutequina de conformidad con el procedimiento especiacutefico de cada
maacutequina y se procede a cortar el material En esta etapa se define dentro del
proceso de corte el tipo de bisel que se deja en el filo de las planchas para el
posterior proceso de soldadura todos los biseles tienen que estar detallados en
los planos de fabricacioacuten Una vez cortadas las piezas se realiza una limpieza
mecaacutenica de los bordes de la laacutemina especialmente los biseles de soldadura se
inspecciona y libera el material para el siguiente proceso
22-Conformado- Dependiendo de la parte de la torre que esteacute en proceso las
bandejas perforadas se las fabricara con este procedimiento Adicionalmente
todas las partes conformadas seraacuten pre-ensambladas en taller para verificar su
correcto dimensionamiento y agilizar el proceso de ensamble final en campo
23-Soldadura- Se realizaraacute soldadura en faacutebrica par elementos como patas
soportes de la cuba colectora de agua tuberiacuteas de carga y descarga conexiones
para instrumentacioacuten de acuerdo con el requerimiento del cliente Todas las
258
soldaduras de faacutebrica deben estar definidas en los planos de fabricacioacuten
indicando el proceso de soldadura y paraacutemetros generales que seraacuten ejecutados
Todas las soldaduras se realizaraacuten con procedimientos y soldadores calificados
de conformidad con coacutedigo ASME uacuteltima edicioacuten Los principales procesos a ser
utilizados son SAW GMAW SMAW
Toda soldadura deberaacute ser inspeccionada y verificada cumpliendo los
requerimientos del coacutedigo ASME y condiciones particulares del Cliente si
existieran
24-Tratamiento de Superficies- Tanto las laacuteminas de cuerpo como tuberiacuteas
soportes plataformas seraacuten preparadas y recubiertas de acuerdo con las
especificaciones del cliente En taller se realizaraacute aplicaraacute la primera capa de
revestimiento y en campo se completara el sistema luego del montaje
y pruebas del tanque El procedimiento a seguir es el siguiente
Se prepararaacute la superficie utilizando chorro de granalla metaacutelica hasta obtener un
acabado SSPC - SP 10 metal casi blanco con un perfil de anclaje de 2 a 3 mils
que garantice la adherencia y resistencia mecaacutenica del sistema de pintura a
aplicar Se dispone con los equipos y condiciones adecuadas para garantizar una
buena limpieza
La pintura seraacute aplicada conforme las recomendaciones y especificaciones de la
hoja teacutecnica del fabricante de pintura Durante el proceso de aplicacioacuten se
controla y registran los paraacutemetros externos y condiciones de aplicacioacuten como
temperatura ambiente temperatura de la pieza humedad relativa punto de
rociacuteo espesor huacutemedo y espesor seco
25 Factibilidad de construccioacuten- Se quiere resaltar las ventajas de la
fabricacioacuten de la torre de enfriamiento en Ecuador ya que ademaacutes del arancel
que tendraacute que pagarse sobre el tanque importado cuando se trata de proyectos
de intereacutes puacuteblico de acuerdo a la Ley la Armada del Ecuador puede requerir la
259
aprobacioacuten de la importacioacuten de bienes de capital El Ministerio encargado
certificaraacute si hay manufactura local o no para los bienes a ser importados El
producto local debe ser similar al importado debe tener la misma funcioacuten precio
competitivo igual calidad y tiempo de entrega Si los productos locales cumplen
con los estaacutendares de los productos importados deben entonces ser comprados
localmente caso contrario el Ministerio no autorizaraacute su importacioacuten
513 Montaje del Sistema de Enfriamiento
El Supervisor de montaje seraacute responsable de la eficiente
coordinacioacuten del Proyecto la Armada del Ecuador seraacute informado
continuamente de todas las acciones a tomar
ERMARLO SA dispondraacute de todos los equipos y herramientas
necesarios para enfrentar adecuadamente los trabajos
incluyendo gruacuteas compresores generadores soldadoras equipo
para prueba hidrostaacutetica etc
El montaje del sistema de enfriamiento obedece a una secuencia establecida en los
procedimientos y normas aplicables para este tipo de trabajos
En resumen las actividades principales que es necesario cumplir son las siguientes
Revisioacuten de la fundacioacuten de las estructuras deslizantes y la torre de enfriamiento
Antes del montaje del sistema de guiacuteas para la estructura
deslizante y para la torre de enfriamiento se verificaraacuten
260
cuidadosamente la topografiacutea e integridad estructural de las
fundaciones Tambieacuten se comprobaraacute que el terreno esteacute
adecuado para los diferentes movimientos de los equipos de
montaje
FIGURA 53 ALINEACION DE PISO DONDE SE ASENTARA LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Montaje de la estructura de soporte del sistema deslizante
Una vez revisada y aprobada las estructuras donde se va a montar el sistema
deslizante la cual llevara las tuberiacuteas de agua destilada a las bateriacuteas por parte de
ERMARLO SA se procederaacute a la instalacioacuten de cada una de las vigas transversales
donde se delizara el sistema de tuberiacuteas
261
FIGURA 52 SISTEMA DE DESLIZAMIENTO
Soldadura en obra
Las vigas del sistema de deslizamiento la torre y sus estructuras seraacuten soldados por
cualquiera de los procesos SMAW y SAW utilizando los equipos adecuados La
soldadura puede ser manual semi-automaacutetica o automaacutetica de conformidad a lo que
establezca del procedimiento de soldadura correspondiente
Se tendraacute una revisioacuten estricta de las condiciones de los biseles eliminacioacuten de escoria
antes de efectuar el siguiente cordoacuten inspecciones visuales de la soldadura
inspecciones radiograacuteficas de acuerdo al Coacutedigo se es necesario
Las laacuteminas del cuerpo en juntas de tope seraacuten alineadas en su posicioacuten antes de
soldar las mismas
514 Preparacioacuten de Superficie y Pintura en Sitio
262
Con el fin de asegurar la culminacioacuten del proyecto dentro del tiempo especificado asiacute
como para minimizar los dantildeos ambientales y proteger los materiales prefabricados
durante su transporte se ha considerado realizar la preparacioacuten y pre pintura de
superficies exterior e interior de las estructuras en taller
Las capas finales de pintura seraacuten aplicadas en el campo de acuerdo a las
especificaciones establecidas propuestas por ERMARLO SA Las aacutereas de pintura que
deban reparase o terminarse en se las repararaacute en obra
515 Prueba Hidrostaacutetica del Sistema de Tuberiacuteas e Intercambiador de Calor
Una vez instalado y pintado la torre de enfriamiento con el intercambiador de calor
sumergido en la piscina recolectora de la torre se procederaacute a realizar la prueba
hidrostaacutetica y la posterior desinfeccioacuten del mismo de acuerdo a lo especificaciones en
las bases de licitacioacuten entregada por la Armada del Ecuador
516 Bombas de agua
Existen dos bombas a ser montadas veacutease la figura 53 La bomba 1 para el sistema
de agua destilada de circulacioacuten por las bateriacuteas y al intercambiador de calor la bomba
2 figura 54 para la recirculacioacuten del agua en la torre de enfriamiento Las
caracteriacutesticas de todas ellas han sido ya establecidas en capiacutetulos anteriores
263
FIGURA 53 BOMBA PARA AGUA DESTILADA QUE ENTRA EN LAS BATERIA
FIGURA 54 BOMBA DE AGUA PARA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Para el montaje se deben respetar las especificaciones dadas ya sea por las normas
respectivas o seguir recomendaciones teacutecnicas En este caso se haraacute lo posible por
cumplir las recomendaciones dadas[12] Para el caso de la tuberiacutea de succioacuten se da la
figura 55
264
FIGURA 55 TUBERIA DE SUCCION [12]
Otra recomendacioacuten dada radica en que se debe evitar para el transporte el uso de
tuberiacuteas de igual diaacutemetro al de ingreso o salida del agua de la bomba deben ser
las inmediatas superiores Esto se cumple con los caacutelculos solo cuando la bomba
estaacute bien dimensionada pero no en el caso de la bomba 2 debido a que esta se
encuentra sobredimensionada Por ello el diaacutemetro de la tuberiacutea de salida es igual
diaacutemetro de la tuberiacutea de transporte de agua en el ingreso caso igual se usa una
tuberiacutea de 2rdquo
516 Instalacioacuten Eleacutectrica
Se ha contemplado el disentildeo instalacioacuten suministro y pruebas de
un sistema eleacutectrico el mismo que tendraacute los controles y mandos
para activar ventilador de la torre activacioacuten de las bombas de
agua control de ventiladores del cuarto de activacioacuten
265
FIGURA 56TABLERO DE CONTROL ELECTRICO
Toda tuberiacutea eleacutectrica se aseguraraacute con abrazaderas o soportes
de acero a la estructura de la torre o a las paredes por donde
crucen los cables
517 Graficas Representativas del Montaje de la Torre de
Enfriamiento
266
FIGURA 57 INTERCAMBIADOR SUMERGIDO EN COLECTOR
DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
FIGURA 58 BANDEJAS PERFORADAS INSTALADAS EN LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
267
FIGURA 59 TORRE DE ENFRIAMIENTO INSTALADA
52 Lista de materiales y equipos requeridos para el montaje
En las siguientes tablas se listan los materiales y equipos requeridos para el montaje
realizado adicionalmente se indica si se empleoacute algo usado o nuevo asiacute como su cantidad
268
EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
Equipoherramienta Tamantildeoespecificacioacuten Condicioacuten
01 Arco para sierra Estaacutendar de 12rdquo En bodega
02 Broca para acero HSS Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
03 Broca para cemento Percusioacuten Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
04 Broca para cemento Percusioacuten Oslash frac12 rdquo x 6rdquo En bodega
06 Cepillo de acero 6 hileras En bodega
07 Destornillador plano 5 mm x 150 mm En bodega
08 Emulsioacuten lubricante Proporcioacuten 120 En bodega
09 Flexoacutemetro 8 m x 25 mm En bodega
10 Guantes de cuero Par manga corta (10rdquo) En bodega
11 Hoja de sierra 12rdquo x frac12rdquo x 132rdquo Comprada
12 Hoja de sierra 24rdquo x 1frac14rdquo x 116rdquo Comprada
13 Llave mixta ⅜rdquo En bodega
14 Llave mixta 916rdquo En bodega
15 Llave mixta 58rdquo En bodega
16 Llave para tubo Largo 12rdquo abre hasta 2rdquo En bodega
17 Llave para tubo Largo 24rdquo abre hasta 3frac12rdquo En bodega
18 Llave para tubo Largo 36rdquo abre hasta 5rdquo En bodega
19 Nivel Aluminio largo 24rdquo En bodega
20 Pie de amigo De 24rdquo de aacutengulo de frac34rdquo Construido
21 Piola de algodoacuten Rollo de 50 gramos Comprado
22 Prensa para tubo De tornillo para Oslash 4rdquo En bodega
23 Sierra alternativa Para aserrar acero En taller
269
24 Taladro de mano Capacidad frac12rdquo asymp 13 mm En bodega
25 Taco Fisher F10 Comprado
26 Tarraja para tubo Manual para Oslash frac12rdquo a 2rdquo En bodega
27 Tefloacuten Rollo 19mmx15mx02mm Comprado
29 EPP Comprado
30 Material de aporte E6011 E6013 etc Comprado
31 Equipo de oxicorte Acetileno oxigeno manom En bodega
32 extintores Polvo quiacutemico seco En taller
33 tecle 2 Ton En bodega
34 Maq De soldar En bodega
TABLA 51 LISTA DE EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
53 RESUMEN DE COSTOS
ITEM MATERIALES Cantidad unid mater peso V Unitario V Venta
Soportariacutea fija y estructura moacutevil
Correa G 125 x 50 x 15 x 3 6 unid 3324 3291 19745
plancha 4 1 unid 9334 9241 9241
aacutengulo laminado 40 x 3 9 unid 1100 1089 9801
aacutengulo laminado 50 x 4 3 unid 2355 2331 6994
Correa G 80 x 50 x 15 x 3 9 unid 2406 2382 21437
malla electro ARMEX R- 131 (515) 52 mc 100 200 10400
perno expansioacuten 58 x 3 24 unid 012 060 1440
270
Pintura 4 galoacuten 100 1500 6000
ruedas para correas 12 unid 100 2500 30000
aacutengulo laminado 25 x 3 6 unid 706 699 4194
Materiales estructura 119252
Mano de obra estructura 71551
Total estructura 190803
Sistema de tuberiacuteas y accesorios
tubo PVC 2 20 unid 100 1400 28000
accesorio T 2 2 unid 030 240 480
tapoacuten 2 4 unid 020 160 640
unioacuten 2 10 unid 020 160 1600
bushing 2 x 14 4 unid 020 160 640
manguera 2 6 m 100 3500 21000
acople para manguera 2 x 2 4 unid 200 1600 6400
abrazaderas 2 8 unid 100 600 4800
manguera 14 300 m 100 250 75000
abrazadera 14 480 unid 100 030 14400
tubo galvanizado 1 14 7 unid 100 3360 23520
codo pvc 2 4 unid 020 160 640
codo galvanizado 1 14 4 Unid 020 180 720
nudo 2 4 unid 030 240 960
acoples para manguera 14 240 unid 100 24000
Materiales sistema distribucioacuten agua
enfriamiento aire 202800
Mano de obra sistema distribucioacuten agua 81120
271
enfriamiento
Total sistema distribucioacuten 283920
Torre de enfriamiento
tubo cuadrado 80 x 3 4 unid 4521 4476 17903
aacutengulo laminado 50 x 3 8 unid 1430 1416 11326
ventilador axial para torre enfriamiento 1 unid 120000 120000
plancha 3 para deposito de agua torre 2 unid 7040 6970 13939
control nivel de agua torre 1 global 1500 1500
plancha galvanizada para bandejas 8 unid 4224 5914 47309
plancha galvanizada para paredes 8 unid 3285 4599 36792
bomba de circulacioacuten 80 gpm ndash 30 psi 1 unid 120000 120000
arrancador para bomba de circulacioacuten y
ventilador 1 global 32000 32000
difusores y encausadores de torre 1 global 35000 35000
tuberiacutea y vaacutelvulas de control de circulacioacuten 1 global 23500 23500
Material torre 459269
Mano de obra torre 156151
Total torre 615420
EQUIPOS SUMINISTRADOS POR ARMADA DEL ECUADOR
Intercambiador de calor de haz tubular 000
Bomba PN 50 ndash 32 ndash 145 para agua des-ionizada 000
NOTA no se encuentra agregado el valor del IVA
272
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
61 Conclusiones
1 El meacutetodo usado por el texto de Procesos de transferencia de calor de Kern y al
comparar con el programa computacional para la seleccioacuten del intercambiador de calor
son similares concluyendo que el programa funciona correctamente y este caso el
intercambiador disponible cumple con los requerimientos para reducir la temperatura
requerida para el sistema
2 El equipo disentildeado cumple con lo establecido en el anaacutelisis del problema y las
restricciones
3 El meacutetodo de construccioacuten utilizado especialmente los procesos de soldadura garantizan
el buen funcionamiento del equipo
4 Se ha adquirido mas conocimientos sobre las torres de enfriamiento y sobre su valor
caracteriacutestico KaVL A mayor valor mayor dificultad para lograr el enfriamiento deseado
Adicionalmente se ratifico los conocimientos adquiridos
273
5 Se ha utilizado varios sistemas computacionales para comprobar los resultados
adquiridos e implementar estos programas en el trabajo diario dentro del departamento de
proyectos de ERMARLO SA
6 Se ha utilizado tablas normas y coacutedigos de seleccioacuten y disentildeo de esta manera logrando
un meacutetodo de seleccioacuten maacutes raacutepida para la ejecucioacuten de un proyecto
7 El control de calidad dentro del proceso de construccioacuten y montaje es muy importante en
la entrega final del trabajo para la satisfaccioacuten del cliente y realzar el nombre de la
empresa constructora
8 Una gran experiencia de trabajo en equipo tanto con el personal encargado de la
construccioacuten como la interaccioacuten con el personal de la Armada del Ecuador
62 Recomendaciones
1 Cuando se desee realizar la evaluacioacuten de un intercambiador de calor o una torre de
enfriamiento se debe seguir un sin nuacutemero de especificaciones para tenerlas a mano
Personalmente me parecioacute muy buena la guiacutea del texto Procesos de Transferencia de
Calor
2 Se requiere implementar un estudio detallado para el manejo de todos los desechos
generados
3 Se tendriacutea que hacer un plan de mantenimiento para los equipos constitutivos del sistema
de enfriamiento
4 Revisar permanentemente las instalaciones eleacutectricas ya que se tiene un ambiente
explosivo por las emanaciones de hidrogeno de las bateriacuteas al estar activaacutendose
274
5 La pintura de la torre de enfriamiento deberiacutea estar en control para evitar corrosioacuten en la
estructura
6 En la construccioacuten y el montaje se recomienda el correcto uso del Equipo de Proteccioacuten
Personal asiacute como los implementos para realizar trabajos en altura trabajos en caliente o
lugares confinados para evitar lesiones por parte de los integrantes del proyecto
7 Tener en consideracioacuten todas las normas de seguridad que tiene la institucioacuten (Armada
del Ecuador) para evitar sanciones al personal que estaacute ejecutando el proyecto
8 Implementar un mejor sistema de ventilacioacuten en el cuarto de activacioacuten de bateriacuteas ya que
este tiene demasiados contaminantes en el ambiente
275
BIBLIOGRAFIA
1 Gonzalez Jorge ldquoAplicacioacuten de la Investigacion de Operaciones al
Diseno Optimo de un Intercambiador de Calorrdquo (Tesis Facultad de
Ingenieria en Mecanica y Ciencias de la Produccion Escuela Superior
Politecnica del Litoral 1970)
2 Kern Donald Procesos de Transferencia de Calor Editorial CECSA
1995
3 Hickstyler Manual de Calculos para las Ingenierias Tercera Edicion
Tomo II McGraw Hill 1998
4 Torres Alberto ldquoDiseno de una Torre de Enfriamiento de Agua para Uso
Industrialrdquo (Tesis Facultad de Ingenieria Mecanica y Ciencias de la
Produccion Escuela Superior Politecnica del Litoral 1973)
5 Andrade Francisco Ing Ventilacioacuten Industrial Diplomado en Manejo
Ambiental ESPOL julio 2001
6 Manual Praacutectico de Ventilacioacuten Catalogo Teacutecnico Salvador Escoda
SA
7 Perry Robert-Green Don PERRY Manual del Ingeniero Quiacutemico
Seacuteptima Edicioacuten Volumen II Mc Graw Hill
8 Load amp Resistance Factor Design Manual of Steel Construction AISC
First Edition
9 Incropera P Frank-De Witt P David Fundamentos de Transferencia de
Calor Cuarta Edicioacuten Prentice Hall
10 Granet Irving Termodinaacutemica Tercera Edicioacuten Editorial Prentice Hall
1998
11 Goulds Pump Manual Sexta Edicioacuten Goulds Pumps Inc 1995
276
12 McNaughton Kenneth Bombas Seleccioacuten Uso y Mantenimiento
Editorial Mc Graw Hill 1992
13 David Linden Thomas B Reddy Handbook of Batteries McGraw Hill
Third Edition 1995
14 Pedro Fernaacutendez Diez Bombas Centrifugas y Volumeacutetricas 2002
15 Eugene F Megyesy Pressure Vessel Handbook Publishing Inc Sexta
edicioacuten
16 Holman J P Transferencia de Calor Octava edicioacuten Prentice Hall
2001
17 Dpto Ingenieria Quiacutemica y Textil Disentildeo de Equipos e Instalaciones
(Facultad de Ciencias Quiacutemicas Universidad de Salamanca)
18 Peters and Timmerhaus Plant Design and Economics For Chemical
Engineers McGraw Hill
19 Introduccioacuten al Programa ANSYS
20 Avallone Eugene A Baumeister III Theodore MARKS Manual del
Ingeniero Mecaacutenico Novena Edicioacuten Tomos I y II Mc Graw Hill
21 httpwwwipacesacerofabricacionasp
22 httpwwwevapcocom
23 httpwwwcasalscom
24 httpwwwamcotcom
25 httpwwwmonografiastrabajos10toentoenzip
277
113
12 Caracteriacutesticas generales del submarino U - 209helliphelliphelliphelliphellip 6
13 Proceso de activacioacuten de las bateriacuteas para submarinohelliphellip
131 Anaacutelisis del sistema operativohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
132 Caracteriacutesticas de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
133 Capacidad de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
134 Autodescargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
135 Almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
136 Principales meacutetodos de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
137 Control de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
138 Control de la temperatura en las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphellip
7
7
14
16
21
23
24
27
29
CAPIacuteTULO 2
2 DESCRIPCION DEL PROBLEMAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
21 Requerimientos para el proceso de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 36
22 Consideraciones teacutecnicas para la activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
23 Alternativas de solucioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
37
38
231 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
232 Sistema de enfriamiento con intercambiador enfriado por
airehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
233 Sistema de enfriamiento utilizando chillerhelliphelliphelliphelliphelliphellip
234 Sistema de enfriamiento utilizando intercambiador de calor y torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
42
43
45
24 Seleccioacuten mejor alternativahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
25 Torres de enfriamiento y su clasificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
26 Seleccioacuten de la torre a utilizarsehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
114
CAPIacuteTULO 3
3 ANAacuteLISIS TEacuteRMICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
31 Descripcioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
32 Datos de operacioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 64
33 Seleccioacuten del intercambiador de calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
331 Meacutetodo FLMTDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
332 Uso de software para seleccioacuten del intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
34 Disentildeo teacutermico de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
351 Fundamento del enfriamiento por evaporacioacutenhelliphelliphellip 87
352 Caacutelculoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89
CAPIacuteTULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 105
41Componentes de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 104
42 Determinacioacuten de la seccioacuten transversal de la torrehelliphelliphelliphellip 108
43 Seleccioacuten de la columna de contactohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 112
431 Altura de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
432 Aacuterea perforadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
433 Dimensiones de las perforacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
434 Espesor de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 117
44 Disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de la torre de enfriamiento 121
441 Seleccioacuten del espesor de planchahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 123
442 Carga en las paredes del depoacutesitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
444 Momento de inercia miacutenimo requeridohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
433 Distancia entre soportes del colectorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
115
44 Seleccioacuten del ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 129
45 Seleccioacuten de diaacutemetro de la tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 135
46 Seleccioacuten de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 137
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
51 Diagrama de Gantthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
511 Preparacioacuten de documentos planos de taller y
movilizacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 139
512 Fabricacioacuten en el tallerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
513 Montaje del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
514 Preparacioacuten de superficie y pintura en sitiohelliphelliphelliphelliphellip 148
515 Pruebas hidrostaacuteticas de tuberiacuteas e intercambiadorhellip 149
516 Bombas de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
517 Instalacioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
52 Materiales y equipos requeridoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
53 Resumen de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 156
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
61 Conclusioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
62 Recomendacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 160
APEacuteNDICES
BIBLIOGRAFIacuteA
116
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 11 Partes constitutivas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
Figura 12 Estado de descarga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Figura 13 Estado de carga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
117
Figura 14 Variacioacuten de la capacidad seguacuten reacutegimen de descargahelliphellip 17
Figura 15 Variacioacuten de la capacidad seguacuten la temperaturahelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Variacioacuten de la capacidad seguacuten nuacutemero de cicloshelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Variacioacuten de la vida uacutetil en funcioacuten de la descargahelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Variacioacuten de la capacidad por autodescarga 22
Figura 19 Reaccioacuten exoteacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 21 Trabajos preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 22 Esquema de enfriamiento de bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 23 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Figura 24 Enfriamiento utilizando intercambiador enfriado por aire 43
Figura 25 Sistema de enfriamiento utilizando un chiller 44
Figura 26 Sistema de enfriamiento utilizando torre de enfriamiento e intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
Figura 27 Torre de enfriamiento de tiro forzadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
Figura 28 Torre de flujo a contracorriente y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
Figura 29 Torre de flujo cruzado y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
Figura 31 Disposicioacuten de las bateriacuteas en el cuarto de activacioacutenhelliphelliphellip 61
Figura 32 Disposicioacuten de tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
Figura 33 Sistema de desplazamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 34 Bateriacuteas en cuarto de activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 35 Sistema moacutevil para llevar el fluido de enfriamiento a las
bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
Figura 36 Disentildeo de forma del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
Figura 37 Distribucioacuten de temperaturas en un intercambiador de calor de doble tubo en
paralelohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 69
Figura 38 Ventana de inicio del programahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
Figura 39 Ventana de seleccioacuten de tipo de intercambiador a utilizarse y definicioacuten de
fluidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
Figura 310 Datos del material del intercambiadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 80
118
Figura 311 Ventana de ingreso de datos de intercambiador de calorhellip 81
Figura 312 Ventana de resultados en la presioacuten de disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphellip 82
Figura 313 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 83
Figura 314 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 84
Figura 315 Disposiciones del haz de tuboshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
Figura 316 Idealizacioacuten del fenoacutemeno de transferenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
Figura 317 Flujo Especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
Figura 318 Diagrama del sistema para el disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
Figura 319 Relaciones de agua y aire de una torre a contra flujohelliphelliphellip 93
Figura 320 Diagrama de operacioacuten de enfriamiento del aguahelliphelliphelliphelliphellip 101
Figura 41 Disentildeo de Forma de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 108
Figura 42 Diagrama de operacioacuten de una bandeja perforadahelliphelliphelliphellip 114
Figura 43 Disposicioacuten de agujeros en las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
Figura 44 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 45 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 46 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 47 Valores de alfahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
Figura 48 Dimensionamiento del depoacutesito de coleccioacuten de aguahelliphelliphellip 123
Figura 49 Cargas hidrostaacuteticashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
Figura 410 Distancia entre soporteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
Figura 412 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 413 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 414 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 415 Diagrama para seleccionar modelo de ventiladorhelliphelliphelliphelliphellip 131
Figura 416 Ventilador seleccionadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 132
Figura 417 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 418 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 419 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 51 Diagrama de Gantt 138
119
Figura 52 Sistema de deslizamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 171
Figura 53 Alineacioacuten de piso donde se asentaraacute la torrehelliphelliphelliphelliphelliphellip 172
Figura 54 Bomba de agua para torrehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 175
Figura 55 Tuberiacutea de succioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 176
Figura 56 Tablero de control eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 177
Figura 57 Intercambiador sumergido en colector de la torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 58 Bandejas perforadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 59 Torre de enfriamiento instaladahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 179
120
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphellip 6
Tabla 12 Paraacutemetros de almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
Tabla 21 Programa de carga eleacutectrica para la activacioacuten de las bateriacuteas de los
submarinoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
Tabla 22 Impurezas maacutes comunes en el agua que afectan los sistemas de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 23 Matriz de decisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
Tabla 24 Clasificacioacuten de las torres de enfriamiento 49
Tabla 25 Matriz de decisioacuten para seleccionar el tipo de torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
Tabla 31 Escala de presioacuten y valor U para tipos de intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Tabla 32 Aacuterea transversal de flujo y superficie para intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Tabla 33 Valores de entalpiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 102
Tabla 34 Caracteriacutesticas de humidificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103
Tabla 41 Dimensiones de zona sin perforarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
Tabla 42 Informe de resultados del anaacutelisis de la bandeja perforadahellip 119
Tabla 43 Informe de resultados del colector de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 127
Tabla 44 Informe de resultados de la campana de extraccioacutenhelliphelliphelliphellip 133
Tabla 45 Velocidades y caiacutedas de presioacuten permisibles 135
Tabla 46 Densidad del fluido en funcioacuten de la velocidadhelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
Tabla 51 Lista de equipos y herramientashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
121
IacuteNDICE DE PLANOS
Plano 1 Torre de enfriamiento y sus partes
Plano 2 Bandejas perforadas
Plano 3 Campana de extraccioacuten
Plano 4 Tanque colector
Plano 5 Placa soporte
Plano 6 Dimensiones de estructura de torre de enfriamiento
122
ABREVIATURAS
ordmC Grados centiacutegrados
Mg Magnesio
Si Silicio
m Metros
cm Centiacutemetros
mm Miliacutemetros
kg Kilogramos
t Toneladas meacutetricas
MVA Mega voltamperios
kwh Kilovatio hora
tkwh Kilovatio hora por tonelada
Nm3
Metro cuacutebico normalizado
FeMn Ferromanganeso
MgO Oacutexido de magnesio
m Microacutemetro
NO2 Dioacutexido de nitroacutegeno
3Nmg
Gramos por metro cuacutebico de aire normalizado
ht Toneladas por hora
3mg
Gramos por metro cuacutebico
123
3mmg
Miligramos por metro cuacutebico
3pieg
Gramos por pieacute cuacutebico
min
3pie Pieacute cuacutebico por minuto
gal galoacuten
CFM Pies cuacutebicos por minuto
t
Kg Kilogramos por tonelada
hm3
Metros cuacutebicos por hora
th
m3
Metros cuacutebicos por hora por tonelada
s Densidad del soacutelido
3mg
Microgramos por metro cuacutebico
3mkg
Kilogramo por metro cuacutebico
sm Metros por segundo
OHmmCol 2 Miliacutemetros de columna de agua
atm atmoacutesferas
Pa Pascales
FPM Pies cuacutebicos por minuto
A Aacuterea
V Velocidad
Q Caudal
sm3
Metros cuacutebicos por segundo
124
SP Presioacuten estaacutetica
VP Presioacuten dinaacutemica
kPa Kilopascales
MPa Megapascales
2lgpulb Libras por pulgadas cuadradas
antildeomm Miliacutemetro por antildeo
hmm
2
3
Metros cuacutebicos por metro cuadrado por hora
psi Libras por pulgada cuadrada
diaacutemetro
ppm Partes por milloacuten
M Momento
mpy Mileacutesimas de pulgada por antildeo
Mw Megavatios
T Diferencia de temperaturas
CkgJ
ordm Joules por kilogramo por grado centiacutegrado
k Conductividad
h Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
R Sumatoria de resistencias
f Factor de friccioacuten
St Nuacutemero de stanton
KmW
2 Vatios por metro cuadrado por grados kelvin
125
INTRODUCCIOacuteN
La Armada del Ecuador a cargo de la Direccioacuten de Mantenimiento de la
institucioacuten con el propoacutesito de brindar mantenimiento al escuadroacuten de
submarinos nacionales SS ndash 11 ldquoShyrirdquo y SS ndash 12 ldquoHuancavilcardquo tipo U ndash 209
de fabricacioacuten alemana considera el cambio inmediato de las bateriacuteas de
propulsioacuten instaladas en dichos submarinos por haber cumplido su ciclo de
vida
Las unidades submarinas son de propulsioacuten diesel ndash eleacutectricas las bateriacuteas
son las encargadas de suministrar la energiacutea necesaria para propulsar y
alimentar la red abordo
Las bateriacuteas operan desde el antildeo 1997 tiempo de operacioacuten hasta la fecha
de 11 antildeos que sobrepasan el tiempo de vida uacutetil que es de 10 antildeos lo que
requiere un reemplazo inmediato de las bateriacuteas
Es por eso que las bateriacuteas de propulsioacuten fueron adquiridas a traveacutes de la
Junta de Defensa Nacional a la compantildeiacutea alemana Hawker GMBH una
126
remesa de 960 bateriacuteas estas son del tipo plomo ndash aacutecido las bateriacuteas se
someten a un proceso de carga y descarga cuando estaacuten montadas en el
submarino este proceso genera calor y produccioacuten de hidroacutegeno en el
ambiente
Para controlar la generacioacuten de calor existe en el submarino un sistema de
enfriamiento utilizando agua del mar las bateriacuteas nuevas adquiridas no
vienen activadas de fabrica para evitar problemas de danos y eliminar
riesgos durante el viaje hasta las instalaciones de la Armada Nacional es por
eso que la institucioacuten a dispuesto un lugar estrateacutegico donde se va a
proceder a la construccioacuten del sistema de activacioacuten de las bateriacuteas lo que
conlleva a realizar trabajos preliminares para la puesta en marcha de estos
equipos
Como este proceso tiene que ser realizado en tierra la Armada del Ecuador
convoca a diferentes empresas para licitar en el disentildeo construccioacuten y
montaje de un sistema de enfriamiento de agua que va a ser utilizada en la
activacioacuten de 120 bateriacuteas a la vez
ERMARLO SA empresa en la cual me desenvolviacutea en el departamento de
proyectos fue adjudicada la licitacioacuten y fue asignado el proyecto de disentildeo y
construccioacuten del sistema de enfriamiento el cual es el objetivo de esta tesis
127
Se utilizaran varios programas computacionales como Inventor 10 ESP plus
con el fin de utilizarlos en la praacutectica con mayor destreza para solucionar
problemas
CAPITULO 1
1 GENERALIDADES 11 Descripcioacuten del Sistema de Poder de los Submarinos
A fin de clarificar ciertos aspectos importantes para comprender el sistema de
propulsioacuten de los submarinos se realizaraacute una breve descripcioacuten generalizada de
este tipo de buque
El submarino tipo U ndash 209 es un buque disentildeado exclusivamente para
operar bajo el agua esta afirmacioacuten puede parecer redundante pero
es necesaria para diferenciar los submarinos modernos de los usados
durante la primera y segunda guerras mundiales que era propiamente
128
ldquosumergiblesrdquo es decir los buques con capacidad de permanecer
periodos relativamente cortos bajo la superficie esto explica el disentildeo
de estos con cantildeones en cubierta para la defensa aeacuterea y de
superficie
Hasta la llegada de la propulsioacuten nuclear marina la mayoriacutea de los submarinos del
siglo XX usaron bateriacuteas eleacutectricas para la navegacioacuten subacuaacutetica y motores de
combustioacuten interna para la superficie y recargar las bateriacuteas Los primeros modelos
usaban gasolina como combustible pero pronto se sustituyoacute por parafina y luego
gasoacuteleo gracias a su menor inflamabilidad La combinacioacuten diesel-eleacutectrico se
convertiriacutea en el medio de propulsioacuten estaacutendar Inicialmente el motor diesel o gasolina
y el eleacutectrico separados por embragues estaban en el mismo eje e impulsaban el
propulsor Esto permitiacutea que el primero usase al segundo como generador para
recargar las bateriacuteas e impulsar tambieacuten al submarino si era necesario Cuando el
submarino se sumergiacutea se desembragaba el motor diesel de forma que se usase el
eleacutectrico para girar la heacutelice El motor eleacutectrico puede tener maacutes de un inducido sobre
el eje estando eleacutectricamente acoplados en serie para velocidades bajas y en
paralelo para velocidades altas
129
12 Caracteriacutesticas Principales del Submarino U ndash 209
Desplazamiento
(sumergidos)
1285 Ton
Dimensiones 559 6355 m
Propulsioacuten 4 MTU MD 12V992 Tb 90
diesel de 600 CV un
Siemens eleacutectrico de
5000 CV y 4
generadores eleacutectricos
de 405 Kw
Tipo Submarino diesel
eleacutectrico de ataque SSK
Astillero de origen Howaldtswerke Kiel
Alemania
Desplazamiento 1265 ton (superficie)
1396 ton (inmersioacuten)
Casco Acero naval reforzado
Celdas 480 de 11500 Amp ndash h y
un peso total de 257 ton
Combustible 108 ton
Profundidad
maacutexima
500 metros
Armamento 553 mm torpedos en
tubos (14) misil Sub-
130
Harpoon
Tripulacioacuten 33
TABLA 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U ndash 209
El submarino posee 4 bateriacuteas de 120 celdas cada una
Cada celda estaacute disentildeada para almacenar cargas con voltajes que no
exceden los 275 voltios de corriente continua Las 120 celdas estaacuten
conectadas en serie esto para cada bateriacutea
FIGURA 11 PARTES CONSTITUTIVAS DEL SUBMARINO U -209
13 Proceso de Carga y Descarga de las Bateriacuteas en el Submarino
131
Para activar las bateriacuteas antes de ser puestas en operacioacuten se
requiere que se cumpla un determinado procedimiento el cual
implica periodos de carga y descarga de acuerdo a un plan
establecido
131 Anaacutelisis del Sistema Operativo de las Bateriacuteas
El suministro de energiacutea eleacutectrica dentro del buque tiene un solo
responsable estas son las celdas del buque
Primeramente entieacutendase por celdas al elemento unitario de
energiacutea eleacutectrica del buque que baacutesicamente es un acumulador de
plomo y aacutecido o pila secundaria que puede recargarse invirtiendo
la reaccioacuten quiacutemica
La celda electroliacutetica que describiremos a continuacioacuten el
acumulador de plomo
Estos acumuladores constan de una serie de placas de plomo
dispuestas una al lado de la otra y separadas entre siacute por medio de
los separadores
Las placas son unas rejillas rectangulares en las que se efectuacutea
una transformacioacuten de energiacutea quiacutemica en eleacutectrica o viceversa
seguacuten se descargue o cargue repetidamente el acumulador
132
Existen dos clases de placas las positivas constituidas a base de
peroacutexido de plomo cuyo color es negruzco y las negativas
constituidas de plomo combinado con materiales inertes que no
intervienen en la transformacioacuten generalmente antimonio Al
peroacutexido de plomo y al plomo que componen las placas se les
denomina materia activa del acumulador
Las placas positivas estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute
mediante una barra o laacutemina metaacutelica denominada puente de
unioacuten Lo mismo ocurre para las placas negativas Sobre ambos
puentes se hallan los bornes del acumulador uno positivo y otro
negativo
El conjunto de placas positivas y negativas alternadas se
encuentran sumergidas en agua acidulada que es una mezcla de
acido sulfuacuterico y agua que hace las veces de electrolito
En las condiciones hasta ahora descritas el acumulador se halla
cargado es decir que si entre sus bornes conectamos un
consumidor por ejemplo una laacutempara por ella circula corriente y
por tanto se encenderaacute ello es debido a que entre sus placas de
peroacutexido de plomo y de plomo existe una diferencia de potencial
capaz de producir corriente eleacutectrica cuando circula esta corriente
a traveacutes de un consumidor el acumulador se estaacute descargando
133
Durante dicha descarga para la corriente desde la placa positiva a
la negativa por el por el receptor o consumidor exterior a la bateriacutea
y por el interior desde la placa negativa a traveacutes del electrolito a la
placa positiva
Al pasar la corriente por el electrolito se descompone la moleacutecula
del aacutecido sulfuacuterico en dos iones (SO4-) y (2H+) con cargas
negativas y positivas respectivamente que reaccionan formando
en la placa positiva peroacutexido de plomo (PbO2) mas agua en el
recipiente Esta agua se genera porque el oxiacutegeno liberado de la
placa positiva del peroacutexido de plomo se combina con el hidroacutegeno
descompuesto del aacutecido sulfuacuterico
De la misma manera se forma sulfato plumboso en la placa
negativa y agua en el recipiente La reaccioacuten de la descarga la
podriacuteamos resumir asiacute
134
A medida que se va descargando la concentracioacuten de aacutecido
sulfuacuterico en el electrolito va disminuyendo lo que origina que sea
menos conductor provocando este fenoacutemeno un aumento de la
resistencia interior en el elemento lo que produce una caiacuteda de
tensioacuten tan grande que deja la bateriacutea fuera del servicio uacutetil
Cuando ha sido atacado todo el peroacutexido de plomo y todo el plomo
cesa la transformacioacuten y con ella la corriente eleacutectrica el
acumulador descargado incapaz de producir maacutes corriente
eleacutectrica
Si estando el acumulador descargado aplicamos en sus bornes
una diferencia de potencial se produciraacute la electroacutelisis del agua
contenida en el recipiente y las transformaciones que habraacuten
tenido lugar durante la descarga se invertiraacuten es decir en las
placas positivas se transformara el sulfato plumboso en peroacutexido
de plomo y aacutecido sulfuacuterico y en las negativas en plomo y aacutecido
sulfuacuterico con lo que el acumulador quedara nuevamente cargado y
con la facultad de poder suministrar de nuevo corriente eleacutectrica
La reaccioacuten de carga se habraacute efectuado asiacute
135
Estos fenoacutemenos quiacutemicos se llevan a cabo en el interior del
acumulador se va intentar representarlos por una serie de figuras
Por ejemplo en la Figura 12 Se tiene una aproximacioacuten a un
esquema de reaccioacuten quiacutemica durante la descarga del acumulador
La laacutempara representa el aparato consumidor que estaacute recibiendo
energiacutea eleacutectrica en este momento En el interior del acumulador
se estaacuten descomponiendo del modo que indican las flechas las
moleacuteculas de cada uno de los componentes de las placas
conjuntamente y en colaboracioacuten con el electrolito y su
composicioacuten quiacutemica
Obseacutervese como en la parte baja de las placas se produce la
presencia del sulfato de plomo (PbSO4) que es el indicio claro de la
descarga (En este esquema se mantiene el sentido electroacutenico de
la corriente es decir el paso del negativo al positivo tal como
ocurre en la realidad aunque se ha aceptado convencionalmente la
inversa)
136
La descarga total del acumulador llegariacutea a producirse cuando
ambas placas se hallaran saturadas de sulfato de plomo y el
electrolito fuera praacutecticamente formado por agua destilada La luz
dejara de brillar en sentildeal evidente de la falta de energiacutea eleacutectrica
FIGURA 12 ESTADO DE DESCARGA DE UN ACUMULADOR
El proceso de carga podemos verlo en la Figura 13 La colocacioacuten
de un generador de corriente continua entre los bornes del
acumulador hace que la corriente circule entre placas y electrolito
Tal como puede verse en la parte alta de las placas la presencia
del sulfato plumboso (PbSO4) es general lo que indica su estado
descarga pero al paso de la corriente eleacutectrica proveniente del
generador activa una reaccioacuten quiacutemica en la que de nuevo acido
sulfuacuterico se recompone Poco a poco la placa negativa recobra su
137
plomo inicial y la positiva su peroacutexido de plomo mientras el
electrolito aumenta su densidad por encima de los valores casi del
agua que teniacutea en el estado totalmente descargado debido a su
enriquecimiento de acido sulfuacuterico [13]
Estas son pues las transformaciones quiacutemicas mediante las
cuales es posible convertir energiacutea eleacutectrica en energiacutea quiacutemica y
viceversa
FIGURA 13 ESTADO DE CARGA DE UN ACUMULADOR [13]
132 Caracteriacutesticas de las Bateriacuteas
138
A pesar de su diversa constitucioacuten todas las bateriacuteas pueden
ser definidas mediante unas caracteriacutesticas comunes que se
consideran seguidamente
Resistencia interna- Formada por la resistencia oacutehmica
de sus componentes (terminales electrodos soportes y
electrolito) y por una resistencia virtual variable en funcioacuten
del estado de carga y de las distintas polarizaciones y
concentraciones Aumenta con las bajas temperaturas
con la descarga de la bateriacutea y con el envejecimiento
Rendimiento- Es la relacioacuten entre la energiacutea
suministrada durante la descarga y la que se necesita
para cargar plenamente la bateriacutea Las peacuterdidas en una
bateriacutea se deben sobre todo a una produccioacuten de energiacutea
caloriacutefica en los procesos quiacutemicos que tienen lugar
durante la carga y descarga
Velocidad de carga y descarga - Las corrientes de
carga y descarga a menudo se especifican con unos
teacuterminos que indican la descarga completa en un periacuteodo
continuo de una hora Estos teacuterminos son los regiacutemenes C
y sus muacuteltiples y submuacuteltiplos son un medio muy coacutemodo
para especificar las velocidades de carga y descarga Por
tanto 10C es la corriente que descarga la bateriacutea en seis
139
minutos mientras que C10 es la corriente que descarga
la bateriacutea en diez horas
Vida uacutetil - La vida uacutetil de una bateriacutea no se mide en antildeos
sino por la cantidad de ciclos de carga - descarga que es
capaz de realizar Asiacute si se la somete a un reacutegimen de
trabajo de muchos ciclos diarios probablemente soacutelo
duraraacute unos meses mientras que si el reacutegimen es de un
ciclo al diacutea o incluso maacutes lento (como ocurre en el caso de
iluminacioacuten de viviendas con energiacutea solar) la bateriacutea
puede durar al menos diez antildeos
133 Capacidad de una Bateriacutea
Es la cantidad de electricidad que puede entregar cuando se
descarga antes de que su tensioacuten disminuya por debajo de un
nivel miacutenimo Su siacutembolo es C y se expresa en A - h Otro
factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una bateriacutea
es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten quiacutemica
que tiene lugar en el acumulador se acelera demasiado y la
vida se acorta Si la temperatura es baja la vida se prolonga
pero si baja demasiado puede correr el riesgo de congelacioacuten
En este caso lo mejor seraacute mantener la bateriacutea en un nivel de
140
carga alto ya que cuanto mayor sea la concentracioacuten del
electrolito el punto de congelacioacuten seraacute maacutes bajo
La capacidad de una bateriacutea variacutea seguacuten el reacutegimen de
descarga aumenta a medida que la descarga es maacutes lenta y
disminuye cuando esta es maacutes raacutepida
Por esta razoacuten el valor de C debe venir referenciado con el
tiempo de descarga
FIGURA 14 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
REGIMEN DE DESCARGA [13]
Un incremento de la temperatura dentro de unos liacutemites
aumenta la actividad de los procesos quiacutemicos y por lo tanto
la capacidad de la bateriacutea Por el contrario a bajas
temperaturas la actividad quiacutemica es menor y la capacidad
disminuye considerablemente
141
FIGURA 15 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN LA
TEMPERATURA [13]
La historia de la bateriacutea afecta tambieacuten a la capacidad Si una
bateriacutea lleva un largo periacuteodo sin ser recargada en toda su
capacidad se produce un efecto memoria que impide que
recupere su capacidad nominal siendo necesarios varios
ciclos de carga y descarga para recuperarla El
envejecimiento de una bateriacutea merma su capacidad y va
disminuyendo a lo largo de su vida en funcioacuten del servicio de
carga - descarga a que sea sometida Para el caacutelculo de la
capacidad nominal necesaria hay que tener en cuenta la vida
uacutetil que se desea para la bateriacutea si se desea una vida uacutetil de
142
3 antildeos y el fabricante indica que al final de este periacuteodo soacutelo
se mantiene el 50 de la capacidad habraacute que utilizar una
bateriacutea de capacidad doble a la estimada necesaria
FIGURA 16 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
NUacuteMERO DE CICLOS [13]
Ademaacutes de los ciclos de carga - descarga tambieacuten hay que
considerar la profundidad de la descarga media que se
produce en cada uno de ellos Si dicha descarga es
moderada y soacutelo de vez en cuando se alcanza una
profundidad elevada el nuacutemero de ciclos que soportaraacute las
bateriacuteas seraacute elevado A medida que se la someta a
descargas maacutes profundas el nuacutemero de ciclos que podraacute
realizar y por tanto su vida uacutetil iraacute disminuyendo En
143
cualquier caso la profundidad de descarga maacutexima admisible
para un acumulador plomo - aacutecido es del 80
FIGURA 17 VARIACION DE LA VIDA UTIL EN FUNCION
DE LA DESCARGA [13]
Con un reacutegimen de descarga diaria del 25 de su capacidad
y un 80 de descarga 2 veces al antildeo (condiciones que
normalmente se dan en una instalacioacuten fotovoltaica) la
bateriacutea solar puede alcanzar una vida uacutetil de maacutes de 11 antildeos
Otro factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una
bateriacutea es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten
quiacutemica que tiene lugar en el acumulador se acelera
demasiado y la vida se acorta Si la temperatura es baja la
144
vida se prolonga pero si baja demasiado puede correr el
riesgo de congelacioacuten En este caso lo mejor seraacute mantener
la bateriacutea en un nivel de carga alto ya que cuanto mayor sea
la concentracioacuten del electrolito el punto de congelacioacuten seraacute
maacutes bajo
Las mayores formas de acortar la vida uacutetil de un acumulador
son
someterlos a cargas y descargas violentas y repetidas
descargarlo hasta el agotamiento
trabajar a temperaturas extremas
134 Autodescarga
La autodescarga de una bateriacutea consiste en la peacuterdida de
energiacutea por reaccioacuten entre los materiales que forman los
elementos de la bateriacutea en condiciones de circuito abierto es
decir cuando no hay carga alguna conectada al circuito de la
bateriacutea Depende del tipo de bateriacutea y muy directamente de la
temperatura aumentando con esta Por ello y dado que los
valores estaacutendar suelen venir referidos a una temperatura
145
media (unos 20 oacute 25ordmC) es preciso tener en cuenta que este
factor puede alterarse en algunos casos
FIGURA 18 VARIACION DE LA CAPACIDAD POR
AUTODESCARGA [13]
La autodescarga hay que considerarla como un consumo
adicional que demanda un cierto porcentaje de energiacutea
almacenada Su valor es aproximadamente de un 05 a un
1 diario en bateriacuteas plomo - aacutecido
146
135 Almacenamiento
Los fabricantes suelen dar recomendaciones para el almacenamiento
Mostramos las condiciones recomendadas para aplicaciones solares
en la tabla siguiente
TABLA 12 PARAMETROS DE ALMACENAMIENTO [18]
Las bateriacuteas almacenadas llenas y cargadas requieren un periodo de
recarga antes de su instalacioacuten El fabricante debe proporcionar las
instrucciones acerca de los intervalos y meacutetodos en los que debe
efectuarse
La exposicioacuten a alta temperatura y humedad durante el
almacenamiento puede ocasionar una peacuterdida de capacidad La
temperatura de una bateriacutea guardada en un recipiente expuesto a la
luz directa del sol puede subir a 60 degC o maacutes durante el diacutea
147
136 Principales Meacutetodos de Carga
La vida uacutetil de una bateriacutea y sus prestaciones dependen
directamente de los procesos de carga a los que es sometida
Por esta razoacuten hay que seguir en cada caso las
recomendaciones que da el fabricante
Los principales meacutetodos de carga son
1 Tensioacuten constante
2 Corriente constante
3 Corriente descendente
4 Dos niveles de tensioacuten constante
Tensioacuten constante
El meacutetodo de carga a tensioacuten constante es el maacutes usado para
cargar bateriacuteas de plomo - aacutecido Consiste en aplicar una
tensioacuten constante de 23 24 oacute 25 Velemento limitando la
corriente inicial de carga a 01C oacute 02 C amperios siendo C la
capacidad de la bateriacutea en amperios - hora El tiempo de
carga va de 40 horas a 10 horas y la tensioacuten debe regularse
seguacuten la temperatura ambiente si la temperatura es alta la
tensioacuten de carga debe ser baja y viceversa
148
Algunos fabricantes admiten la utilizacioacuten de este meacutetodo sin
limitacioacuten de corriente pues sus bateriacuteas estaacuten
dimensionadas para fuertes corrientes En este caso si se
inicia el proceso con 23Velemento la corriente inicial
despueacutes de una descarga profunda seraacute de 3C amperios y de
un 05C durante un periacuteodo largo
Corriente constante
El meacutetodo de carga a corriente constante es recomendado
por algunos fabricantes para las bateriacuteas de niacutequel - cadmio
limitando la corriente entre 025C y 005C amperios En el
caso de carga profunda se admiten corrientes de 1C
amperios pero vigilando la tensioacuten de la bateriacutea o la
temperatura
La carga a corriente constante se utiliza como carga de
igualacioacuten en bateriacuteas plomo - aacutecido para corregir diferencias
de capacidad entre las bateriacuteas de un mismo grupo Para
evitar una sobrecarga que destruya la bateriacutea es necesario
terminar cuando la bateriacutea alcance su maacutexima capacidad
149
Corriente descendente
Es el sistema de carga maacutes econoacutemico y es utilizado por
algunos fabricantes para sus bateriacuteas niacutequel - cadmio
Consiste en una carga sin regulacioacuten limitada por una
resistencia serie que en algunos casos es la propia
resistencia del devanado del transformador de alimentacioacuten
A medida que la bateriacutea se va cargando la corriente de carga
va descendiendo gradualmente Es un meacutetodo antiguo y muy
peligroso porque la tensioacuten y corriente de carga dependen de
las fluctuaciones de la corriente de la red con lo que existe
riesgo impliacutecito de sobrecarga
Dos niveles de tensioacuten constante
Es el meacutetodo recomendado para cargar una bateriacutea de plomo
- aacutecido hermeacutetica en un periacuteodo corto de tiempo y mantener la
bateriacutea en plena carga en situacioacuten de flotacioacuten Inicialmente
se carga a un nivel alto de tensioacuten (245Velemento)
limitando la corriente A partir de que esta disminuya por
debajo de un nivel se pasa a tensioacuten constante permanente o
de flotacioacuten Este meacutetodo es el maacutes eficiente pues minimiza el
tiempo de carga y la bateriacutea queda protegida de sobrecargas
150
Despueacutes de una descarga profunda es necesario un tiempo
de carga maacutes largo de lo normal Inicialmente la corriente que
admite la bateriacutea es baja ya que la resistencia interna tiene
un valor elevado y no adquiere su valor normal hasta pasados
unos 30 minutos Por este motivo es necesario inhibir el
control durante este periacuteodo de tiempo pues el cargador
podriacutea suponer que la bateriacutea estaacute cargada y dejarla en
flotacioacuten
137 Control de Carga
Para mantener el rendimiento oacuteptimo de una bateriacutea es esencial que
su carga se controle adecuadamente Al comienzo del ciclo de carga la
corriente deberiacutea limitarse para asegurar que no se produzca
generacioacuten de gases a causa de un voltaje excesivo aplicado al vaso
mientras la capacidad se recupera la corriente de carga debe
limitarse para mantener el voltaje de los vasos en el umbral requerido
para la generacioacuten de gases o ligeramente inferior una vez
recuperada la plena capacidad se deberiacutea aplicar una carga final a
corriente constante por un periacuteodo de tiempo fijo (carga de
igualacioacuten) Aunque estas condiciones no puedan lograrse
praacutecticamente en los sistemas de energiacutea fotovoltaica hay ciertas
151
circunstancias que se necesitan para minimizar el mantenimiento y
mantener la vida de la bateriacutea Los paraacutemetros del regulador tendraacuten
en cuenta los efectos del disentildeo del generador fotovoltaico la carga
la temperatura y los valores liacutemite recomendados para proteger la
bateriacutea Las de plomo-aacutecido o de niacutequel-cadmio tendraacuten el electrolito
suficiente para cubrir el periacuteodo entre por lo menos las visitas de
mantenimiento planificadas [13]
La sobrecarga excesiva no aumenta la energiacutea almacenada en la
bateriacutea En cambio la sobrecarga afecta al intervalo de servicio
debido al consumo de agua destilada en las bateriacuteas aacutecidas como
resultado de la generacioacuten de gases Para minimizar este efecto el
voltaje de regulacioacuten de la carga debe compensarse con los cambios
en la temperatura del electrolito ya que esto afecta directamente al
umbral de voltaje de generacioacuten de gases Contrariamente a esto la
estratificacioacuten puede ocurrir en bateriacuteas de electrolito liacutequido
particularmente en sistemas fotovoltaicos doacutende la insolacioacuten es a
menudo insuficiente para proporcionar generacioacuten de gases durante
el funcionamiento normal La estratificacioacuten se produce cuando capas
menos densas de electrolito se depositan sobre capas maacutes densas
situadas en el fondo de los vasos lo que produce una reduccioacuten de
152
capacidad Esto puede corregirse con la agitacioacuten que se produce
durante el proceso de gasificacioacuten Por consiguiente el proceso de
regulacioacuten de carga debe disentildearse para promover la generacioacuten de
gases a intervalos regulares Esto puede lograrse elevando el voltaje
de control de carga durante un periacuteodo y restablecieacutendolo una vez
que se ha producido la generacioacuten de gases
138 Administracioacuten de la Temperatura en las Bateriacuteas
Limites de temperatura de operacioacuten
Todas las bateriacuteas dependen para su funcionamiento de un proceso electroquiacutemico
ya sea en carga o descarga y sabemos que estas reacciones quiacutemicas son en alguna
manera dependientes de la temperatura La capacidad nominal de una bateriacutea se
especifica usualmente en alguacuten punto dentro del rango de trabajo entre +20ordmC hasta
+30ordmC (+68ordmF ~ +86ordmF) sin embargo la capacidad real puede desviarse
substancialmente del valor nominal si la bateriacutea es forzada a trabajar a mayores o
menores temperaturas (Figura 18) La Ley de Arrhenius dice que la velocidad a la
cual una reaccioacuten quiacutemica se produce incrementa exponencialmente seguacuten la
temperatura aumenta Esto permite que se extraiga mayor potencia de la bateriacutea en
un instante a mayores temperaturas que la de trabajo Al mismo tiempo las mayores
temperaturas aumentan la movilidad de los electrones o iones reduciendo asiacute la
impedancia interna de la celda por consiguiente aumentando su capacidad Sin
embargo en el extremo superior de la escala las altas temperaturas pueden
tambieacuten iniciar reacciones quiacutemicas no deseadas o irreversibles yo peacuterdida de
electrolito lo cual puede causar un dantildeo permanente o falla completa de la bateriacutea
En el extremo inferior de la escala el electrolito se puede congelar fijando un liacutemite
153
para la capacidad a bajas temperaturas Por debajo del punto de congelamiento del
electrolito la capacidad de la bateriacutea comienza a deteriorarse seguacuten la velocidad de
la reaccioacuten quiacutemica se reduce Auacuten cuando una bateriacutea esteacute especificada para
trabajar bajo los -20ordmC oacute -30ordmC la capacidad a 0ordmC y por debajo de este punto de
disminuye considerablemente Debemos tomar en cuenta que el liacutemite inferior de
temperatura de trabajo de una bateriacutea puede depender de su estado de carga Un
sistema real puede por lo tanto necesitar ambos calentamiento y enfriamiento
ambiental forzado para mantenerlo no soacutelo dentro de los rangos liacutemite de trabajo
especificado por el fabricante sino dentro de un rango maacutes limitado para alcanzar
desempentildeo oacuteptimo
FIGURA 18 CAPACIDAD DE CARGA DE BATERIAS PLOMO ndash ACIDO A
DIFERENTES TEMPERATURAS
Efectos teacutermicos externos
154
Efectos teacutermicos externos La condicioacuten teacutermica de la bateriacutea es tambieacuten dependiente
de su ambiente Si su temperatura estaacute sobre la temperatura ambiente perderaacute calor
por efecto de la conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten Si la temperatura ambiente es
mayor la bateriacutea absorberaacute calor de sus alrededores
Cuando la temperatura ambiente es muy alta el sistema de manejo de la
temperatura debe trabajar muy duro para mantener la temperatura bajo control Una
sola celda puede trabajar muy bien a la temperatura ambiente de una sala por siacute
sola pero si es parte de un paquete de bateriacuteas rodeada de celdas similares todas
generando calor auacuten si la carga es la misma para todas podriacutea exceder sus liacutemites
de temperatura
FIGURA 19 REACCION EXOTERMICA
155
CAPITULO 2
2 DESCRIPCIOacuteN DEL PROBLEMA
Las unidades navales de la Armada del Ecuador dentro de los escenarios
en tiempo de paz y conflicto una de sus principales funciones es de
mantener los equipos y sistemas operativos como parte fundamental en
la operatividad como parte de estas funciones la Direccioacuten de
Mantenimiento de la institucioacuten es la encargada de realizar el cambio de
las bateriacuteas del Escuadroacuten de submarinos de que son las encargadas
suministrar energiacutea eleacutectrica a todo el submarino
156
Se adquiere una remesa de 960 bateriacuteas nuevas para eacutel los submarinos
a la empresa alemana Hawker GMBH ya que es necesario se efectuacutee la
remocioacuten de las bateriacuteas por cuanto su tiempo de vida uacutetil fue alcanzado
en el antildeo 2006 estos equipos vienen realizados sus pruebas de control
de calidad pero no vienen eleacutectricamente cargadas por lo que se
requiere realizar la operacioacuten de activacioacuten en tierra antes de ser puestas
en los submarinos
Para esto se requiere construir un sistema que permita la carga de 120
bateriacuteas a la vez Como se analizoacute en el Capitulo 1 existen tres
paraacutemetros que se debe controlar en el momento de carga o activacioacuten
de estos elementos que son
Voltaje
Corriente
Temperatura
El paraacutemetro de voltaje es necesario conocerlo para saber cuando las
celdas necesitan recargarse o cuando una de las celdas esta averiada y
tomar las acciones necesarias para continuar con el procedimiento de
activacioacuten de los elementos
157
El paraacutemetro de la corriente es necesario conocerlo para saber queacute
cantidad de energiacutea eleacutectrica estaacute entregando o recibiendo las celdas y
de esta manera conocer los amperios ndash hora que estaacute recibiendo las
celdas
El paraacutemetro de temperatura es criacutetico y es el paraacutemetro que esta tesis
estaacute encargada de controlar en este proceso de activacioacuten ya que se
desprende hidrogeno y sabiendo que el hidrogeno es un gas inflamable y
que al combinarse con el oxigeno en un determinado porcentaje es
detonante por este motivo se debe tener estricto control en la
temperatura de las celdas y de la concentracioacuten de hidrogeno en el aacuterea
de activacioacuten
El resultado de los efectos termo-eleacutectricos y termo-quiacutemicos posiblemente aumentados por las
condiciones ambientales es generalmente un aumento en la temperatura y como se dijo
anteriormente esto provocaraacute un incremento exponencial en la velocidad a la cual la reaccioacuten
quiacutemica se da Tambieacuten sabemos que si el aumento de temperatura es excesivo muchas cosas
desagradables pueden suceder
Los quiacutemicos activos se expanden causando que la celda se
ldquohincherdquo
Distorsiones mecaacutenicas en los componentes de la celda pueden
provocar corto circuitos o circuitos abiertos
158
Pueden darse reacciones quiacutemicas irreversibles las cuales
causaraacuten una reduccioacuten permanente en los quiacutemicos activos y por
lo tanto en la capacidad de la celda
Operacioacuten prolongada a altas temperaturas puede causar roturas
en partes plaacutesticas de la celda
Se expeleraacuten muchos gases de la celda debido a lo cual aumenta
la presioacuten dentro de esta lo que puede llevar eventualmente a una
ruptura o explosioacuten de la misma
Se podriacutean liberar quiacutemicos toacutexicos o inflamables
21 Requerimientos para el Proceso de Enfriamiento de las
Bateriacuteas de los Submarinos
Las bateriacuteas son colocadas en un cuarto de activacioacuten designado por la Armada del
Ecuador este cuarto debe ser adecuado para colocar 240 bateriacuteas colocadas sobre
plataformas de carga 4 unidades por plataforma en fila cada bateriacutea debe ser enfriada
de acuerdo a los paraacutemetros especificados por el fabricante
159
FIGURA 21 TRABAJOS PRELIMINARES
El enfriamiento de los elementos de la bateriacutea se consigue haciendo pasar el agua
destilada a traveacutes de los polos negativos y positivos que son huecos pasando desde
aquiacute a traveacutes de tuberiacuteas de salida hacia la tuberiacutea principal
Salida de agua
destilada caliente
Ingreso de agua
destilada friacutea
Salida de agua
destilada caliente
160
FIGURA 22 ESQUEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIA POR MEDIO DE AGUA
DESTILADA
22 Condiciones Teacutecnicas para la Activacioacuten de las Bateriacuteas de
Los Submarinos
Por lo que debe cumplirse con los programas de carga y descarga
siendo la temperatura un paraacutemetro a controlar principalmente en
el periodo de carga
Carga 10 h 590 A 5900 A-h
40 h 435 A 17400 A-h
Ingreso de agua
destilada friacutea
161
4 h Pausa
18 h 200 A 3600 A-h
Descarga 16 h 564 A
Carga aprox 31 h Carga Factor carga 125
27 Cargar 2h 200 A1h pausa
Descarga 20 h 564 A
Carga aprox 36 h Cargar IUI
TABLA 21 PROGRAMA DE CARGA ELECTRICA PARA LA ACTIVACION DE LAS
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
23 Alternativas de Solucioacuten
Los procesos de enfriamiento del agua se cuentan entre los maacutes antiguos que haya
desarrollado el hombre Por lo comuacuten el agua se enfriacutea exponiendo la superficie al aire
Algunos de estos procesos son lentos como el enfriamiento del agua en la superficie
de un estanque otros son comparativamente raacutepidos por ejemplo el rociado de agua
hacia el aire todos estos procesos implican la exposicioacuten de la superficie del agua al
aire en diferentes grados
Al enfriar agua es importante tener en cuenta consideraciones que mejoraran al modo
de enfriamiento del agua y que pueden significar un mayor rendimiento en el proceso
industrial Por esta razoacuten los meacutetodos de enfriamiento pueden ser mejorados en base a
estudios preliminares que cumplen con las normas existentes
162
El agua en estado puro no existe y dependiendo de la fuente de donde provenga
contiene un sin nuacutemero de impurezas a continuacioacuten enlistaremos solo las que nos
afectan en el tratamiento interno de los sistemas de enfriamiento
Constituyente Formula Quiacutemica
Dificultad de causa
Dureza Sales de Ca y Mg Fuente principal de incrustaciones en tuberiacuteas
Acidez mineral H2SO4
Libre HCl Corrosioacuten
Dioacutexido de carbono CO2 Corrosioacuten en las liacuteneas de agua
Sulfatos
SO4
Aumenta el contenido de soacutelidos en el agua Se combina con calcio para formar sales incrustantes de sulfato de calcio
Cloruros
Cl como NaCl
Aumento el contenido de soacutelidos e incrementa el caraacutecter corrosivo del agua
Siacutelice
SiO2
Incrustacioacuten en sistemas de agua de enfriamiento
Hierro Fe +2 ferroso
Fe +3 feacuterrico
Fuente de depoacutesitos en las tuberiacuteas
Oxigeno O2 Oxidacioacuten en tuberiacuteas
Sulfuro de hidrogeno H2S Corrosioacuten
Soacutelidos disueltos Elevadas concentraciones de soacutelidos son indeseables debido a que originan formacioacuten de lodos
Soacutelidos suspendidos Originan depoacutesitos en equipos intercambiadores de calor y tuberiacuteas ocasionan formacioacuten de lodos o incrustaciones
Microorganismos Algas limo y hongos
Formacioacuten de adherencia suciedad bioloacutegica corrosioacuten olores desagradables
TABLA 22 IMPUREZAS MAS COMUNES EN EL AGUA QUE AFECTAN LOS
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
De acuerdo a las especificaciones indicadas anteriormente
principalmente se requiere remocioacuten de calor de las bateriacuteas
163
mientras estas se encuentran en el proceso de activacioacuten en tierra
para la cual se plantea algunas alternativas de varios sistemas de
enfriamiento para posteriormente escoger la maacutes oacuteptima
231 Sistema de enfriamiento directo
Las instalaciones donde se van a colocar las bateriacuteas para ser
activadas estaacuten cerca del estero para lo cual se analizaran
ventajas y desventajas de utilizar este sistema
E-1
Agua de mar
Cuarto de
activacion de
baterias
FIGURA 23 ESQUEMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
DIRECTO
Ventajas
Se tiene agua permanente y en gran cantidad tomada desde
el estero
164
No se requiere instalaciones hidraacuteulicas complicadas
Desventajas
El agua que debe ingresar al sistema de enfriamiento de las
bateriacuteas debe ser esteacuteril pero el agua del estero contiene
cantidades apreciables de sales disueltas lo que implica el
que se tendriacutea que pensar en una planta de tratamiento de
agua
El agua caliente que sale como producto de la remocioacuten de
calor retorna al estero se presenta el problema de
contaminacioacuten teacutermica que puede ser tan grave como
cualquier otra forma de contaminacioacuten ya que el agua tibia
estimula el crecimiento anormal de algas que en cierto modo
consume el oxigeno de uso animal
232 Sistema de enfriamiento para Bateriacuteas de Submarino
utilizando Intercambiadores Enfriados por Aire
Consiste en una serie de tubos situados en una corriente de
aire que puede ser forzada con ayuda de un ventilador
Ventajas
Los tubos suelen tener aletas para aumentar el aacuterea de
transferencia de calor
165
Pueden ser de hasta 12 m de largo y 25 a 5 m de ancho
Un intercambiador de aire tiene una diferencia de
temperatura de unos 12 oC
Desventajas
En un intercambiador de calor enfriado por aire hay que
considerar gastos de enfriamiento del agua es
relativamente caro
E-1
Cuarto de activacion de
baterias
E-2
FIGURA 24 ESQUEMA DE SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
UTILIZANDO INTERCAMBIADORES ENFRIADOS POR AIRE
233 Sistema de Enfriamiento de Bateriacuteas de Submarino
Utilizando Chiller
Un Chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea
para el enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor
generado en un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que
el proceso finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su
temperatura y el agua durante el paso por el proceso la eleva
El agua ahora caliente retorna al chiller donde nuevamente se reduce su
temperatura para ser enviada nuevamente al proceso
166
Ventajas
El chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten
Alimentacioacuten al sistema con diferentes caudales y presiones y temperaturas
de agua
Alto rango de enfriamiento inclusive temperaturas de congelacioacuten con
adicioacuten de anticongelantes
Desventajas
Mantenimiento costoso ya que incluye un compresor un condensador
evaporador vaacutelvula de expansioacuten refrigerante y tuberiacuteas
Consumo de energiacutea
CHILLER
ENFRIADOR DE AGUA
DESTILADA
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
FIGURA 25 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIAS PARA
SUBMARINO UTILIZANDO UN CHILLER
234 Sistema de Enfriamiento Utilizando Intercambiador de
Calor y Torre de Enfriamiento
167
Ventajas
Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para
enfriar un fluido que esta maacutes caliente de lo deseado
transfiriendo este calor a otro fluido que esta frio y
necesita ser calentado
La transferencia de calor se realiza a traveacutes de una
pared metaacutelica o de un tubo que separa ambos fluidos
Las torres para enfriamiento de agua son dispositivos
cuya finalidad es extraer calor del agua a traveacutes del
contacto directo con el aire
Las torres tienen muacuteltiples aplicaciones desde
pequentildeas instalaciones de aire acondicionado hasta en
grandes complejos de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
Se puede decir que su uso estaacute justificado en sistemas
que utilizan agua como medio refrigerante donde sea
necesario disipar grandes cantidades de calor a bajo
costo y el salto de temperatura requerido sea del orden
de 10degC
La Armada del Ecuador proporcionara el banco de
tubos de un Intercambiador de Calor en desuso
Desventajas
Sistema ocupa mayor espacio fiacutesico
168
Tiempo de montaje relativamente largo
Sistemas sujetos a mayor corrosioacuten
Alcanza diferenciales de temperatura bajos en relacioacuten
a los otros sistemas
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
INTERCAMBIADOR
DE CALOR
AGUA DE TORRE CALIENTE (SALE
DEL INTERCAMBIADOR)
AGUA DESTILADA
CALIENTE SALE DE
BANCO DE BATERIAS
AGUA FRIA DE
TORRE ENTRA AL
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA FRIA
SALE DE
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA A
TEMPERATURA
ADECUADA (FRIA)
ENTRA A LAS BATERIAS
FIGURA 26 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO UTILIZANDO
INTERCAMBIADOR DE CALOR Y TORRE DE
ENFRIAMIENTO
24 Seleccioacuten de la Mejor Alternativa para el Sistema de
Enfriamiento de las Bateriacuteas
169
Para la seleccioacuten del sistema de enfriamiento para las bateriacuteas
de los submarinos se utilizaraacute una matriz de decisioacuten de
acuerdo a los paraacutemetros descritos anteriormente tomando en
cuenta las ventajas y las desventajas de cada sistema se ha
tomado en cuenta para esta operacioacuten los paraacutemetros maacutes
significativos en el proceso de la solucioacuten del problema
asignando a cada uno un porcentaje de acuerdo a la
importancia que este brinda para escoger la solucioacuten
Para ingresar a la matriz a las alternativas se les reconoceraacute
con sus iniciales
Sistema de enfriamiento directo SED
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador
enfriado por aire
SEIEA
Sistema de enfriamiento utilizando chiller SECh
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador de
calor y Torre de enfriamiento
SEICTE
170
Paraacutemetros
1 Costos de los sistemas de enfriamiento 3
2 Mantenimiento de equipos 4
3 Cumple con especificaciones y requerimientos de la
propuesta 2
4 Facilidad para adquisicioacuten de equipos 3
5 Durabilidad del sistema 1
1 2 3 4 5 Total
3 4 2 3 1
SED 25 2 0 15 05 65
SEIEA 15 10 10 10 05 50
SECh 05 10 10 10 10 45
SEICTE 15 15 15 15 10 70
TABLA 23 MATRIZ DE DECISION
De acuerdo a la matriz de decisioacuten planteada la solucioacuten maacutes
adecuada es la propuesta del sistema de enfriamiento con
intercambiador de calor y torre de enfriamiento
Existen varias torres de enfriamiento que se podriacutean adaptar al
sistema a continuacioacuten se mencionaran cada una de estas para
seleccionarla de por medio de otra matriz de decisioacuten
171
25 Torres de Enfriamiento y su Clasificacioacuten
251 Torres de circulacioacuten natural
Estas no hacen uso de ventiladores para la circulacioacuten de aire se clasifican en
torres atmosfeacutericas
torres de tiro natural
Torres atmosfeacutericas
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Utilizan las corrientes de aire de la atmoacutesfera (son de flujo cruzado)
2 Son abiertas
3 Deben instalarse en lugares muy despejados de forma que ninguacuten obstaacuteculo
pueda impedir la libre circulacioacuten de aire a traveacutes de la torre
4 Tienen un costo inicial alto debido a su gran tamantildeo pero el costo de
mantenimiento es reducido al no existir partes mecaacutenicas moacuteviles
5 Se debe garantizar que funcionaraacute habitualmente expuesta a vientos de
velocidades iguales o superiores a los 8 kmh
6 Si la velocidad promedio del viento es baja los costos fijos y de bombeo
aumentan mucho en relacioacuten a una torre de tiro mecaacutenico y no compensan el
ahorro del costo de ventilacioacuten Actualmente las torres atmosfeacutericas estaacuten en
desuso
172
Torres de tiro natural
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno
2 La diferencia de densidades entre el aire huacutemedo caliente y el aire atmosfeacuterico
es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a traveacutes de la torre
3 La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el
viento que circula por la parte superior de la chimenea tambieacuten ayuda a
establecer el flujo de aire
4 Son altas y deben tener una seccioacuten transversal grande para facilitar el
movimiento del aire ascendente
5 Tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes
caudales de agua
6 Al igual que las torres atmosfeacutericas no tienen partes mecaacutenicas
7 La velocidad media del aire a traveacutes de la torre suele estar comprendida entre 1
y 2 ms
8 No es posible conseguir un valor de acercamiento pequentildeo y es muy difiacutecil
controlar exactamente la temperatura del agua
9 En las torres de tiro -natural no se pueden utilizar rellenos de gran compacidad
debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo maacutes pequentildea posible
10 Estas torres son muy utilizadas en centrales teacutermicas muy pocas veces son
aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversioacuten inicial necesaria
252 Torres de tiro mecaacutenico
1 Proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado
2 Son torres compactas con una seccioacuten transversal y una altura de bombeo
pequentildeas en comparacioacuten con las torres de tiro natural
3 Valores de acercamiento muy pequentildeos (hasta de 1 a 2 ordmC aunque en la
praacutectica acostumbra a ser de 3 a 4 ordmC)
4 Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire el tiro es forzado
173
5 Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire se habla de tiro
inducido
Torres de tiro forzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre
2 Son casi siempre de flujo a contracorriente
3 Son maacutes eficientes que las torres de tiro inducido puesto
que la presioacuten dinaacutemica convertida a estaacutetica realiza un
trabajo uacutetil El aire que se mueve es aire friacuteo de mayor
densidad que en el caso de tiro inducido
4 El ventilador trabaja con aire friacuteo y no saturado
5 El equipo mecaacutenico tendraacute una duracioacuten mayor que en el caso de tiro inducido
6 El inconveniente radica en la posibilidad de recirculacioacuten del
aire de salida hacia la zona de baja presioacuten creada por el
ventilador en la entrada de aire En la siguiente figura se
puede observar la distribucioacuten de sus partes constituyentes
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
174
Flujo de aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 27 TORRE DE ENFRIAMIENTO DE TIRO FORZADO
Torres de tiro inducido
Estas torres son de gran importancia a nivel industrial son solucioacuten econoacutemica
a los requerimientos de enfriamiento pueden ser de dos tipos
De flujo a contracorriente
De flujo cruzado
Torres de tiro inducido y flujo a contracorriente
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Tanto el agua como el aire van en la misma direccioacuten pero en
sentidos opuestos
2 El agua maacutes friacutea se pone en contacto con el aire maacutes seco
lograacutendose un maacuteximo rendimiento
3 El aire puede entrar a traveacutes de una o maacutes paredes de la torre
4 Altura de entrada de aire reducida en comparacioacuten con las de tiro
inducido y flujo cruzado Existe el riesgo de arrastre de suciedad y
cuerpos extrantildeos dentro de la torre debido a la velocidad de
entrada de aire
5 La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se
traduce en un aumento de la potencia de ventilacioacuten en
comparacioacuten con otras torres En la siguiente figura se observa la
distribucioacuten de las partes constituyentes de este tipo de torre
175
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Ducto de salida de aire
Ventilador
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
Bandeja colectora de agua friacutea
Agua friacutea
Acceso de aire friacuteo no saturado
FIGURA 28 TORRE DE FLUJO A CONTRACORRIENTE Y TIRO
INDUCIDO
Torres de tiro inducido y flujo cruzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
176
1 El aire circula en direccioacuten perpendicular respecto al
agua que desciende
2 Tienen una altura menor que las torres de flujo a
contracorriente ya que la altura total de la torre es
praacutecticamente igual a la del relleno Pero su
diaacutemetro o seccioacuten transversal es relativamente
mayor a las de tiro inducido y flujo a contracorriente
3 El mantenimiento de estas torres es menos
complicado que en el caso de las torres a
contracorriente
4 Facilidad de inspeccioacuten de los distintos
componentes internos de la torre
5 La principal desventaja de estas torres es que no
son recomendables para aquellos casos en los que
se requiera un gran salto teacutermico y un valor de
acercamiento pequentildeo puesto que ello significaraacute
maacutes superficie transversal y maacutes potencia de
ventilacioacuten que en el caso de una torre de flujo a
contracorriente
En la siguiente figura se observan sus partes
177
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Depoacutesito
surtidor de agua caliente
Aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 29 TORRE DE FLUJO CRUZADO Y TIRO INDUCIDO
253 Especificacioacuten del Tipo de Torre de Enfriamiento a Usarse
Para seleccionar el tipo de torre de enfriamiento adecuado empleo una matriz de
decisioacuten en la que en la primera fila pondero al costo inicial costo de operacioacuten
tamantildeo compacto facilidad de mantenimiento y sobre todo al espacio requerido
para el montaje como las caracteriacutesticas requeridas para solucionar el problema
Las alternativas de solucioacuten son las 5 clases de torre de enfriamiento a las que
asigno una jerarquiacutea del 1 al 10 en funcioacuten de las caracteriacutesticas dadas en la
anterior clasificacioacuten de las torres de enfriamiento
De la sumatoria de los valores resultantes de la multiplicacioacuten de ponderacioacuten y
jerarquiacutea de cada tipo de torre se elegiraacute al tipo que posea mayor resultado
178
TABLA 25 MATRIZ DE DECISION PARA SELECCIONAR EL TIPO DE TORRE
Es evidente que la mejor opcioacuten es el tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico
y flujo a contracorriente Esto debido a que comparativamente tiene menor tamantildeo
y aacuterea de montaje requerido aunque no posea los menores costos iniciales y de
operacioacuten tal es el caso del tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico forzado
Esta es relativamente maacutes difiacutecil de limpiar y realizar su montaje razoacuten por la que
se descarta
179
CAPITULO 3
3 ANALISIS TEacuteRMICO
31 Descripcioacuten del Sistema
A partir de la figura 26 implica algunos anaacutelisis para el disentildeo del sistema de enfriamiento y es asiacute
que
Las bateriacuteas como se indico en los requerimientos del sistema van a ser cargadas 120 a la vez esto se
lo va a realizar en el galpoacuten asignado por el personal encargado del proyecto por parte de la Armada
del Ecuador
En este sitio tiene capacidad para almacenar 240 bateriacuteas como se vio en los requerimientos
eleacutectricos las bateriacuteas tienen periodos de tiempo de carga y descarga por lo que se requiere realizar
primeramente un disentildeo de un sistema que permita enfriar primeramente a 120 bateriacuteas por un tiempo
y en el periodo de descarga llevar a cargar las 120 bateriacuteas que se encuentran a continuacioacuten
180
FIGURA 31 DISPOCISION DE LAS BATERIAS EN EL CUARTO DE ACTIVACION
Para ello se disentildeo un sistema moacutevil que consta de parrillas suspendidas en ruedas en esta parrilla se
colocara las tuberiacuteas de circulacioacuten de agua destilada friacutea y saldraacute de las bateriacuteas agua destilada
caliente se indica esta disposicioacuten en el Plano 1 la parte del disentildeo de la estructura moacutevil no seraacute
parte de esta tesis
FI
GURA 32 DISPOSICION DE TUBERIA
FIGURA 33 SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO
181
FIGURA 34 DISPOSICION DE BATERIAS EN CUARTO DE ACTIVACION CON SISTEMA DE
DESPLAZAMIENTO
FIGURA 35 SISTEMA MOVIL PARA LLEVAR FLUIDO DE ENFRIAMIENTO A LAS BATERIAS
CONSTRUIDO
182
Una vez que se ha descrito el sistema el cual va a llevar el agua destilada para el enfriamiento de las
bateriacuteas se tiene que describir el sistema de enfriamiento en si del agua destilada para ello la Armada
del Ecuador doto de un intercambiador de calor que por el interior circulara agua destilada caliente para
que por su exterior circule agua friacutea proveniente de la torre de enfriamiento cerrando de esta manera el
circuito cabe notar que el intercambiador de calor es del tipo tubo coraza pero el intercambiador
adquirido no posee su coraza
Antes de hacer el disentildeo se hizo un anaacutelisis de la factibilidad de construir este sistema en nuestro
medio se consulto en el mercado el costo de una torre de enfriamiento adquirida en una empresa
importadora de estos equipos frente al anaacutelisis de una torre que se pueda construir en ERMARLO SA
resultando maacutes conveniente la construccioacuten de la torre y el acondicionamiento en el sistema de
enfriamiento este anaacutelisis se demostrara en el capiacutetulo de costos
32 Datos de Operacioacuten
A) FLUJO
1) Agua destilada
15 m3h
2) Agua de mar
15 m3h
B) PRESION
1) Agua destilada
25 kgcm2
2) Agua de mar
de la torre
C) TEMPERATURA DE
ENTRADA
183
1) Agua destilada
38 0C
2) Agua de mar
28 0C
D) TEMPERATURA DE
SALIDA
1) Agua destilada
3310C
2) Agua de mar
329 0C
E) DATOS DEL AIRE
1) Temperatura de bulbo seco
322 0C
2) Temperatura de bulbo
huacutemedo 788
33 Consideraciones del
Sistema
El sistema se instalara en un
patio al aire libre
El intercambiador de calor
debe permitir facilidades de limpieza y mantenimiento
El agua a usarse para la
torre seraacute agua potable
184
La velocidad del viento en Guayaquil es variable asiacute que el disentildeo de la torre no debe
depender de la velocidad del viento
El intercambiador de calor
dotado por parte de la Armada del Ecuador del tipo de haz de tubos y coraza este
dispositivo no posee la coraza
Para lo cual el
intercambiador de calor se analizara sumergiendo eacutel en la piscina de la torre de
enfriamiento esta disposicioacuten arrancara calor de los tubos del intercambiador para por el
meacutetodo de conduccioacuten teacutermica pasar calor al agua de la torre y hacerla circular
El agua destilada y el agua
de la torre no deben mezclarse
FIGURA 36 DISENO DE FORMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
185
34 Seleccioacuten del
Intercambiador de Calor
Un intercambiador de calor es un dispositivo que efectuacutea la transferencia de calor de un fluido a otro
que se encuentran a diferentes temperaturas y separados por una frontera solida
En forma muy general se pueden clasificar los intercambiadores de calor de acuerdo al tipo de
superficie
FIGURA 36 INTERCAMBIADOR DE HAZ DE TUBOS
186
En la primera etapa se toman en cuenta consideraciones referidas al tipo de intercambio de calor que
se produce En la segunda etapa se obtienen las propiedades de los fluidos en funcioacuten de las variables
conocidas y se calcula el coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A En la tercera etapa se elige
un intercambiador adecuado para este servicio teniendo en cuenta el coeficiente global U el aacuterea de
intercambio A y las caracteriacutesticas de los fluidos y de las corrientes En la cuarta se vuelve a calcular el
coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A Si no coinciden con el intercambiador previamente
elegido se vuelve al paso tres Si coinciden se da por terminado el proceso [2]
341 Meacutetodo F ndash LMTD para Seleccionar el Intercambiador de Calor
El balance de energiacutea da como resultado
[Energiacutea perdida por el flujo caliente]= [Energiacutea ganada por el flujo friacuteo]
O bien
mh ch(Thi ndash Th0) =mc cc(Tci ndash Tc0) Ec1
Donde
m h Flujo maacutesico del fluido caliente
c h Calor especiacutefico del fluido caliente
Thi Temperatura de entrada del fluido caliente
T h0 Temperatura de salida del fluido caliente
m c Flujo maacutesico del fluido friacuteo
c c Calor especiacutefico del fluido friacuteo
T c i Temperatura de entrada del fluido friacuteo
T c0 Temperatura de salida del fluido friacuteo
El producto (mc) aparece con frecuencia en el anaacutelisis de intercambiadores de calor y
es denominado Capacidad caloriacutefica C
C (mc)
Existen dos metodologiacuteas de anaacutelisis teacutermico de intercambiadores de calor
187
1 Meacutetodo F-LMTD
2 Meacutetodo - NTU
A continuacioacuten se presentara el anaacutelisis F-LMTD para la seleccioacuten del intercambiador de
calor
FIGURA 37 DISTRIBUCION DE TEMPERATURAS EN UN INTERCAMBIADOR DE
DOBLE TUBO EN TUBO PARALELO[1]
Se propone calcular el flujo de calor mediante
Ec 2
Donde
q Flujo de calor [W]
U Coeficiente global de transferencia de calor [Wm2K]
A Aacuterea de transferencia de calor consistente con U
Diferencia de temperatura media
188
En la figura 37 se muestra la historia de las temperaturas de los fluidos friacuteos y calientes
de este modo un balance de energiacutea nos da como resultado
Ec 3
Incorporando la capacidad caloriacutefica y arreglando la ecuacioacuten tenemos
= Ec4
Ec5
Restando ambas ecuaciones
Ec6
Sustituyendo la expresioacuten de calor expresada por
Ec7
Se obtiene la siguiente ecuacioacuten diferencial
Ec8
Integrando la ecuacioacuten anterior entre el punto 1 y el 2 se obtiene
Ec9
Si
Ec10
Ec 11
De manera que sustituyendo las ecuaciones anteriores en la ecuacioacuten previamente
integrada S
189
Ec12
Que al despejar de la ecuacioacuten anterior q se tiene
Ec13
De la uacuteltima ecuacioacuten se reconoce
Donde LMTD son las siglas en ingles de Logarithm Mean Temperature Difference
(Diferencia de temperatura logariacutetmica media)
Esta ecuacioacuten se aplica la misma expresioacuten para LMTD tanto en flujo paralelo como en
contra corriente[1]
Asignacioacuten de flujos
Las reglas aplicables para determinar que fluido va por el casco y cual por los tubos son
1- El fluido a mayor presioacuten va en los tubos
2- El fluido maacutes corrosivo va en los tubos
3- Los fluidos maacutes sucios van en los tubos
4- El fluido con menor peacuterdida de presioacuten va en el casco
5- El fluido a condensar en el casco
Diagramas Teacutermicos
Un diagrama teacutermico es la representacioacuten de la temperatura de las corrientes en funcioacuten
del calor transferido o de la longitud Si existe cruce de temperaturas seraacute necesario
utilizar varios intercambiadores en serie
Diferencia de temperatura media corregida
La diferencia media de temperaturas MTD en un intercambiador de calor de tubo coraza
es la diferencia media logariacutetmica de temperaturas multiplicada por un factor F
MTD = F LMTD Ec 14
De la ecuacioacuten 13 tenemos que
190
= Ec15
Siendo T temperatura de fluido caliente t temperatura de fluido frio
1 entrada 2 salida
El factor F se obtiene de las graficas que se daraacuten en el apeacutendice 1 Un valor de F lt 08
no es admisible por disentildeo hay que calcular P y R seguacuten las condiciones
Ec 16
Ec17
SELECCIOacuteN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Se tiene que obtener primeramente el calor removido por el intercambiador de calor para
lo cual se utilizara la ec1
q=mhch∆T Ec 11
Ch=1BTUlb 0F
∆T=88 0F
mh=Qρ Ec 12
donde
Q=15 m3h = 5297 ft
3h
ρ=6199 lbft3 Para 100
oF (ver anexo 1)
Sustituyendo en la ec12
mh=5297 ft3h6199 lbft
3 = 32836103 lbh
por lo tanto sustituyendo valores en la ec 12
q=27182539 BTUh
q=796599 W
191
Con los datos suministrados se seleccionara el intercambiador de calor adecuado
Thi = 1004
T h0 = 9158
m c = 15 h = 6605 GPM
T c i = 824
T c0 = 912
q = 27182539 BTUh
U = 150 BTUpie2
obtenido de la tabla 31
TABLA 31 ESCALA DE PRESION Y VALOR U PARA TIPOS DE
INTERCAMBIADORES DE CALOR[16]
De la Ec 2 obtenemos el aacuterea de transferencia del intercambiador
Ec 18
192
MTD = LMTD F diferencia de temperaturas medias corregidas
LMTD = 918 este valor es obtenido de la Ec 15
Para encontrar el factor de correccioacuten F utilizamos el Apeacutendice C Ingresando los valores
P y R dadas en las ecuaciones 16 y 17 obtenemos
P = 055
R = 117
F = 09
Por lo tanto
MTD = 918 09 = 82
Por la Ec 18 el aacuterea de transferencia de calor es
A = 2209 pie2 = 2052 m
2
Para calcular el nuacutemero de tubos del intercambiador tubo coraza se plantea la siguiente
ecuacioacuten
Ec 19
ardquo es un factor obtenido para el tubo frac34 obtenido del Apeacutendice E y es 0193 piepie2
por
el aacuterea de disponibilidad donde se construiraacute el sistema tiene una longitud de 8 pie
Por lo tanto el nuacutemero de tubos requeridos para el intercambiador de calor es
Nt = 14072 tubos de frac34rdquo
193
TABLA 32 AREA TRANSVERSAL DE FLUJO Y SUPERFICIE PARA
INTERCAMBIADORES DE CALOR [16]
35 Uso de Software para
Seleccioacuten de Intercambiador de Calor
En este punto se pretende realizar un anaacutelisis comparativo de los resultados obtenidos
mediante el meacutetodo analiacutetico frente al uso de un software mediante el cual se
seleccionara el intercambiador de calor requerido para el sistema de enfriamiento que se
trata
El software que se utilizara es el ESP ndash PLUS V 20 HEAT EXCAHANGER este software
daraacute como resultados el tipo de intercambiador de calor que existe comercialmente
FIGURA 38 VENTANA DE INICIO DEL PROGRAMA
194
FIGURA 38 VENTANA DE SELECCIOacuteN DE TIPO DE INTERCAMBIADOR A UTILIZARSE Y LOS
TIPOS DE FLUIDOS
195
FIGURA 39 VENTANA INGRESO DE DATOS TANTO PARA INTERCAMBIADOR COMO PARA EL
FLUIDO CIRCUNDANTE DA COMO RESULTADO LA TAZA DE FLUJO EN GPM
196
FIGURA 310 SE INTRODUCE LOS DATOS DE MATERIALES DEL INTERCAMBIADOR DE
CALOR
197
FIGURA 311 VENTADA EN LA QUE SE INTRODUCE DATOS DE LONGITUD DEL
INTERCAMBIADOR PRESION INTERNA EN LOS TUBOS Y FACTOR DE FRICCION DENTRO DE
LOS TUBOS
198
FIGURA 312 VENTANA RESULTADOS EN LA PRESION DE DISENO MATERIAL DE TAPAS
DEL INTERCAMBIADOR MATERIAL DE LOS TUBOS Y TUBERIA DE INGRESO AL MATERIAL
199
FIGURA 313 VENTANA DE RESULTADOS
200
FIGURA 314 VENTANA DE RESULTADOS
De acuerdo a este software el intercambiador que se va a seleccionar es el WU16 7 ndash 2 4 que es la
denominacioacuten comercial del constructor ITT Bell amp Gosset creador de este software
La denominacioacuten WU 16 7 ndash 2 4 cada letra y nuacutemero tiene su significado teacutecnico que a continuacioacuten se
detalla
WU Serie de intercambiador de calor
16 Diaacutemetro de la coraza del intercambiador en unidades inglesas
7 Longitud de tubo
2 Numero de pasos del intercambiador de calor
201
4 Espaciamiento de bafles
Al realizar el anaacutelisis comparativo con los meacutetodos de seleccioacuten se tiene que por el meacutetodo analiacutetico se
tiene un aacuterea de 221 ft2 frente al software que nos arroja un aacuterea de 274 ft
2 este valor diferencia
notoriamente a que la seleccioacuten del factor U en el meacutetodo analiacutetico se lo selecciono 150 BTUpie2
el
software utiliza y factor de 137 BTUpie2
notando este paraacutemetro relativamente la diferencia de aacuterea
de los dos anaacutelisis serian casi indiferentes con lo que estariacuteamos en capacidad de decidir si el
intercambiador dotado por la Armada Nacional esta dentro de los paraacutemetros requeridos dado que este
consta de 160 tubos en disposicioacuten triangular dando un aacuterea de transferencia de calor de 24707 ft2
certificando de esta manera que el intercambiador que se posee entra en el rango requerido para el
sistema por lo tanto se lo utilizara para el proceso requerido de enfriamiento del fluido caliente extraiacutedo
del banco de bateriacuteas que estaacuten en el proceso de activacioacuten
FIGURA 315 DISPOSICIONES DEL HAZ DE TUBOS [9]
Los resultados obtenidos del software se presentaran en el Anexo 3
36 Disentildeo de la Torre de
Enfriamiento
El proceso de termotransferencia que se produce en una torre para
enfriamiento de agua cualquiera fuese su tipo es el resultado de la
202
interaccioacuten entre el medio gaseoso refrigerante (aire) y el fluido a
enfriar (agua)
En las torres el agua se encuentra en contacto directo con el aire que
la enfriacutea y el proceso de transferencia de calor se realiza en parte por
intercambio de calor sensible entre la fase liacutequida y la gaseosa pero
en mayor medida por la formacioacuten de vapor de agua en la interfase
liacutequidogas y su posterior difusioacuten en el aire que la circunda
El proceso de transferencia de masa entre el liacutequido y el aire estaacute
iacutentimamente conectado con el de transferencia de calor En efecto
con el cambio de fase desde liacutequido a vapor se absorbe calor lo cual
da lugar a gradientes de temperatura en el aire adyacente a la
superficie liacutequida En muchos casos praacutecticos las condiciones en
que se desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse
que la difusividad teacutermica y el coeficiente de difusioacuten maacutesico son
iguales
203
FIGURA 316 IDEALIZACION DEL FENOMENO DE
TRANSFERENCIA [10]
361 Fundamento del Enfriamiento por Evaporacioacuten
El principio fundamental en que se basa el enfriamiento del
agua por evaporacioacuten es en el que el agua para transformarse
en vapor necesita calor (calor latente de vaporizacioacuten) cuyo
valor el alrededor de 1000 BTU lb de agua evaporada valor
que pone en manifiesto que pequentildeas cantidades de agua
evaporada producen altos efectos de enfriamiento
Este calor es tomado principalmente del liacutequido remanente lo
que produce un descenso de su temperatura
La evaporacioacuten se produce poniendo en contacto directo agua
caliente con aire atmosfeacuterico ambiente de humedad relativa
204
baja en dispositivos especiales que variacutean en complejidad
desde piscinas o lagunas abiertas hasta las torres de
enfriamiento de tiro mecaacutenico
Cuando se requiere enfriar raacutepidamente y continuamente
grandes cantidades de agua las torres de enfriamiento son las
teacutecnicas maacutes ventajosas y su funcioacuten principal es la de reducir
la temperatura del agua circulante a los valores maacutes
adecuados seguacuten el tipo de operacioacuten que tenga
Baacutesicamente el funcionamiento de una torre de enfriamiento
convencional es el siguiente
El agua caliente llega por tuberiacuteas a un distribuidor situado en la
parte superior de la unidad a una temperatura Tho luego es
distribuida en forma de pequentildeas gotas a traveacutes de una
instalacioacuten compleja de material de relleno de diferentes tipos y
calidades variando desde madera incorruptible materiales de
fribrocemento PVC ceraacutemica etc los cuales son ubicados en
forma de mallas o enrejados que dispersan la corriente
descendente del liquido y de esta forma obtener una aacuterea
maacutexima de transferencia con el aire atmosfeacuterico el cual entra
por parte inferior de la torre con una temperatura Tci de bulbo
205
seco y una humedad absoluta Yrsquo1 expresada en lb de vapor de
agua lb de aire seco
362 Caacutelculos
Datos para realizar el caacutelculo de la torre de enfriamiento
Flujo a ser enfriado L
66 GPM
Calor removido por el
intercambiador q 27182539 BTUh
Temperatura que
sale del intercambiador de calor para entrar en la torre tL2
9120 0F
Temperatura del
agua requerida luego del enfriamiento en la torre de
enfriamiento tL1 8240 0F
Temperatura de
bulbo huacutemedo tbh 7880 0F
Temperatura de
bulbo seco del aire que entra tG1 7900 0F
Temperatura del
agua de la tuberiacutea de alimentacioacuten a la torre de enfriamiento
tm 8500 0F
206
Con los datos suministrados se desea obtener los siguientes valores
a Valor teoacuterico del coeficiente total de transferencia de masa Kya
b Calculo de la seccioacuten transversal de la torre A
c Calculo del flujo de aire que circula por la torre Gs
d Calculo de la zona empaquetada Z
e Calculo de agua de compensacioacuten M
Para realizar el disentildeo de la torre de enfriamiento se debe seguir
ciertos pasos que daraacuten la pauta para disentildear una torre de
enfriamiento para cualquier necesidad o requerimiento
1 Capacidad de la
Torre de Enfriamiento
q=27182539 BTUh
Este es el calor que remueve el intercambiador de calor y que
es transmitido al agua de la torre
La capacidad de la torre se mide en Toneladas de
Refrigeracioacuten TR que es una unidad de potencia
207
Es asiacute que se tiene las siguientes relaciones para poder saber
en teacuterminos de TR la capacidad de disentildeo para la torre de
enfriamiento
1TR=3517 W = 3024 Kcalh = 3024 Frigh Ec 20
De donde
27182539 BTUh 1 TR12000 BTUh = capacidad de la torre
Capacidad de la torre = 2262 TR
Flujo especifico Lrsquo
L es flujo de agua y Lrsquo es el flujo especifico de agua que se en
encuentra en la figura 318 este valor se encuentra en
funcioacuten del rango de enfriamiento del agua (Tho ndash Thi) y la
temperatura de bulbo huacutemedo Tbh
FIGURA 317 FLUJO ESPECIFICO Lrsquo [7]
208
El valor de flujo especifico de agua que nos da la figura 317
es Lrsquo=20 galmin ft2
L= 66 GPM
Datos para las condiciones de disentildeo de la torre de
enfriamiento
E-1
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
AIREAGUA
q=27182539 BTUh
L=33000 lbh
tL2=9120 FHrsquo2=
Yrsquo2=
tL1=8240 F
Gs=
tG1=79 F
Tw1=788 F
Yrsquo1=002
Hrsquo1=
tM=85 F
M(lbh)
FIGURA 318 DIAGRAMA DEL SISTEMA PARA EL
DISENtildeO
209
Anaacutelisis de la curva de equilibrio
La teoriacutea del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento es la
que desarrolloacute el Dr Merkel Se basa en la diferencia del potencial de entalpiacutea
entonces se supone que cada partiacutecula de agua estaacute rodeada por una peliacutecula de
aire y que la diferencia de entalpiacutea entre la misma y el aire circundante
proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento
A continuacioacuten se ilustran las relaciones del agua aire y el potencial impulsor que
existe en una torre de contra flujo
FIGURA 319 RELACIONES DE AGUA Y AIRE DE UNA TORRE A
CONTRA FLUJO [25]
De la figura anterior la operacioacuten del agua estaacute representada por la liacutenea AB y se
especifica por medio de las temperaturas del agua de la torre en la entrada y
salida La liacutenea de operacioacuten del aire inicia en C verticalmente por debajo de B y
en un punto que tiene una entalpiacutea correspondiente a la temperatura de entrada
de bulbo huacutemedo La liacutenea BC representa la fuerza impulsora inicial (hrsquo- h) El
aire que sale de la torre se representa por medio del punto D y la gama de
210
enfriamiento es la longitud proyectada de la liacutenea CD sobre la escala de
temperaturas
Resumiendo la teoriacutea del Dr Merkel como se observa en la figura 319
considera el flujo de masa y energiacutea del agua a la interfase y de la interfase a la
masa gaseosa Cuando el flujo cruza estas dos fronteras cada una ofrece una
resistencia a la transferencia de materia y energiacutea que resulta en gradientes de
temperatura entalpiacutea y de humedades
El Dr Merkel demostroacute que
Q = KS(hw - ha) Ec21
S = aV Ec22
Donde
Q Calor total transferido en Btuh oacute kJh
K Coeficiente total de transferencia en lbh pie2 oacute kgh m
2
S Aacuterea de transferencia en pie2 oacute m
2 caracteriacutestica fiacutesica
a Aacuterea de transferencia equivalente por unidad de volumen 1pie oacute 1m
V Volumen efectivo de la torre pie3 oacute m
3
hw Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura del agua Btulb oacute kJkg
ha Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura de bulbo huacutemedo Btulb oacute kJkg
Existen paraacutemetros citados en la Ec21 que no son constantes tanto entalpiacuteas
como temperaturas cambian a lo largo de la torre luego derivaacutendola
dQ = d[KS(hw-ha)] = K(hw-ha)dS Ec23
Para la transferencia de calor del lado del agua
Q = CwL(thw ndash tcw) Ec24
dQ = CwLdtw Ec25
211
donde
Cw Calor especiacutefico del agua kJ(kg ordmK) BTUlb F
L Flujo maacutesico del agua que ingresa a la torre kgs lbh
tw Temperatura del agua en contacto con el relleno ordmK 0F
thw Temperatura del agua caliente que ingresa a la torre ordmK 0F
tcw Temperatura del agua friacutea que sale de la torre ordmK 0F
Para la transferencia de calor del lado del aire
Q = G(hoa ndash hia) Ec26
dQ = Gdha Ec27
Donde
G Flujo maacutesico del aire que ingresa a la torre lbh oacute kgs
hia Entalpiacutea de mezcla gaseosa que ingresa a la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
hoa Entalpiacutea de mezcla gaseosa que sale de la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
Haciendo uso de las ecuaciones 23 25 y 27 se puede obtener el calor total por
medio de las siguientes ecuaciones
K(hw-ha)dS = CwLdtw Ec28
K(hw-ha)dS = Gdha Ec29
Que se puede rescribir de la siguiente manera
aw
a
hh
dhGdSK
Ec30
aw
ww
hh
dtC
L
dSK
Ec31
Integrando las Ecuaciones 30 y 31 se tiene
hoa
hia aw hh
dh
L
G
L
KaV
L
KS Ec32
212
thw
tcw aw
ww
hh
dtC
L
KaV
L
KS Ec33
ldquoAl teacutermino KaVL se lo denomina la caracteriacutestica de la torrerdquo
La curva caracteriacutestica es utilizada para determinar el buen funcionamiento de la
torre KaVL es una medida del grado de dificultad para los requerimientos de
enfriamiento del liquido Esta curva tambieacuten puede llamarse ldquoCurva de
Requerimientos de Disentildeordquo puesto que es una medida del grado de dificultad para
alcanzar los requerimientos de disentildeo
2 Calculo de la
humedad absoluta Yrsquo1y entalpia del aire entrando Hrsquo1
para la temperatura tbh
De la carta psicomeacutetrica que se encuentra en el Apeacutendice H
se puede construir la siguiente tabla mostrada en la tabla 33
esta tabla nos indica valores de entalpias y humedades para
mezclas de aire ndash agua a 147 lbplg2
Interpolando se obtiene valores para
Yrsquo1=0022 lb de vapor de agualb de aire seco
De las relaciones psicomeacutetricas para el sistema aire ndash agua
se obtiene que
Hrsquo1= (024+045Yrsquo1)(tG1 - 32) + 10758 Yrsquo1 Ec 34
213
Hrsquo1= 249 BTUlb de aire seco
Con los datos de las temperaturas entalpias encontradas se
puede construir el diagrama de operacioacuten para esta torre de
enfriamiento representada en la figura 320 con los valores
de entalpia de la mezcla aire ndash vapor de agua como
ordenadas y los valores de temperatura como abscisas aquiacute
se representa la curva de entalpia para el aire saturado dado
en la carta psicomeacutetrica H la cual es construida con los datos
de la tabla ubicada en el Apeacutendice H
Para obtener la liacutenea de operacioacuten sobre este diagrama se
ubica el punto N que representa las condiciones de entrada
de la torre esto es tL1=8240 0F y Hrsquo1= 249 BTUlb de aire
seco
La liacutenea de operacioacuten pasara por el punto N y terminara en
alguacuten punto sobre la ordenada trazada por el punto
tL2 = 91200F Para el miacutenimo valor de Gs la liacutenea de
operacioacuten tendraacute la mayor pendiente y tocara
tangencialmente a la curva de equilibrio por lo tanto pasara a
traveacutes del punto Orsquo en donde Hrsquo2= 52 BTU por lb de aire seco
214
Seguacuten lo anterior la pendiente de la liacutenea OrsquoN seraacute por lo
tanto
L CGs min = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1 Ec35
=
Gs min = 1071586 lb de aire seco h
Para que la torre no sea muy alta se considera 15 veces Gs
min
Gs real = 15 1071586 lb de aire seco h
Gs real = 1607380 lb de aire seco h
Una vez determinado el valor Gs real se puede hallar el valor
de la relacioacuten de flujos liacutequido ndash aire
L Gs real = 33000 lbh 1607380 lbh
L Gs real = 205
Como ya se tiene el valor de la pendiente de la liacutenea de
operacioacuten LG que se va a utilizar para el disentildeo faltariacutea
determinar el valor de la ordenada del punto de interseccioacuten
entre la liacutenea de operacioacuten y la vertical trazada por el punto
tL2=912 0F
215
Calculo de la entalpia del aire que sale Hrsquo2
De la ec22 tenemos que
L CGs real = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1
Despejando el valor Hrsquo2 se tiene
Hrsquo2 = (L CGs real (t L2 ndash t L1)) + Hrsquo1
Hrsquo2 = 4294 BTUlb de aire seco
Con los valores obtenidos se puede representar el punto O y
finalmente la liacutenea de operacioacuten seraacute la liacutenea ON
representada en la figura 320
216
FIGURA 320 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE
ENFRIAMIENTO DEL AGUA
3 Calculo de la altura de la
zona empaquetada Z
Utilizando el teacutermino KaVL que nos representa la ldquoCurva de Requerimientos de
Disentildeordquo dado en al ec 33 se procede a calcular la altura de la zona empaquetada
=
Para determinar el valor del integral de la ecuacioacuten propuesta
el cual puede ser calculado por tres formas
a Analiacuteticamente si se conoce la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo
b Integracioacuten grafica
c Integracioacuten numeacuterica
Como se tiene la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo dado en la figura 320 se
usara el meacutetodo de integracioacuten numeacuterica a intervalos de 2 0F
t H Hrsquo H ndash Hrsquo (H ndash Hrsquo)2 At(H ndashHrsquo)2
80 251 185 66
82 272 2217 503 58 034
84 323 2703 527 515 038
217
86 375 3109 641 584 034
88 415 3480 67 655 030
90 487 4120 75 710 028
92 542 4480 94 845 023
= 187
TABLA 33 VALORES DE ENTALPIA
= 187
El valor de kya se obtiene de la tabla 34 interpolando entre
los valores de L 500 ndash 1000 y G 250 por lo tanto tenemos un
Kya=347
Lrsquo=2GPM =`1000 lb de aguah ft2
Por lo tanto el valor de Z es
Z = 538 ft = 163 m
218
TABLA 34 CARACTERISTICAS DE HUMIDIFICACION [4]
4 Calculo de la
Cantidad de Agua de Compensacioacuten M
Realizando un balance de entalpias de acuerdo a la figura
318 se tiene
q + M Cw (tM ndash t0) = Gs (Hrsquo2 ndash Hrsquo1) Ec336
donde
q = 27182539 BTUh
Cw = 1 BTUlb 0F
tM = 85 0F
t0 = 32 0F
Hrsquo2 = 4294 BTU lb de aire seco
219
Hrsquo1 = 2490 BTUlb de aire seco
Reemplazando valores se tiene
27182539 + M (53) = Gs (1804)
De donde
M = Gs(1804) - 27182539 53 Ec 336-1
Haciendo un balance de liquido de acuerdo a la figura 318 se
tiene
M = Gs(Yrsquo2 ndash Yrsquo1) Ec337
Yrsquo2 no es conocido para determinarlo es necesario asumir
que el aire que sale de la torre estaacute saturado y su humedad
Yrsquo2 deberaacute ser la del aire saturado para Hrsquo2 = 4294 BTU lb
de aire seco
Entrando a la curva psicomeacutetrica dada en el Apeacutendice H se
tiene que
Yrsquo2 = 0024 lb de vapor de agualb de aire seco
M = Gs(0024 ndash 002) = 0004 Gs
Sustituyendo la ec 337 en la ec 336 ndash 1 se tiene que
0004 Gs 53 = Gs(1804) - 27182539
1804 Gs ndash 0004 Gs = 27182539
Gs = 1507126 lb de aireh
Reemplazando en la ec 337 el valor Gs
220
M = 6028 lb de aguah = 274 lth
CAPITULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS
CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
41 Partes Componentes de las Torres de Enfriamiento
Ya se ha definido que el mejor disentildeo para el sistema de enfriamiento
requerido de acuerdo a los paraacutemetros de evaluacioacuten es una Torre de
Enfriamiento de Tiro Inducido Flujo en Contracorriente
Este tipo de elementos ademaacutes del cuerpo vertical consta de los
siguientes elementos
Empaquetaduras sistemas de distribucioacuten deposito de coleccioacuten
eliminadores de arrastre ventilador motor y estructura
221
Empaquetaduras
Su funcioacuten es generar una mayor aacuterea de contacto entre el aire y el
agua como sea posible con una miacutenima presioacuten de aire
Existe variedad de empaquetaduras que van desde soacutelidos muy
faacuteciles de adquirir como piedras botellas rotas trozos de porcelana
hasta formas geomeacutetricas complejas y de alto costo econoacutemico
Sistemas de Distribucioacuten
Tiene como funcioacuten principal distribuir el agua caliente en la parte alta
de la torre se recomienda atomizarla para facilitar el contacto con el
aire
La importancia de adecuado sistema de distribucioacuten sobre las
empaquetaduras de una torre es indispensable para una buena
eficiencia en el enfriamiento
Depoacutesito de Coleccioacuten
Se trata de un recipiente donde es colectada el agua friacutea que sale de
la torre
Su construccioacuten deberaacute ser tal que elimine el peligro de que la bomba
absorba aire cuando opera con un miacutenimo de agua y accesible para
remover la suciedad acumulada en el fondo
222
Estructura
Es el soporte de la torre de enfriamiento
Su forma y solidez dependen de las caracteriacutesticas de disentildeo de la
torre que tiene que ser con normas especificas que dependen de su
capacidad de enfriamiento
Ventilador
Tiene como objetivo mantener el flujo constante de aire atreves de la
torre Para la torre seleccionada este aditamento se encontrara en la
parte superior
Motor
Es el que impulsara el ventilador La transmisioacuten se efectuara en
forma directa
Los elementos anteriores forman parte de la construccioacuten interna de la
torre de enfriamiento
Sin embargo existen otros componentes externos a la torre que juntos
constituyen el sistema de enfriamiento deseado Estos son
Bomba de Agua
223
Es el equipo que adicionara energiacutea al agua para hacerla re circular a
traveacutes de todo el sistema
Su capacidad dependeraacute del sistema de operacioacuten en el que va a
utilizar
Tuberiacuteas y Vaacutelvulas
Son los conductos ndash reguladores por los cuales fluiraacute el agua
El material de la tuberiacutea y los tipos especiacuteficos de vaacutelvulas estaraacuten
sujetos al aspecto teacutecnico econoacutemico y esteacutetico del sistema en
cuestioacuten
224
FIGURA 41 DISENO DE FORMA DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTO
42 Determinacioacuten de la Seccioacuten Transversal de la Torre de
Enfriamiento
Datos
Densidad del agua ρL 6222 lbft3 = 1010 Kgm3
Densidad del aire ρa 0077 lbft3 = 125 Kgm3
Relacioacuten de flujos LG 205
Flujo de aire Greal 446 lbs = 2027 Kgs
Tensioacuten superficial del agua σ 2 dinacm
Factor liquido - vapor FLV
Caacutelculos
Una aproximacioacuten para estimar las velocidades maacuteximas permisibles
ha sido presentada por Fair la cual se basa en datos obtenidos con
platos perforados y otros tipos de contactores de etapas finitas y toma
en cuenta el efecto de la tensioacuten superficial del liquido en la columna
la razoacuten de flujo de liquido a flujo de gas las densidades del aire y el
liquido y dimensiones y arreglo del contactor En este meacutetodo la
225
ecuacioacuten baacutesica para velocidad del vapor maacutexima permisible
equivalente a la Ec (41) es
Ec 41
donde
Vrsquom = velocidad de vapor maacutexima permisible basada en aacuterea neta
para el flujo de vapor la cual usualmente es el aacuterea de seccioacuten
transversal activa en fts
Krsquov = constante empiacuterica fts
σ = tensioacuten superficial del liquido en la torre dinascm
Krsquov
226
FIGURA 41 VALORES DE Kv EN FUNCION DEL
ESPACIADO
] Ec42
Sustituyendo valores en la ec 42 se tiene que
FLV = 0090
Se asume un espaciado entre platos de 740 plg = 188 mm
A partir de la fig 41 Kv = 017 fts
De la ec 41
Vrsquom = 3047 fts
Velocidad maacutesica del vapor Gm
Gm = Vrsquom ρa = (3047)(0077) = 023 lbs pie2 Ec43
227
Aacuterea de seccioacuten transversal de la torre A
A = Greal Gm Ec 44
Sustituyendo valores en la ec 44 se tiene que el aacuterea de la seccioacuten
transversal de la torre de enfriamiento es
A = 192 ft2
A = 8ft 24ft = 2430 mm 731 mm
43 Seleccioacuten de la Columna de Contacto de la Torre de Enfriamiento
En esta seccioacuten se tratara de decidir el tipo de columna a utilizar ya
sea de bandejas perforadas o de relleno en funcioacuten de las
caracteriacutesticas de la operacioacuten deseada y de los componentes en
contacto en este caso liquido - aire tomando para la decisioacuten algunos
aspectos
La seleccioacuten entre una columna de bandejas perforadas o una de
relleno depende de conceptos econoacutemicos Sin embargo en un estudio
228
preliminar podemos basar su seleccioacuten en las siguientes ventajas e
inconvenientes de cada una de ellas
1- La eficiencia de una torre de relleno se basa en datos
experimentales para cada tipo de relleno La eficiencia variacutea no solo
por el tipo y tamantildeo del relleno sino tambieacuten por las propiedades del
fluido caudales diaacutemetro de columna etc
2- Si el flujo de liacutequido es pequentildeo comparado con el del aire es
preferible utilizar columnas de platos pues necesitan menores
factores de seguridad en el disentildeo por causa de la dispersioacuten del
liacutequido
3- Las columnas de bandejas perforadas pueden manejar un rango
maacutes amplio de caudales sin inundacioacuten
4- Si los liacutequidos tienen soacutelidos en suspensioacuten se prefieren torres de
bandejas perforadas por la facilidad de limpieza
5- Si se necesita enfriamiento intermedio de la columna es preferible
que sean de bandejas perforadas por la facilidad de la instalacioacuten
del sistema de enfriamiento
6- El peso total de una columna de bandejas perforadas es menor que
en una de relleno si estaacuten vaciacuteas en cambio llenas tienen un peso
similar
229
7- La informacioacuten de disentildeo de una columna de bandejas perforadas
es maacutes accesible que en una de relleno
8- Si hay grandes cambios de temperatura son preferibles las
columnas de bandejas perforadas pues el incremento de
temperatura puede romper el relleno
10-Las columnas de rellenos son maacutes faacuteciles de construir y mas
baratas si se trabaja con fluidos corrosivos
11-Si se tiene liacutequidos con gran tendencia a formar espuma se deben
utilizar torres empaquetadas
12-El almacenamiento de liacutequido en la columna es muy inferior para
las torres de relleno
13-Las torres de relleno tienen menos peacuterdida de carga que las
bandejas perforadas y el relleno previene contra el colapso por lo
que se utilizan en operaciones a vaciacuteo
Por lo expuesto anteriormente se utilizara en el disentildeo de la
empaquetadura de la torre de enfriamiento el sistema de bandejas
perforadas
230
FIGURA 42 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE UNA BANDEJA
PERFORADA
431 Altura de la las Paredes de la Bandeja
La altura de la bandeja determina el volumen de liacutequido sobre la
bandeja y es un importante factor para determinar la eficiencia de
la bandeja con orificios Una mayor altura incrementaraacute la
eficiencia de la bandeja pero a expensas de un alta caiacuteda de
presioacuten en la bandeja Para columnas operando alrededor de la
presioacuten atmosfeacuterica la altura de las paredes de la bandeja variacutea
entre 40 a 90 mm (15 a 35 pulg) [7]
Para el disentildeo de estos elementos se tomara una altura de 90
mm para obtener una buena eficiencia de la bandeja ya que el
231
volumen de agua colocada en la bandeja por mayor tiempo
tendraacute mayor tiempo de contacto con el aire
Aacuterea Perforada
El aacuterea disponible para perforacioacuten se deduciraacute por la obstruccioacuten
causada por las partes estructurales (tales como soportes anillos
y vigas) y por el uso de zonas libres Las zonas libres son
espacios no perforados de la bandeja en los lados de salida y
entrada El ancho de cada zona es usualmente la misma valores
recomendados son
Ancho de la columna Ancho de la zona sin perforar
lt 15 m 75 mm
gt15 m 100 mm
TABLA 41 DIMENSIONES DE ZONA SIN PERFORAR [17]
De acuerdo a la tabla 41 se tomara una franja sin perforar de 75m
Dimensiones de las perforaciones
Los platos perforados tienen perforaciones de 25 mm a 12 mm
(18 a 12 pulg) de diaacutemetro siendo el tamantildeo comuacuten de 5 mm
(316 pulg) las perforaciones se hacen siguiendo un arreglo
232
triangular o cuadrado con una distancia entre centros entre 2 a 5
veces el diaacutemetro de las perforaciones (el oacuteptimo es 38) [17]
Se toma el valor recomendado del agujero de 316rdquo por lo tanto el
espaciamiento entre centros de los agujeros seria
D= 90 mm
Se escogeraacute un arreglo triangular para los orificios
De acuerdo al aacuterea de la seccioacuten transversal de la torre 2430
mm731 mm y la disposicioacuten del disentildeo de forma se tiene unas
dimensiones en las bandejas de
Bandeja = 2000 mm 731 mm
Al dejar una franja por los cuatro lados sin perforar de 75 mm
FIGURA 43 DISPOSICION DE AGUJEROS EN LAS
BANDEJAS
Por lo planteado en el capiacutetulo 3 se obtuvo que la altura de la zona
empaquetada es de
Z = 538 ft = 2044 mm
233
Para hallar el aacuterea de la seccioacuten transversal en el inciso 42 de
este capiacutetulo se asumioacute un espaciamiento entre bandejas de
e = 740 plg = 188 mm
Por lo tanto se necesitariacutea 5 bandejas perforadas en la disposicioacuten
dada en el disentildeo de forma de la fig 41
Para calcular el nuacutemero de agujeros en la bandeja se recurre a la
ecuacioacuten siguiente
Nh = 4Ahπd2h
Nh = 112 orificios en la bandeja
Espesor de las Bandejas
Se considera un espesor del material para la bandeja de 14 mm
Se considerara la presioacuten que ejerceriacutea el agua asumiendo la
bandeja llena al 100 la carga que ejerce el agua en el volumen
de la bandeja es de 42453 N
Se utilizara el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad
234
Anaacutelisis de Resistencia mediante el Meacutetodo de Elementos
Finitos
ANSYS en INVENTOR 10 analiza concentradores de esfuerzos
mecaacutenicas de fracturas bajo cargas estaacuteticas y dinaacutemicas asiacute
como frecuencias naturales y estabilidad El programa ofrece
distintos materiales a seleccionar para el anaacutelisis con
asunciones sobre su comportamiento Lineal (la tensioacuten es
directamente proporcional a la presioacuten) Constante (la
temperatura de todas las propiedades es independiente)
Homogeacutenea (las propiedades no cambian en todo el volumen de
la pieza) Isotroacutepica (las propiedades de los materiales son
ideacutenticas en todas las direcciones) El factor de seguridad se
calcula utilizando el equivalente maacuteximo de la teoriacutea de falla de
tensioacuten para materiales duacutectiles A continuacioacuten se muestran los
informes de los anaacutelisis practicados a las bandejas perforadas
las figuras indican en su parte superior izquierda la escala
colorida con sus respectivos valores de Tensioacuten Equivalente y
Factores de seguridad mayores a 13 Aceptables [19]
235
TABLA 42 INFORME DE RESULTADOS DEL
ANALISIS DE LA BANDEJA PERFORADA
INFORME DE ANALISIS DE BANDEJA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935 Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 934e-4 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 8688 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
236
FIGURA 44 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 45 DEFORMACION
FIGURA 46 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 2 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
237
Disentildeo del Depoacutesito de Coleccioacuten de la Torre de Enfriamiento
Para determinar las dimensiones del depoacutesito de coleccioacuten de agua
para la torre de enfriamiento se debe conocer el tiempo que demora
el agua en circular a traveacutes del sistema
Se asume que el ciclo demora un minuto y se parte del dato que el
depoacutesito deberiacutea tener una capacidad mayor a la cantidad de agua
que debe fluir por el sistema en un minuto y asi evitar que esta se
quede sin liquido ademaacutes el mismo colector debe soportar el peso de
la torre con sus accesorios
Entonces el problema consiste en seleccionar dimensiones para la
piscina que provean mayor economiacutea y aseguren un buen
funcionamiento Por lo general se establece el aacuterea transversal del
depoacutesito un poco mas grande que el aacuterea transversal de la torre de
enfriamiento que permita el montaje de la tuberiacutea de succioacuten o alguacuten
otro accesorio necesario
Para el disentildeo de la piscina se basara en el coacutedigo ASME para
recipientes a presioacuten seccioacuten Div 1 para tanques rectangulares que
trabajan bajo presioacuten atmosfeacuterica [15]
Notacioacuten
238
α Factor que depende del largo y ancho del tanque HL fig47
E Modulo de elasticidad 30000000 psi para aceros al carbono
G Gravedad especifica del liacutequido Agua=1
I Momento de Inercia plg4
l Maacutexima distancia entre soportes plg
L Largo del tanque plg
R Reaccioacuten con subiacutendices indicando el lugar de aplicacioacuten lbplg
S Esfuerzo del material
t Espesor requerido de la plancha plg
w Carga por unidad de longitud lbplg
FIGURA 47 VALORES DE α
Seleccioacuten del espesor de plancha
239
Ec 45
El espesor se incrementara con el factor de corrosioacuten para este
caso se le aumentara 00645 plg o 163 mm
FIGURA 48 DIMENSIONES DEL DEPOSITO DE COLECCIOacuteN DE
AGUA
L=8 ft
H=2 ft
B=4 ft
Relacioacuten HL = 025
De la figura 47 se obtiene el valor α = 00010
S=23200 lbplg2 para el acero estructural A ndash 36
G=1 para el agua
Sustituyendo valores en la ec 45 se tiene un espesor de
plancha
240
t=000109 plg
A este valor se le suma el factor de corrosioacuten 00626 plg
Por lo tanto
t=0063 plg o t=161mm se utilizara plancha de 2mm de
espesor
Carga en las paredes del depoacutesito
FIGURA 49 CARGAS HIDROSTATICAS
Ec 46
Sustituyendo valores se tiene que
w=162 lbplg
R1=03w Ec 47
R1=03162=486
R2=07w Ec 48
241
R2=07162=1134
442 Momento de Inercia miacutenimo requerido
Ec 49
Sustituyendo valores
Imin=0003 plg4 = 12486 mm4
443 Distancia entre soportes de la piscina
FIGURA 410 DISTANCIA ENTRE SOPORTES
Ec 410
Si el numero de soportes es 4 entonces = 26 plg = 6604mm
Sustituyendo en la ecuacioacuten 410
t=0141 plg
Despejando el valor de la ecuacioacuten 410 se tiene
242
Sustituyendo valores
Por lo tanto
11968 plg 2583 plg = Numero de soportes = N
N=463 es decir se fiacutesicamente se necesitan 5 soportes con un
espaciamiento de 2583 plg
E=656 mm
El disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de agua se encuentra en el
Plano N 3
Se utilizaraacute el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad del colector sometido a
toda la carga de la torre con su peso propio y la carga de agua
contenida en las bandejas
243
TABLA 43 INFORME DE RESULTADOS DEL
COLECTOR DE AGUA
INFORME DE ANALISIS DEL COLECTOR DE AGUA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1976Kg
Volumen de la pieza 2517+007 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 47950
Elementos 26630
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Fuerza 1481 N
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 5455e-005 MPa 2437 MPa
Deformacioacuten 0 mm 0102 mm
Factor de seguridad 15 NA
244
FIGURA 412 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 413 DEFORMACION
FIGURA 414 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 3 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
245
44 Seleccioacuten del Ventilador
Para la seleccionar el ventilador para la torre de enfriamiento es
necesario conocer los siguientes datos
1 Flujo de aire que circulara por la torre en ft3min
2 La presioacuten estaacutetica o presioacuten de resistencia contra la que debe
operar el ventilador expresada en plg de agua
Flujo de aire que circula por la torre Gs = 16056 lbh
Gs=2676 lbmin
Para determinar los pies cuacutebicos por minuto (pcm) de aire que salen
a traveacutes del extractor se divide las libras de aire seco por minuto
para la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
pcm = Gs (lbmin) densidad de la temperatura de operacioacuten Ec411
Para determinar la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
es necesario calcular la temperatura a la que sale el aire de la torre
Para esto conociendo el valor de la humedad absoluta Yrsquo2 lb de
vapor de agua por lb de aire seco con que sale el aire y asumiendo
que el aire se encuentra cercanamente saturado 95 se puede
246
entrar en la carta psicomeacutetrica Apeacutendice H y determinar dicha
temperatura
Yrsquo2= 0024
Con una temperatura de salida de la torre
T=84 0F
Con este valor dado en la figura se encuentra que la relacioacuten de
densidad del aire (RDA) a 84 0F y a nivel del mar es
RDA= densidad del aire en condiciones estaacutendar densidad del aire en condiciones de operacioacuten
Ec 412
RDA=105
De la ec411
105=0077lbft3 densidad del aire que opera a 84 0F
ρ84 F= 0075 lbft3
De la ec 412 se tiene
pcm=354483 ft3min = 116707 m3h
Con respecto a la caiacuteda de presioacuten estaacutetica contra la que debe
operar el ventilador se vio que en torres de este tipo era
ordinariamente menor que una pulgada de agua por lo tanto
tomando en consideracioacuten la resistencia ofrecida al paso del aire por
247
la zona empaquetada y los separadores de gotas se considera
suficiente utilizar el valor de 05 pulH20 o 127 mmH2O valores que
estaacuten dentro del rango de caiacuteda de presiones para este tipo de
ventiladores
Se ha escogido la curva del fabricante de la marca Ventiladores
Casals y sus caracteriacutesticas se indican en el Apeacutendice K
FIGURA 415 DIAGRAMA PARA SELELCCIONAR MODELO DE
VENTILADOR
Ingresando en el diagrama de la fig 415 con los datos planteados se
selecciona el ventilador modelo 56 T4 1 con las siguientes
caracteriacutesticas
Diaacutemetro = 650 mm
m3h = 12700
Peso = 36 Kg
248
RPM max = 1525
Potencia = 075 Kw
Ruido = 73 db
FIGURA 416 VENTILADOR SELECCIONADO
Con el peso del ventilador se disentildearaacute la campana de extraccioacuten de vapor de
agua se asumiraacute un espesor de 14 mm Se utilizara el programa
computacional INVENTOR 10 para analizar su deformacioacuten y el factor de
seguridad de la campana
249
TABLA 44 INFORME DE RESULTADOS DE LA
CAMPANA DE EXTRACCION
INFORME DE ANALISIS DE LA CAMPANA DE
EXTRACCION
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 9348+-5 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
250
FIGURA 417 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 418 DEFORMACION
FIGURA 419 FACTOR DE SEGURIDAD
251
45 Seleccioacuten de Diaacutemetro de la Tuberiacutea
Los criterios a utilizar para el caacutelculo del diaacutemetro de la tuberiacutea
son
1 Si la energiacutea
necesaria para el movimiento del fluido es gratis utilizar el
diaacutemetro miacutenimo que permita el caudal deseado
2 Si el fluido ha de ser
bombeado hay que calcular el tamantildeo que permita tener los
menores costes anuales (caacutelculo del diaacutemetro econoacutemico)
Velocidades tiacutepicas y caiacutedas de presioacuten permisibles que pueden
utilizarse para estimar el diaacutemetro de la tuberiacutea son
Velocidad (ms) ∆P(kPam)
Liacutequidos bombeados (no viscosos) 1 ndash 3 05
Liacutequidos flujo por gravedad - 0005
Gases y vapores 15 ndash 30 002 presioacuten de liacutenea
Flujos a alta presioacuten 30 - 60
TABLA 45 VELOCIDADES Y CAIDAS DE PRESION
PERMISIBLES [4]
Si se considera la densidad del fluido la velocidad oacuteptima es
252
Densidad del fluido
(Kgm3)
Velocidad del fluido
(ms)
1600 24
800 30
160 49
16 94
016 180
0016 340
TABLA 46 DENSIDAD DEL FLUIDO EN FUNCION DE LA
VELOCIDAD [4]
En la seleccioacuten de las tuberiacuteas se tiene que considerar el caudal
maacuteximo no el nominal (aumentar 20 a 50)
De acuerdo a la tablas 45 y 46 se tiene que
Flujo de agua = 15 m3h
Por lo tanto se escoge una velocidad
V = 2475 ms este valor es interpolado de la tabla 43 para
liacutequidos bombeados
Conocido el caudal y la velocidad se puede encontrar el
diaacutemetro
Q = A V Ec413
253
A = π4 D = QV
Donde D diaacutemetro de la tuberiacutea despejando D se tiene
D = 00508 m o tuberiacutea de 2rdquo
46 Seleccioacuten de la Bomba para la Torre de Enfriamiento
Se tiene los siguientes datos para la torre
Q = 15 m3h
Altura de la torre se la torre 12m
Considerando las tablas del Apeacutendice J del manual del
fabricante Golds Pumps se selecciona la siguiente bomba
Modelo 3196
STX 1x 1 frac12 - 6
Capacidad 70 GPM 3 frac12 ldquo 1 frac12 HP
Frecuencia 60 Hz
254
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
51 Diagrama de Gantt para la Ejecucioacuten del Proyecto
Diagrama de Gantt- Para la planificacioacuten de la construccioacuten montaje se contara con la
ayuda del software Microsoft Project
Que se lo muestra a continuacioacuten
255
FIGURA 51 DIAGRAMA DE GANTT
El diagrama de la figura anterior da los pasos que se siguieron describiendo todo el
proceso que se llevo a cabo en el proyecto utilizando oacuteptimamente el recurso humano
existente y el tiempo requerido para realizarlo
Levantamiento de planos del disentildeo de forma del sistema de enfriamiento- Este
procedimiento se hizo para obtener una referencia del espacio disponible y con ello ver
las posibles soluciones a implementar Este proceso no consta en el diagrama de Gantt
ya que lo hizo previo a la licitacioacuten ya que seria acreedora del contrato la empresa
participante que presente su mejor propuesta y cotizacioacuten sin embargo se tomo 5 diacuteas
para realizar este proceso
511 Preparacioacuten de Documentos Planos de Taller y Movilizacioacuten
Elaboracioacuten de planos de taller- Se procederaacute al disentildeo del sistema mas optimo en
este caso torre de enfriamiento certificacioacuten de intercambiador de calor disentildeo de
estructura moacutevil y de su estructura de soporte a ser ejecutado para la alternativa
seleccionada Asimismo se procederaacute al disentildeo eleacutectrico bajo la responsabilidad
ERMARLO SA Los planos seraacuten sometidos a la aprobacioacuten del departamento
encargado por parte de la Armada del Ecuador para iniciar los trabajos de
construccioacuten de acuerdo al cronograma presentado
256
Ninguacuten data sheet mostrado en la oferta podraacute ser utilizado como base para la
construccioacuten del sistema en mencioacuten por parte de la Armada del Ecuador o terceros si
la obra no se adjudica a ERMARLO SA con amparo a la ley de derechos de autor
Movilizacioacuten- Durante el periacuteodo de elaboracioacuten de planos se procederaacute con la
movilizacioacuten de equipos herramientas material a las instalaciones de la Armada
Nacional del Ecuador ubicada en la Base Sur Se utilizaraacuten bantildeos portaacutetiles con
mantenimiento perioacutedico Ademaacutes la logiacutestica del proyecto seraacute reforzada con el
apoyo de las oficinas e instalaciones de ERMARLO SA Ubicadas en la viacutea a Daule
Parque industrial Inmaconsa
512 Fabricacioacuten en el Taller
El disentildeo suministro de los materiales prefabricacioacuten y pre pintura interior y exterior
de las estructuras seraacuten ejecutados por ERMARLO SA En el taller se construiraacute
Rieles de movilizacioacuten para los soportes que llevaran la tuberiacutea de agua destilada
friacutea y caliente con sus respectivos acoples
Construccioacuten de la Torre de Enfriamiento y sus accesorios
Se ha contemplado la supervisioacuten de un teacutecnico de la Armada Nacional en los talleres
de ERMARLO SA asi mismo la supervisioacuten en campo de un teacutecnico durante la etapa
de montaje Para el efecto se ha considerado cubrir con todos los gastos relacionados
con esta visita salvo los honorarios de este teacutecnico los cuales correraacuten por cuenta de
la institucioacuten contratante
1 Materiales- De conformidad con los planos de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas para la construccioacuten de las rieles de deslizamiento y torre de
257
enfriamiento se selecciona el material a utilizar verificando calidad espesores y
dimensiones generales de laacuteminas y tuberiacuteas
Principalmente para laacuteminas de acero se verifican las marcas estampadas en
cada plancha contra los certificados emitidos por el fabricante de estar todo
conforme se libera el material para fabricacioacuten
2- Fabricacioacuten
21-Corte- Se posiciona la laacutemina seleccionada en la mesa de corte
procediendo al trazo y verificacioacuten conforme a medidas de plano de fabricacioacuten
Se transfieren las marcas originales de la laacutemina a cada parte y pieza a ser
cortada para mantener su identificacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten y en la
torre de enfriamiento terminada Se regulan los flujos de gases y velocidad de
avance de la maacutequina de conformidad con el procedimiento especiacutefico de cada
maacutequina y se procede a cortar el material En esta etapa se define dentro del
proceso de corte el tipo de bisel que se deja en el filo de las planchas para el
posterior proceso de soldadura todos los biseles tienen que estar detallados en
los planos de fabricacioacuten Una vez cortadas las piezas se realiza una limpieza
mecaacutenica de los bordes de la laacutemina especialmente los biseles de soldadura se
inspecciona y libera el material para el siguiente proceso
22-Conformado- Dependiendo de la parte de la torre que esteacute en proceso las
bandejas perforadas se las fabricara con este procedimiento Adicionalmente
todas las partes conformadas seraacuten pre-ensambladas en taller para verificar su
correcto dimensionamiento y agilizar el proceso de ensamble final en campo
23-Soldadura- Se realizaraacute soldadura en faacutebrica par elementos como patas
soportes de la cuba colectora de agua tuberiacuteas de carga y descarga conexiones
para instrumentacioacuten de acuerdo con el requerimiento del cliente Todas las
258
soldaduras de faacutebrica deben estar definidas en los planos de fabricacioacuten
indicando el proceso de soldadura y paraacutemetros generales que seraacuten ejecutados
Todas las soldaduras se realizaraacuten con procedimientos y soldadores calificados
de conformidad con coacutedigo ASME uacuteltima edicioacuten Los principales procesos a ser
utilizados son SAW GMAW SMAW
Toda soldadura deberaacute ser inspeccionada y verificada cumpliendo los
requerimientos del coacutedigo ASME y condiciones particulares del Cliente si
existieran
24-Tratamiento de Superficies- Tanto las laacuteminas de cuerpo como tuberiacuteas
soportes plataformas seraacuten preparadas y recubiertas de acuerdo con las
especificaciones del cliente En taller se realizaraacute aplicaraacute la primera capa de
revestimiento y en campo se completara el sistema luego del montaje
y pruebas del tanque El procedimiento a seguir es el siguiente
Se prepararaacute la superficie utilizando chorro de granalla metaacutelica hasta obtener un
acabado SSPC - SP 10 metal casi blanco con un perfil de anclaje de 2 a 3 mils
que garantice la adherencia y resistencia mecaacutenica del sistema de pintura a
aplicar Se dispone con los equipos y condiciones adecuadas para garantizar una
buena limpieza
La pintura seraacute aplicada conforme las recomendaciones y especificaciones de la
hoja teacutecnica del fabricante de pintura Durante el proceso de aplicacioacuten se
controla y registran los paraacutemetros externos y condiciones de aplicacioacuten como
temperatura ambiente temperatura de la pieza humedad relativa punto de
rociacuteo espesor huacutemedo y espesor seco
25 Factibilidad de construccioacuten- Se quiere resaltar las ventajas de la
fabricacioacuten de la torre de enfriamiento en Ecuador ya que ademaacutes del arancel
que tendraacute que pagarse sobre el tanque importado cuando se trata de proyectos
de intereacutes puacuteblico de acuerdo a la Ley la Armada del Ecuador puede requerir la
259
aprobacioacuten de la importacioacuten de bienes de capital El Ministerio encargado
certificaraacute si hay manufactura local o no para los bienes a ser importados El
producto local debe ser similar al importado debe tener la misma funcioacuten precio
competitivo igual calidad y tiempo de entrega Si los productos locales cumplen
con los estaacutendares de los productos importados deben entonces ser comprados
localmente caso contrario el Ministerio no autorizaraacute su importacioacuten
513 Montaje del Sistema de Enfriamiento
El Supervisor de montaje seraacute responsable de la eficiente
coordinacioacuten del Proyecto la Armada del Ecuador seraacute informado
continuamente de todas las acciones a tomar
ERMARLO SA dispondraacute de todos los equipos y herramientas
necesarios para enfrentar adecuadamente los trabajos
incluyendo gruacuteas compresores generadores soldadoras equipo
para prueba hidrostaacutetica etc
El montaje del sistema de enfriamiento obedece a una secuencia establecida en los
procedimientos y normas aplicables para este tipo de trabajos
En resumen las actividades principales que es necesario cumplir son las siguientes
Revisioacuten de la fundacioacuten de las estructuras deslizantes y la torre de enfriamiento
Antes del montaje del sistema de guiacuteas para la estructura
deslizante y para la torre de enfriamiento se verificaraacuten
260
cuidadosamente la topografiacutea e integridad estructural de las
fundaciones Tambieacuten se comprobaraacute que el terreno esteacute
adecuado para los diferentes movimientos de los equipos de
montaje
FIGURA 53 ALINEACION DE PISO DONDE SE ASENTARA LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Montaje de la estructura de soporte del sistema deslizante
Una vez revisada y aprobada las estructuras donde se va a montar el sistema
deslizante la cual llevara las tuberiacuteas de agua destilada a las bateriacuteas por parte de
ERMARLO SA se procederaacute a la instalacioacuten de cada una de las vigas transversales
donde se delizara el sistema de tuberiacuteas
261
FIGURA 52 SISTEMA DE DESLIZAMIENTO
Soldadura en obra
Las vigas del sistema de deslizamiento la torre y sus estructuras seraacuten soldados por
cualquiera de los procesos SMAW y SAW utilizando los equipos adecuados La
soldadura puede ser manual semi-automaacutetica o automaacutetica de conformidad a lo que
establezca del procedimiento de soldadura correspondiente
Se tendraacute una revisioacuten estricta de las condiciones de los biseles eliminacioacuten de escoria
antes de efectuar el siguiente cordoacuten inspecciones visuales de la soldadura
inspecciones radiograacuteficas de acuerdo al Coacutedigo se es necesario
Las laacuteminas del cuerpo en juntas de tope seraacuten alineadas en su posicioacuten antes de
soldar las mismas
514 Preparacioacuten de Superficie y Pintura en Sitio
262
Con el fin de asegurar la culminacioacuten del proyecto dentro del tiempo especificado asiacute
como para minimizar los dantildeos ambientales y proteger los materiales prefabricados
durante su transporte se ha considerado realizar la preparacioacuten y pre pintura de
superficies exterior e interior de las estructuras en taller
Las capas finales de pintura seraacuten aplicadas en el campo de acuerdo a las
especificaciones establecidas propuestas por ERMARLO SA Las aacutereas de pintura que
deban reparase o terminarse en se las repararaacute en obra
515 Prueba Hidrostaacutetica del Sistema de Tuberiacuteas e Intercambiador de Calor
Una vez instalado y pintado la torre de enfriamiento con el intercambiador de calor
sumergido en la piscina recolectora de la torre se procederaacute a realizar la prueba
hidrostaacutetica y la posterior desinfeccioacuten del mismo de acuerdo a lo especificaciones en
las bases de licitacioacuten entregada por la Armada del Ecuador
516 Bombas de agua
Existen dos bombas a ser montadas veacutease la figura 53 La bomba 1 para el sistema
de agua destilada de circulacioacuten por las bateriacuteas y al intercambiador de calor la bomba
2 figura 54 para la recirculacioacuten del agua en la torre de enfriamiento Las
caracteriacutesticas de todas ellas han sido ya establecidas en capiacutetulos anteriores
263
FIGURA 53 BOMBA PARA AGUA DESTILADA QUE ENTRA EN LAS BATERIA
FIGURA 54 BOMBA DE AGUA PARA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Para el montaje se deben respetar las especificaciones dadas ya sea por las normas
respectivas o seguir recomendaciones teacutecnicas En este caso se haraacute lo posible por
cumplir las recomendaciones dadas[12] Para el caso de la tuberiacutea de succioacuten se da la
figura 55
264
FIGURA 55 TUBERIA DE SUCCION [12]
Otra recomendacioacuten dada radica en que se debe evitar para el transporte el uso de
tuberiacuteas de igual diaacutemetro al de ingreso o salida del agua de la bomba deben ser
las inmediatas superiores Esto se cumple con los caacutelculos solo cuando la bomba
estaacute bien dimensionada pero no en el caso de la bomba 2 debido a que esta se
encuentra sobredimensionada Por ello el diaacutemetro de la tuberiacutea de salida es igual
diaacutemetro de la tuberiacutea de transporte de agua en el ingreso caso igual se usa una
tuberiacutea de 2rdquo
516 Instalacioacuten Eleacutectrica
Se ha contemplado el disentildeo instalacioacuten suministro y pruebas de
un sistema eleacutectrico el mismo que tendraacute los controles y mandos
para activar ventilador de la torre activacioacuten de las bombas de
agua control de ventiladores del cuarto de activacioacuten
265
FIGURA 56TABLERO DE CONTROL ELECTRICO
Toda tuberiacutea eleacutectrica se aseguraraacute con abrazaderas o soportes
de acero a la estructura de la torre o a las paredes por donde
crucen los cables
517 Graficas Representativas del Montaje de la Torre de
Enfriamiento
266
FIGURA 57 INTERCAMBIADOR SUMERGIDO EN COLECTOR
DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
FIGURA 58 BANDEJAS PERFORADAS INSTALADAS EN LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
267
FIGURA 59 TORRE DE ENFRIAMIENTO INSTALADA
52 Lista de materiales y equipos requeridos para el montaje
En las siguientes tablas se listan los materiales y equipos requeridos para el montaje
realizado adicionalmente se indica si se empleoacute algo usado o nuevo asiacute como su cantidad
268
EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
Equipoherramienta Tamantildeoespecificacioacuten Condicioacuten
01 Arco para sierra Estaacutendar de 12rdquo En bodega
02 Broca para acero HSS Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
03 Broca para cemento Percusioacuten Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
04 Broca para cemento Percusioacuten Oslash frac12 rdquo x 6rdquo En bodega
06 Cepillo de acero 6 hileras En bodega
07 Destornillador plano 5 mm x 150 mm En bodega
08 Emulsioacuten lubricante Proporcioacuten 120 En bodega
09 Flexoacutemetro 8 m x 25 mm En bodega
10 Guantes de cuero Par manga corta (10rdquo) En bodega
11 Hoja de sierra 12rdquo x frac12rdquo x 132rdquo Comprada
12 Hoja de sierra 24rdquo x 1frac14rdquo x 116rdquo Comprada
13 Llave mixta ⅜rdquo En bodega
14 Llave mixta 916rdquo En bodega
15 Llave mixta 58rdquo En bodega
16 Llave para tubo Largo 12rdquo abre hasta 2rdquo En bodega
17 Llave para tubo Largo 24rdquo abre hasta 3frac12rdquo En bodega
18 Llave para tubo Largo 36rdquo abre hasta 5rdquo En bodega
19 Nivel Aluminio largo 24rdquo En bodega
20 Pie de amigo De 24rdquo de aacutengulo de frac34rdquo Construido
21 Piola de algodoacuten Rollo de 50 gramos Comprado
22 Prensa para tubo De tornillo para Oslash 4rdquo En bodega
23 Sierra alternativa Para aserrar acero En taller
269
24 Taladro de mano Capacidad frac12rdquo asymp 13 mm En bodega
25 Taco Fisher F10 Comprado
26 Tarraja para tubo Manual para Oslash frac12rdquo a 2rdquo En bodega
27 Tefloacuten Rollo 19mmx15mx02mm Comprado
29 EPP Comprado
30 Material de aporte E6011 E6013 etc Comprado
31 Equipo de oxicorte Acetileno oxigeno manom En bodega
32 extintores Polvo quiacutemico seco En taller
33 tecle 2 Ton En bodega
34 Maq De soldar En bodega
TABLA 51 LISTA DE EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
53 RESUMEN DE COSTOS
ITEM MATERIALES Cantidad unid mater peso V Unitario V Venta
Soportariacutea fija y estructura moacutevil
Correa G 125 x 50 x 15 x 3 6 unid 3324 3291 19745
plancha 4 1 unid 9334 9241 9241
aacutengulo laminado 40 x 3 9 unid 1100 1089 9801
aacutengulo laminado 50 x 4 3 unid 2355 2331 6994
Correa G 80 x 50 x 15 x 3 9 unid 2406 2382 21437
malla electro ARMEX R- 131 (515) 52 mc 100 200 10400
perno expansioacuten 58 x 3 24 unid 012 060 1440
270
Pintura 4 galoacuten 100 1500 6000
ruedas para correas 12 unid 100 2500 30000
aacutengulo laminado 25 x 3 6 unid 706 699 4194
Materiales estructura 119252
Mano de obra estructura 71551
Total estructura 190803
Sistema de tuberiacuteas y accesorios
tubo PVC 2 20 unid 100 1400 28000
accesorio T 2 2 unid 030 240 480
tapoacuten 2 4 unid 020 160 640
unioacuten 2 10 unid 020 160 1600
bushing 2 x 14 4 unid 020 160 640
manguera 2 6 m 100 3500 21000
acople para manguera 2 x 2 4 unid 200 1600 6400
abrazaderas 2 8 unid 100 600 4800
manguera 14 300 m 100 250 75000
abrazadera 14 480 unid 100 030 14400
tubo galvanizado 1 14 7 unid 100 3360 23520
codo pvc 2 4 unid 020 160 640
codo galvanizado 1 14 4 Unid 020 180 720
nudo 2 4 unid 030 240 960
acoples para manguera 14 240 unid 100 24000
Materiales sistema distribucioacuten agua
enfriamiento aire 202800
Mano de obra sistema distribucioacuten agua 81120
271
enfriamiento
Total sistema distribucioacuten 283920
Torre de enfriamiento
tubo cuadrado 80 x 3 4 unid 4521 4476 17903
aacutengulo laminado 50 x 3 8 unid 1430 1416 11326
ventilador axial para torre enfriamiento 1 unid 120000 120000
plancha 3 para deposito de agua torre 2 unid 7040 6970 13939
control nivel de agua torre 1 global 1500 1500
plancha galvanizada para bandejas 8 unid 4224 5914 47309
plancha galvanizada para paredes 8 unid 3285 4599 36792
bomba de circulacioacuten 80 gpm ndash 30 psi 1 unid 120000 120000
arrancador para bomba de circulacioacuten y
ventilador 1 global 32000 32000
difusores y encausadores de torre 1 global 35000 35000
tuberiacutea y vaacutelvulas de control de circulacioacuten 1 global 23500 23500
Material torre 459269
Mano de obra torre 156151
Total torre 615420
EQUIPOS SUMINISTRADOS POR ARMADA DEL ECUADOR
Intercambiador de calor de haz tubular 000
Bomba PN 50 ndash 32 ndash 145 para agua des-ionizada 000
NOTA no se encuentra agregado el valor del IVA
272
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
61 Conclusiones
1 El meacutetodo usado por el texto de Procesos de transferencia de calor de Kern y al
comparar con el programa computacional para la seleccioacuten del intercambiador de calor
son similares concluyendo que el programa funciona correctamente y este caso el
intercambiador disponible cumple con los requerimientos para reducir la temperatura
requerida para el sistema
2 El equipo disentildeado cumple con lo establecido en el anaacutelisis del problema y las
restricciones
3 El meacutetodo de construccioacuten utilizado especialmente los procesos de soldadura garantizan
el buen funcionamiento del equipo
4 Se ha adquirido mas conocimientos sobre las torres de enfriamiento y sobre su valor
caracteriacutestico KaVL A mayor valor mayor dificultad para lograr el enfriamiento deseado
Adicionalmente se ratifico los conocimientos adquiridos
273
5 Se ha utilizado varios sistemas computacionales para comprobar los resultados
adquiridos e implementar estos programas en el trabajo diario dentro del departamento de
proyectos de ERMARLO SA
6 Se ha utilizado tablas normas y coacutedigos de seleccioacuten y disentildeo de esta manera logrando
un meacutetodo de seleccioacuten maacutes raacutepida para la ejecucioacuten de un proyecto
7 El control de calidad dentro del proceso de construccioacuten y montaje es muy importante en
la entrega final del trabajo para la satisfaccioacuten del cliente y realzar el nombre de la
empresa constructora
8 Una gran experiencia de trabajo en equipo tanto con el personal encargado de la
construccioacuten como la interaccioacuten con el personal de la Armada del Ecuador
62 Recomendaciones
1 Cuando se desee realizar la evaluacioacuten de un intercambiador de calor o una torre de
enfriamiento se debe seguir un sin nuacutemero de especificaciones para tenerlas a mano
Personalmente me parecioacute muy buena la guiacutea del texto Procesos de Transferencia de
Calor
2 Se requiere implementar un estudio detallado para el manejo de todos los desechos
generados
3 Se tendriacutea que hacer un plan de mantenimiento para los equipos constitutivos del sistema
de enfriamiento
4 Revisar permanentemente las instalaciones eleacutectricas ya que se tiene un ambiente
explosivo por las emanaciones de hidrogeno de las bateriacuteas al estar activaacutendose
274
5 La pintura de la torre de enfriamiento deberiacutea estar en control para evitar corrosioacuten en la
estructura
6 En la construccioacuten y el montaje se recomienda el correcto uso del Equipo de Proteccioacuten
Personal asiacute como los implementos para realizar trabajos en altura trabajos en caliente o
lugares confinados para evitar lesiones por parte de los integrantes del proyecto
7 Tener en consideracioacuten todas las normas de seguridad que tiene la institucioacuten (Armada
del Ecuador) para evitar sanciones al personal que estaacute ejecutando el proyecto
8 Implementar un mejor sistema de ventilacioacuten en el cuarto de activacioacuten de bateriacuteas ya que
este tiene demasiados contaminantes en el ambiente
275
BIBLIOGRAFIA
1 Gonzalez Jorge ldquoAplicacioacuten de la Investigacion de Operaciones al
Diseno Optimo de un Intercambiador de Calorrdquo (Tesis Facultad de
Ingenieria en Mecanica y Ciencias de la Produccion Escuela Superior
Politecnica del Litoral 1970)
2 Kern Donald Procesos de Transferencia de Calor Editorial CECSA
1995
3 Hickstyler Manual de Calculos para las Ingenierias Tercera Edicion
Tomo II McGraw Hill 1998
4 Torres Alberto ldquoDiseno de una Torre de Enfriamiento de Agua para Uso
Industrialrdquo (Tesis Facultad de Ingenieria Mecanica y Ciencias de la
Produccion Escuela Superior Politecnica del Litoral 1973)
5 Andrade Francisco Ing Ventilacioacuten Industrial Diplomado en Manejo
Ambiental ESPOL julio 2001
6 Manual Praacutectico de Ventilacioacuten Catalogo Teacutecnico Salvador Escoda
SA
7 Perry Robert-Green Don PERRY Manual del Ingeniero Quiacutemico
Seacuteptima Edicioacuten Volumen II Mc Graw Hill
8 Load amp Resistance Factor Design Manual of Steel Construction AISC
First Edition
9 Incropera P Frank-De Witt P David Fundamentos de Transferencia de
Calor Cuarta Edicioacuten Prentice Hall
10 Granet Irving Termodinaacutemica Tercera Edicioacuten Editorial Prentice Hall
1998
11 Goulds Pump Manual Sexta Edicioacuten Goulds Pumps Inc 1995
276
12 McNaughton Kenneth Bombas Seleccioacuten Uso y Mantenimiento
Editorial Mc Graw Hill 1992
13 David Linden Thomas B Reddy Handbook of Batteries McGraw Hill
Third Edition 1995
14 Pedro Fernaacutendez Diez Bombas Centrifugas y Volumeacutetricas 2002
15 Eugene F Megyesy Pressure Vessel Handbook Publishing Inc Sexta
edicioacuten
16 Holman J P Transferencia de Calor Octava edicioacuten Prentice Hall
2001
17 Dpto Ingenieria Quiacutemica y Textil Disentildeo de Equipos e Instalaciones
(Facultad de Ciencias Quiacutemicas Universidad de Salamanca)
18 Peters and Timmerhaus Plant Design and Economics For Chemical
Engineers McGraw Hill
19 Introduccioacuten al Programa ANSYS
20 Avallone Eugene A Baumeister III Theodore MARKS Manual del
Ingeniero Mecaacutenico Novena Edicioacuten Tomos I y II Mc Graw Hill
21 httpwwwipacesacerofabricacionasp
22 httpwwwevapcocom
23 httpwwwcasalscom
24 httpwwwamcotcom
25 httpwwwmonografiastrabajos10toentoenzip
277
114
CAPIacuteTULO 3
3 ANAacuteLISIS TEacuteRMICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
31 Descripcioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
32 Datos de operacioacuten del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphellip 64
33 Seleccioacuten del intercambiador de calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
331 Meacutetodo FLMTDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
332 Uso de software para seleccioacuten del intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
34 Disentildeo teacutermico de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
351 Fundamento del enfriamiento por evaporacioacutenhelliphelliphellip 87
352 Caacutelculoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89
CAPIacuteTULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 105
41Componentes de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 104
42 Determinacioacuten de la seccioacuten transversal de la torrehelliphelliphelliphellip 108
43 Seleccioacuten de la columna de contactohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 112
431 Altura de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
432 Aacuterea perforadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
433 Dimensiones de las perforacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
434 Espesor de las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 117
44 Disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de la torre de enfriamiento 121
441 Seleccioacuten del espesor de planchahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 123
442 Carga en las paredes del depoacutesitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
444 Momento de inercia miacutenimo requeridohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
433 Distancia entre soportes del colectorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
115
44 Seleccioacuten del ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 129
45 Seleccioacuten de diaacutemetro de la tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 135
46 Seleccioacuten de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 137
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
51 Diagrama de Gantthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
511 Preparacioacuten de documentos planos de taller y
movilizacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 139
512 Fabricacioacuten en el tallerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
513 Montaje del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
514 Preparacioacuten de superficie y pintura en sitiohelliphelliphelliphelliphellip 148
515 Pruebas hidrostaacuteticas de tuberiacuteas e intercambiadorhellip 149
516 Bombas de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
517 Instalacioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
52 Materiales y equipos requeridoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
53 Resumen de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 156
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
61 Conclusioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
62 Recomendacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 160
APEacuteNDICES
BIBLIOGRAFIacuteA
116
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 11 Partes constitutivas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
Figura 12 Estado de descarga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Figura 13 Estado de carga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
117
Figura 14 Variacioacuten de la capacidad seguacuten reacutegimen de descargahelliphellip 17
Figura 15 Variacioacuten de la capacidad seguacuten la temperaturahelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Variacioacuten de la capacidad seguacuten nuacutemero de cicloshelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Variacioacuten de la vida uacutetil en funcioacuten de la descargahelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Variacioacuten de la capacidad por autodescarga 22
Figura 19 Reaccioacuten exoteacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 21 Trabajos preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 22 Esquema de enfriamiento de bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 23 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Figura 24 Enfriamiento utilizando intercambiador enfriado por aire 43
Figura 25 Sistema de enfriamiento utilizando un chiller 44
Figura 26 Sistema de enfriamiento utilizando torre de enfriamiento e intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
Figura 27 Torre de enfriamiento de tiro forzadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
Figura 28 Torre de flujo a contracorriente y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
Figura 29 Torre de flujo cruzado y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
Figura 31 Disposicioacuten de las bateriacuteas en el cuarto de activacioacutenhelliphelliphellip 61
Figura 32 Disposicioacuten de tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
Figura 33 Sistema de desplazamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 34 Bateriacuteas en cuarto de activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 35 Sistema moacutevil para llevar el fluido de enfriamiento a las
bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
Figura 36 Disentildeo de forma del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
Figura 37 Distribucioacuten de temperaturas en un intercambiador de calor de doble tubo en
paralelohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 69
Figura 38 Ventana de inicio del programahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
Figura 39 Ventana de seleccioacuten de tipo de intercambiador a utilizarse y definicioacuten de
fluidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
Figura 310 Datos del material del intercambiadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 80
118
Figura 311 Ventana de ingreso de datos de intercambiador de calorhellip 81
Figura 312 Ventana de resultados en la presioacuten de disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphellip 82
Figura 313 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 83
Figura 314 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 84
Figura 315 Disposiciones del haz de tuboshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
Figura 316 Idealizacioacuten del fenoacutemeno de transferenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
Figura 317 Flujo Especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
Figura 318 Diagrama del sistema para el disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
Figura 319 Relaciones de agua y aire de una torre a contra flujohelliphelliphellip 93
Figura 320 Diagrama de operacioacuten de enfriamiento del aguahelliphelliphelliphelliphellip 101
Figura 41 Disentildeo de Forma de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 108
Figura 42 Diagrama de operacioacuten de una bandeja perforadahelliphelliphelliphellip 114
Figura 43 Disposicioacuten de agujeros en las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
Figura 44 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 45 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 46 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 47 Valores de alfahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
Figura 48 Dimensionamiento del depoacutesito de coleccioacuten de aguahelliphelliphellip 123
Figura 49 Cargas hidrostaacuteticashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
Figura 410 Distancia entre soporteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
Figura 412 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 413 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 414 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 415 Diagrama para seleccionar modelo de ventiladorhelliphelliphelliphelliphellip 131
Figura 416 Ventilador seleccionadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 132
Figura 417 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 418 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 419 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 51 Diagrama de Gantt 138
119
Figura 52 Sistema de deslizamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 171
Figura 53 Alineacioacuten de piso donde se asentaraacute la torrehelliphelliphelliphelliphelliphellip 172
Figura 54 Bomba de agua para torrehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 175
Figura 55 Tuberiacutea de succioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 176
Figura 56 Tablero de control eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 177
Figura 57 Intercambiador sumergido en colector de la torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 58 Bandejas perforadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 59 Torre de enfriamiento instaladahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 179
120
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphellip 6
Tabla 12 Paraacutemetros de almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
Tabla 21 Programa de carga eleacutectrica para la activacioacuten de las bateriacuteas de los
submarinoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
Tabla 22 Impurezas maacutes comunes en el agua que afectan los sistemas de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 23 Matriz de decisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
Tabla 24 Clasificacioacuten de las torres de enfriamiento 49
Tabla 25 Matriz de decisioacuten para seleccionar el tipo de torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
Tabla 31 Escala de presioacuten y valor U para tipos de intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Tabla 32 Aacuterea transversal de flujo y superficie para intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Tabla 33 Valores de entalpiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 102
Tabla 34 Caracteriacutesticas de humidificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103
Tabla 41 Dimensiones de zona sin perforarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
Tabla 42 Informe de resultados del anaacutelisis de la bandeja perforadahellip 119
Tabla 43 Informe de resultados del colector de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 127
Tabla 44 Informe de resultados de la campana de extraccioacutenhelliphelliphelliphellip 133
Tabla 45 Velocidades y caiacutedas de presioacuten permisibles 135
Tabla 46 Densidad del fluido en funcioacuten de la velocidadhelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
Tabla 51 Lista de equipos y herramientashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
121
IacuteNDICE DE PLANOS
Plano 1 Torre de enfriamiento y sus partes
Plano 2 Bandejas perforadas
Plano 3 Campana de extraccioacuten
Plano 4 Tanque colector
Plano 5 Placa soporte
Plano 6 Dimensiones de estructura de torre de enfriamiento
122
ABREVIATURAS
ordmC Grados centiacutegrados
Mg Magnesio
Si Silicio
m Metros
cm Centiacutemetros
mm Miliacutemetros
kg Kilogramos
t Toneladas meacutetricas
MVA Mega voltamperios
kwh Kilovatio hora
tkwh Kilovatio hora por tonelada
Nm3
Metro cuacutebico normalizado
FeMn Ferromanganeso
MgO Oacutexido de magnesio
m Microacutemetro
NO2 Dioacutexido de nitroacutegeno
3Nmg
Gramos por metro cuacutebico de aire normalizado
ht Toneladas por hora
3mg
Gramos por metro cuacutebico
123
3mmg
Miligramos por metro cuacutebico
3pieg
Gramos por pieacute cuacutebico
min
3pie Pieacute cuacutebico por minuto
gal galoacuten
CFM Pies cuacutebicos por minuto
t
Kg Kilogramos por tonelada
hm3
Metros cuacutebicos por hora
th
m3
Metros cuacutebicos por hora por tonelada
s Densidad del soacutelido
3mg
Microgramos por metro cuacutebico
3mkg
Kilogramo por metro cuacutebico
sm Metros por segundo
OHmmCol 2 Miliacutemetros de columna de agua
atm atmoacutesferas
Pa Pascales
FPM Pies cuacutebicos por minuto
A Aacuterea
V Velocidad
Q Caudal
sm3
Metros cuacutebicos por segundo
124
SP Presioacuten estaacutetica
VP Presioacuten dinaacutemica
kPa Kilopascales
MPa Megapascales
2lgpulb Libras por pulgadas cuadradas
antildeomm Miliacutemetro por antildeo
hmm
2
3
Metros cuacutebicos por metro cuadrado por hora
psi Libras por pulgada cuadrada
diaacutemetro
ppm Partes por milloacuten
M Momento
mpy Mileacutesimas de pulgada por antildeo
Mw Megavatios
T Diferencia de temperaturas
CkgJ
ordm Joules por kilogramo por grado centiacutegrado
k Conductividad
h Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
R Sumatoria de resistencias
f Factor de friccioacuten
St Nuacutemero de stanton
KmW
2 Vatios por metro cuadrado por grados kelvin
125
INTRODUCCIOacuteN
La Armada del Ecuador a cargo de la Direccioacuten de Mantenimiento de la
institucioacuten con el propoacutesito de brindar mantenimiento al escuadroacuten de
submarinos nacionales SS ndash 11 ldquoShyrirdquo y SS ndash 12 ldquoHuancavilcardquo tipo U ndash 209
de fabricacioacuten alemana considera el cambio inmediato de las bateriacuteas de
propulsioacuten instaladas en dichos submarinos por haber cumplido su ciclo de
vida
Las unidades submarinas son de propulsioacuten diesel ndash eleacutectricas las bateriacuteas
son las encargadas de suministrar la energiacutea necesaria para propulsar y
alimentar la red abordo
Las bateriacuteas operan desde el antildeo 1997 tiempo de operacioacuten hasta la fecha
de 11 antildeos que sobrepasan el tiempo de vida uacutetil que es de 10 antildeos lo que
requiere un reemplazo inmediato de las bateriacuteas
Es por eso que las bateriacuteas de propulsioacuten fueron adquiridas a traveacutes de la
Junta de Defensa Nacional a la compantildeiacutea alemana Hawker GMBH una
126
remesa de 960 bateriacuteas estas son del tipo plomo ndash aacutecido las bateriacuteas se
someten a un proceso de carga y descarga cuando estaacuten montadas en el
submarino este proceso genera calor y produccioacuten de hidroacutegeno en el
ambiente
Para controlar la generacioacuten de calor existe en el submarino un sistema de
enfriamiento utilizando agua del mar las bateriacuteas nuevas adquiridas no
vienen activadas de fabrica para evitar problemas de danos y eliminar
riesgos durante el viaje hasta las instalaciones de la Armada Nacional es por
eso que la institucioacuten a dispuesto un lugar estrateacutegico donde se va a
proceder a la construccioacuten del sistema de activacioacuten de las bateriacuteas lo que
conlleva a realizar trabajos preliminares para la puesta en marcha de estos
equipos
Como este proceso tiene que ser realizado en tierra la Armada del Ecuador
convoca a diferentes empresas para licitar en el disentildeo construccioacuten y
montaje de un sistema de enfriamiento de agua que va a ser utilizada en la
activacioacuten de 120 bateriacuteas a la vez
ERMARLO SA empresa en la cual me desenvolviacutea en el departamento de
proyectos fue adjudicada la licitacioacuten y fue asignado el proyecto de disentildeo y
construccioacuten del sistema de enfriamiento el cual es el objetivo de esta tesis
127
Se utilizaran varios programas computacionales como Inventor 10 ESP plus
con el fin de utilizarlos en la praacutectica con mayor destreza para solucionar
problemas
CAPITULO 1
1 GENERALIDADES 11 Descripcioacuten del Sistema de Poder de los Submarinos
A fin de clarificar ciertos aspectos importantes para comprender el sistema de
propulsioacuten de los submarinos se realizaraacute una breve descripcioacuten generalizada de
este tipo de buque
El submarino tipo U ndash 209 es un buque disentildeado exclusivamente para
operar bajo el agua esta afirmacioacuten puede parecer redundante pero
es necesaria para diferenciar los submarinos modernos de los usados
durante la primera y segunda guerras mundiales que era propiamente
128
ldquosumergiblesrdquo es decir los buques con capacidad de permanecer
periodos relativamente cortos bajo la superficie esto explica el disentildeo
de estos con cantildeones en cubierta para la defensa aeacuterea y de
superficie
Hasta la llegada de la propulsioacuten nuclear marina la mayoriacutea de los submarinos del
siglo XX usaron bateriacuteas eleacutectricas para la navegacioacuten subacuaacutetica y motores de
combustioacuten interna para la superficie y recargar las bateriacuteas Los primeros modelos
usaban gasolina como combustible pero pronto se sustituyoacute por parafina y luego
gasoacuteleo gracias a su menor inflamabilidad La combinacioacuten diesel-eleacutectrico se
convertiriacutea en el medio de propulsioacuten estaacutendar Inicialmente el motor diesel o gasolina
y el eleacutectrico separados por embragues estaban en el mismo eje e impulsaban el
propulsor Esto permitiacutea que el primero usase al segundo como generador para
recargar las bateriacuteas e impulsar tambieacuten al submarino si era necesario Cuando el
submarino se sumergiacutea se desembragaba el motor diesel de forma que se usase el
eleacutectrico para girar la heacutelice El motor eleacutectrico puede tener maacutes de un inducido sobre
el eje estando eleacutectricamente acoplados en serie para velocidades bajas y en
paralelo para velocidades altas
129
12 Caracteriacutesticas Principales del Submarino U ndash 209
Desplazamiento
(sumergidos)
1285 Ton
Dimensiones 559 6355 m
Propulsioacuten 4 MTU MD 12V992 Tb 90
diesel de 600 CV un
Siemens eleacutectrico de
5000 CV y 4
generadores eleacutectricos
de 405 Kw
Tipo Submarino diesel
eleacutectrico de ataque SSK
Astillero de origen Howaldtswerke Kiel
Alemania
Desplazamiento 1265 ton (superficie)
1396 ton (inmersioacuten)
Casco Acero naval reforzado
Celdas 480 de 11500 Amp ndash h y
un peso total de 257 ton
Combustible 108 ton
Profundidad
maacutexima
500 metros
Armamento 553 mm torpedos en
tubos (14) misil Sub-
130
Harpoon
Tripulacioacuten 33
TABLA 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U ndash 209
El submarino posee 4 bateriacuteas de 120 celdas cada una
Cada celda estaacute disentildeada para almacenar cargas con voltajes que no
exceden los 275 voltios de corriente continua Las 120 celdas estaacuten
conectadas en serie esto para cada bateriacutea
FIGURA 11 PARTES CONSTITUTIVAS DEL SUBMARINO U -209
13 Proceso de Carga y Descarga de las Bateriacuteas en el Submarino
131
Para activar las bateriacuteas antes de ser puestas en operacioacuten se
requiere que se cumpla un determinado procedimiento el cual
implica periodos de carga y descarga de acuerdo a un plan
establecido
131 Anaacutelisis del Sistema Operativo de las Bateriacuteas
El suministro de energiacutea eleacutectrica dentro del buque tiene un solo
responsable estas son las celdas del buque
Primeramente entieacutendase por celdas al elemento unitario de
energiacutea eleacutectrica del buque que baacutesicamente es un acumulador de
plomo y aacutecido o pila secundaria que puede recargarse invirtiendo
la reaccioacuten quiacutemica
La celda electroliacutetica que describiremos a continuacioacuten el
acumulador de plomo
Estos acumuladores constan de una serie de placas de plomo
dispuestas una al lado de la otra y separadas entre siacute por medio de
los separadores
Las placas son unas rejillas rectangulares en las que se efectuacutea
una transformacioacuten de energiacutea quiacutemica en eleacutectrica o viceversa
seguacuten se descargue o cargue repetidamente el acumulador
132
Existen dos clases de placas las positivas constituidas a base de
peroacutexido de plomo cuyo color es negruzco y las negativas
constituidas de plomo combinado con materiales inertes que no
intervienen en la transformacioacuten generalmente antimonio Al
peroacutexido de plomo y al plomo que componen las placas se les
denomina materia activa del acumulador
Las placas positivas estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute
mediante una barra o laacutemina metaacutelica denominada puente de
unioacuten Lo mismo ocurre para las placas negativas Sobre ambos
puentes se hallan los bornes del acumulador uno positivo y otro
negativo
El conjunto de placas positivas y negativas alternadas se
encuentran sumergidas en agua acidulada que es una mezcla de
acido sulfuacuterico y agua que hace las veces de electrolito
En las condiciones hasta ahora descritas el acumulador se halla
cargado es decir que si entre sus bornes conectamos un
consumidor por ejemplo una laacutempara por ella circula corriente y
por tanto se encenderaacute ello es debido a que entre sus placas de
peroacutexido de plomo y de plomo existe una diferencia de potencial
capaz de producir corriente eleacutectrica cuando circula esta corriente
a traveacutes de un consumidor el acumulador se estaacute descargando
133
Durante dicha descarga para la corriente desde la placa positiva a
la negativa por el por el receptor o consumidor exterior a la bateriacutea
y por el interior desde la placa negativa a traveacutes del electrolito a la
placa positiva
Al pasar la corriente por el electrolito se descompone la moleacutecula
del aacutecido sulfuacuterico en dos iones (SO4-) y (2H+) con cargas
negativas y positivas respectivamente que reaccionan formando
en la placa positiva peroacutexido de plomo (PbO2) mas agua en el
recipiente Esta agua se genera porque el oxiacutegeno liberado de la
placa positiva del peroacutexido de plomo se combina con el hidroacutegeno
descompuesto del aacutecido sulfuacuterico
De la misma manera se forma sulfato plumboso en la placa
negativa y agua en el recipiente La reaccioacuten de la descarga la
podriacuteamos resumir asiacute
134
A medida que se va descargando la concentracioacuten de aacutecido
sulfuacuterico en el electrolito va disminuyendo lo que origina que sea
menos conductor provocando este fenoacutemeno un aumento de la
resistencia interior en el elemento lo que produce una caiacuteda de
tensioacuten tan grande que deja la bateriacutea fuera del servicio uacutetil
Cuando ha sido atacado todo el peroacutexido de plomo y todo el plomo
cesa la transformacioacuten y con ella la corriente eleacutectrica el
acumulador descargado incapaz de producir maacutes corriente
eleacutectrica
Si estando el acumulador descargado aplicamos en sus bornes
una diferencia de potencial se produciraacute la electroacutelisis del agua
contenida en el recipiente y las transformaciones que habraacuten
tenido lugar durante la descarga se invertiraacuten es decir en las
placas positivas se transformara el sulfato plumboso en peroacutexido
de plomo y aacutecido sulfuacuterico y en las negativas en plomo y aacutecido
sulfuacuterico con lo que el acumulador quedara nuevamente cargado y
con la facultad de poder suministrar de nuevo corriente eleacutectrica
La reaccioacuten de carga se habraacute efectuado asiacute
135
Estos fenoacutemenos quiacutemicos se llevan a cabo en el interior del
acumulador se va intentar representarlos por una serie de figuras
Por ejemplo en la Figura 12 Se tiene una aproximacioacuten a un
esquema de reaccioacuten quiacutemica durante la descarga del acumulador
La laacutempara representa el aparato consumidor que estaacute recibiendo
energiacutea eleacutectrica en este momento En el interior del acumulador
se estaacuten descomponiendo del modo que indican las flechas las
moleacuteculas de cada uno de los componentes de las placas
conjuntamente y en colaboracioacuten con el electrolito y su
composicioacuten quiacutemica
Obseacutervese como en la parte baja de las placas se produce la
presencia del sulfato de plomo (PbSO4) que es el indicio claro de la
descarga (En este esquema se mantiene el sentido electroacutenico de
la corriente es decir el paso del negativo al positivo tal como
ocurre en la realidad aunque se ha aceptado convencionalmente la
inversa)
136
La descarga total del acumulador llegariacutea a producirse cuando
ambas placas se hallaran saturadas de sulfato de plomo y el
electrolito fuera praacutecticamente formado por agua destilada La luz
dejara de brillar en sentildeal evidente de la falta de energiacutea eleacutectrica
FIGURA 12 ESTADO DE DESCARGA DE UN ACUMULADOR
El proceso de carga podemos verlo en la Figura 13 La colocacioacuten
de un generador de corriente continua entre los bornes del
acumulador hace que la corriente circule entre placas y electrolito
Tal como puede verse en la parte alta de las placas la presencia
del sulfato plumboso (PbSO4) es general lo que indica su estado
descarga pero al paso de la corriente eleacutectrica proveniente del
generador activa una reaccioacuten quiacutemica en la que de nuevo acido
sulfuacuterico se recompone Poco a poco la placa negativa recobra su
137
plomo inicial y la positiva su peroacutexido de plomo mientras el
electrolito aumenta su densidad por encima de los valores casi del
agua que teniacutea en el estado totalmente descargado debido a su
enriquecimiento de acido sulfuacuterico [13]
Estas son pues las transformaciones quiacutemicas mediante las
cuales es posible convertir energiacutea eleacutectrica en energiacutea quiacutemica y
viceversa
FIGURA 13 ESTADO DE CARGA DE UN ACUMULADOR [13]
132 Caracteriacutesticas de las Bateriacuteas
138
A pesar de su diversa constitucioacuten todas las bateriacuteas pueden
ser definidas mediante unas caracteriacutesticas comunes que se
consideran seguidamente
Resistencia interna- Formada por la resistencia oacutehmica
de sus componentes (terminales electrodos soportes y
electrolito) y por una resistencia virtual variable en funcioacuten
del estado de carga y de las distintas polarizaciones y
concentraciones Aumenta con las bajas temperaturas
con la descarga de la bateriacutea y con el envejecimiento
Rendimiento- Es la relacioacuten entre la energiacutea
suministrada durante la descarga y la que se necesita
para cargar plenamente la bateriacutea Las peacuterdidas en una
bateriacutea se deben sobre todo a una produccioacuten de energiacutea
caloriacutefica en los procesos quiacutemicos que tienen lugar
durante la carga y descarga
Velocidad de carga y descarga - Las corrientes de
carga y descarga a menudo se especifican con unos
teacuterminos que indican la descarga completa en un periacuteodo
continuo de una hora Estos teacuterminos son los regiacutemenes C
y sus muacuteltiples y submuacuteltiplos son un medio muy coacutemodo
para especificar las velocidades de carga y descarga Por
tanto 10C es la corriente que descarga la bateriacutea en seis
139
minutos mientras que C10 es la corriente que descarga
la bateriacutea en diez horas
Vida uacutetil - La vida uacutetil de una bateriacutea no se mide en antildeos
sino por la cantidad de ciclos de carga - descarga que es
capaz de realizar Asiacute si se la somete a un reacutegimen de
trabajo de muchos ciclos diarios probablemente soacutelo
duraraacute unos meses mientras que si el reacutegimen es de un
ciclo al diacutea o incluso maacutes lento (como ocurre en el caso de
iluminacioacuten de viviendas con energiacutea solar) la bateriacutea
puede durar al menos diez antildeos
133 Capacidad de una Bateriacutea
Es la cantidad de electricidad que puede entregar cuando se
descarga antes de que su tensioacuten disminuya por debajo de un
nivel miacutenimo Su siacutembolo es C y se expresa en A - h Otro
factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una bateriacutea
es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten quiacutemica
que tiene lugar en el acumulador se acelera demasiado y la
vida se acorta Si la temperatura es baja la vida se prolonga
pero si baja demasiado puede correr el riesgo de congelacioacuten
En este caso lo mejor seraacute mantener la bateriacutea en un nivel de
140
carga alto ya que cuanto mayor sea la concentracioacuten del
electrolito el punto de congelacioacuten seraacute maacutes bajo
La capacidad de una bateriacutea variacutea seguacuten el reacutegimen de
descarga aumenta a medida que la descarga es maacutes lenta y
disminuye cuando esta es maacutes raacutepida
Por esta razoacuten el valor de C debe venir referenciado con el
tiempo de descarga
FIGURA 14 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
REGIMEN DE DESCARGA [13]
Un incremento de la temperatura dentro de unos liacutemites
aumenta la actividad de los procesos quiacutemicos y por lo tanto
la capacidad de la bateriacutea Por el contrario a bajas
temperaturas la actividad quiacutemica es menor y la capacidad
disminuye considerablemente
141
FIGURA 15 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN LA
TEMPERATURA [13]
La historia de la bateriacutea afecta tambieacuten a la capacidad Si una
bateriacutea lleva un largo periacuteodo sin ser recargada en toda su
capacidad se produce un efecto memoria que impide que
recupere su capacidad nominal siendo necesarios varios
ciclos de carga y descarga para recuperarla El
envejecimiento de una bateriacutea merma su capacidad y va
disminuyendo a lo largo de su vida en funcioacuten del servicio de
carga - descarga a que sea sometida Para el caacutelculo de la
capacidad nominal necesaria hay que tener en cuenta la vida
uacutetil que se desea para la bateriacutea si se desea una vida uacutetil de
142
3 antildeos y el fabricante indica que al final de este periacuteodo soacutelo
se mantiene el 50 de la capacidad habraacute que utilizar una
bateriacutea de capacidad doble a la estimada necesaria
FIGURA 16 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
NUacuteMERO DE CICLOS [13]
Ademaacutes de los ciclos de carga - descarga tambieacuten hay que
considerar la profundidad de la descarga media que se
produce en cada uno de ellos Si dicha descarga es
moderada y soacutelo de vez en cuando se alcanza una
profundidad elevada el nuacutemero de ciclos que soportaraacute las
bateriacuteas seraacute elevado A medida que se la someta a
descargas maacutes profundas el nuacutemero de ciclos que podraacute
realizar y por tanto su vida uacutetil iraacute disminuyendo En
143
cualquier caso la profundidad de descarga maacutexima admisible
para un acumulador plomo - aacutecido es del 80
FIGURA 17 VARIACION DE LA VIDA UTIL EN FUNCION
DE LA DESCARGA [13]
Con un reacutegimen de descarga diaria del 25 de su capacidad
y un 80 de descarga 2 veces al antildeo (condiciones que
normalmente se dan en una instalacioacuten fotovoltaica) la
bateriacutea solar puede alcanzar una vida uacutetil de maacutes de 11 antildeos
Otro factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una
bateriacutea es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten
quiacutemica que tiene lugar en el acumulador se acelera
demasiado y la vida se acorta Si la temperatura es baja la
144
vida se prolonga pero si baja demasiado puede correr el
riesgo de congelacioacuten En este caso lo mejor seraacute mantener
la bateriacutea en un nivel de carga alto ya que cuanto mayor sea
la concentracioacuten del electrolito el punto de congelacioacuten seraacute
maacutes bajo
Las mayores formas de acortar la vida uacutetil de un acumulador
son
someterlos a cargas y descargas violentas y repetidas
descargarlo hasta el agotamiento
trabajar a temperaturas extremas
134 Autodescarga
La autodescarga de una bateriacutea consiste en la peacuterdida de
energiacutea por reaccioacuten entre los materiales que forman los
elementos de la bateriacutea en condiciones de circuito abierto es
decir cuando no hay carga alguna conectada al circuito de la
bateriacutea Depende del tipo de bateriacutea y muy directamente de la
temperatura aumentando con esta Por ello y dado que los
valores estaacutendar suelen venir referidos a una temperatura
145
media (unos 20 oacute 25ordmC) es preciso tener en cuenta que este
factor puede alterarse en algunos casos
FIGURA 18 VARIACION DE LA CAPACIDAD POR
AUTODESCARGA [13]
La autodescarga hay que considerarla como un consumo
adicional que demanda un cierto porcentaje de energiacutea
almacenada Su valor es aproximadamente de un 05 a un
1 diario en bateriacuteas plomo - aacutecido
146
135 Almacenamiento
Los fabricantes suelen dar recomendaciones para el almacenamiento
Mostramos las condiciones recomendadas para aplicaciones solares
en la tabla siguiente
TABLA 12 PARAMETROS DE ALMACENAMIENTO [18]
Las bateriacuteas almacenadas llenas y cargadas requieren un periodo de
recarga antes de su instalacioacuten El fabricante debe proporcionar las
instrucciones acerca de los intervalos y meacutetodos en los que debe
efectuarse
La exposicioacuten a alta temperatura y humedad durante el
almacenamiento puede ocasionar una peacuterdida de capacidad La
temperatura de una bateriacutea guardada en un recipiente expuesto a la
luz directa del sol puede subir a 60 degC o maacutes durante el diacutea
147
136 Principales Meacutetodos de Carga
La vida uacutetil de una bateriacutea y sus prestaciones dependen
directamente de los procesos de carga a los que es sometida
Por esta razoacuten hay que seguir en cada caso las
recomendaciones que da el fabricante
Los principales meacutetodos de carga son
1 Tensioacuten constante
2 Corriente constante
3 Corriente descendente
4 Dos niveles de tensioacuten constante
Tensioacuten constante
El meacutetodo de carga a tensioacuten constante es el maacutes usado para
cargar bateriacuteas de plomo - aacutecido Consiste en aplicar una
tensioacuten constante de 23 24 oacute 25 Velemento limitando la
corriente inicial de carga a 01C oacute 02 C amperios siendo C la
capacidad de la bateriacutea en amperios - hora El tiempo de
carga va de 40 horas a 10 horas y la tensioacuten debe regularse
seguacuten la temperatura ambiente si la temperatura es alta la
tensioacuten de carga debe ser baja y viceversa
148
Algunos fabricantes admiten la utilizacioacuten de este meacutetodo sin
limitacioacuten de corriente pues sus bateriacuteas estaacuten
dimensionadas para fuertes corrientes En este caso si se
inicia el proceso con 23Velemento la corriente inicial
despueacutes de una descarga profunda seraacute de 3C amperios y de
un 05C durante un periacuteodo largo
Corriente constante
El meacutetodo de carga a corriente constante es recomendado
por algunos fabricantes para las bateriacuteas de niacutequel - cadmio
limitando la corriente entre 025C y 005C amperios En el
caso de carga profunda se admiten corrientes de 1C
amperios pero vigilando la tensioacuten de la bateriacutea o la
temperatura
La carga a corriente constante se utiliza como carga de
igualacioacuten en bateriacuteas plomo - aacutecido para corregir diferencias
de capacidad entre las bateriacuteas de un mismo grupo Para
evitar una sobrecarga que destruya la bateriacutea es necesario
terminar cuando la bateriacutea alcance su maacutexima capacidad
149
Corriente descendente
Es el sistema de carga maacutes econoacutemico y es utilizado por
algunos fabricantes para sus bateriacuteas niacutequel - cadmio
Consiste en una carga sin regulacioacuten limitada por una
resistencia serie que en algunos casos es la propia
resistencia del devanado del transformador de alimentacioacuten
A medida que la bateriacutea se va cargando la corriente de carga
va descendiendo gradualmente Es un meacutetodo antiguo y muy
peligroso porque la tensioacuten y corriente de carga dependen de
las fluctuaciones de la corriente de la red con lo que existe
riesgo impliacutecito de sobrecarga
Dos niveles de tensioacuten constante
Es el meacutetodo recomendado para cargar una bateriacutea de plomo
- aacutecido hermeacutetica en un periacuteodo corto de tiempo y mantener la
bateriacutea en plena carga en situacioacuten de flotacioacuten Inicialmente
se carga a un nivel alto de tensioacuten (245Velemento)
limitando la corriente A partir de que esta disminuya por
debajo de un nivel se pasa a tensioacuten constante permanente o
de flotacioacuten Este meacutetodo es el maacutes eficiente pues minimiza el
tiempo de carga y la bateriacutea queda protegida de sobrecargas
150
Despueacutes de una descarga profunda es necesario un tiempo
de carga maacutes largo de lo normal Inicialmente la corriente que
admite la bateriacutea es baja ya que la resistencia interna tiene
un valor elevado y no adquiere su valor normal hasta pasados
unos 30 minutos Por este motivo es necesario inhibir el
control durante este periacuteodo de tiempo pues el cargador
podriacutea suponer que la bateriacutea estaacute cargada y dejarla en
flotacioacuten
137 Control de Carga
Para mantener el rendimiento oacuteptimo de una bateriacutea es esencial que
su carga se controle adecuadamente Al comienzo del ciclo de carga la
corriente deberiacutea limitarse para asegurar que no se produzca
generacioacuten de gases a causa de un voltaje excesivo aplicado al vaso
mientras la capacidad se recupera la corriente de carga debe
limitarse para mantener el voltaje de los vasos en el umbral requerido
para la generacioacuten de gases o ligeramente inferior una vez
recuperada la plena capacidad se deberiacutea aplicar una carga final a
corriente constante por un periacuteodo de tiempo fijo (carga de
igualacioacuten) Aunque estas condiciones no puedan lograrse
praacutecticamente en los sistemas de energiacutea fotovoltaica hay ciertas
151
circunstancias que se necesitan para minimizar el mantenimiento y
mantener la vida de la bateriacutea Los paraacutemetros del regulador tendraacuten
en cuenta los efectos del disentildeo del generador fotovoltaico la carga
la temperatura y los valores liacutemite recomendados para proteger la
bateriacutea Las de plomo-aacutecido o de niacutequel-cadmio tendraacuten el electrolito
suficiente para cubrir el periacuteodo entre por lo menos las visitas de
mantenimiento planificadas [13]
La sobrecarga excesiva no aumenta la energiacutea almacenada en la
bateriacutea En cambio la sobrecarga afecta al intervalo de servicio
debido al consumo de agua destilada en las bateriacuteas aacutecidas como
resultado de la generacioacuten de gases Para minimizar este efecto el
voltaje de regulacioacuten de la carga debe compensarse con los cambios
en la temperatura del electrolito ya que esto afecta directamente al
umbral de voltaje de generacioacuten de gases Contrariamente a esto la
estratificacioacuten puede ocurrir en bateriacuteas de electrolito liacutequido
particularmente en sistemas fotovoltaicos doacutende la insolacioacuten es a
menudo insuficiente para proporcionar generacioacuten de gases durante
el funcionamiento normal La estratificacioacuten se produce cuando capas
menos densas de electrolito se depositan sobre capas maacutes densas
situadas en el fondo de los vasos lo que produce una reduccioacuten de
152
capacidad Esto puede corregirse con la agitacioacuten que se produce
durante el proceso de gasificacioacuten Por consiguiente el proceso de
regulacioacuten de carga debe disentildearse para promover la generacioacuten de
gases a intervalos regulares Esto puede lograrse elevando el voltaje
de control de carga durante un periacuteodo y restablecieacutendolo una vez
que se ha producido la generacioacuten de gases
138 Administracioacuten de la Temperatura en las Bateriacuteas
Limites de temperatura de operacioacuten
Todas las bateriacuteas dependen para su funcionamiento de un proceso electroquiacutemico
ya sea en carga o descarga y sabemos que estas reacciones quiacutemicas son en alguna
manera dependientes de la temperatura La capacidad nominal de una bateriacutea se
especifica usualmente en alguacuten punto dentro del rango de trabajo entre +20ordmC hasta
+30ordmC (+68ordmF ~ +86ordmF) sin embargo la capacidad real puede desviarse
substancialmente del valor nominal si la bateriacutea es forzada a trabajar a mayores o
menores temperaturas (Figura 18) La Ley de Arrhenius dice que la velocidad a la
cual una reaccioacuten quiacutemica se produce incrementa exponencialmente seguacuten la
temperatura aumenta Esto permite que se extraiga mayor potencia de la bateriacutea en
un instante a mayores temperaturas que la de trabajo Al mismo tiempo las mayores
temperaturas aumentan la movilidad de los electrones o iones reduciendo asiacute la
impedancia interna de la celda por consiguiente aumentando su capacidad Sin
embargo en el extremo superior de la escala las altas temperaturas pueden
tambieacuten iniciar reacciones quiacutemicas no deseadas o irreversibles yo peacuterdida de
electrolito lo cual puede causar un dantildeo permanente o falla completa de la bateriacutea
En el extremo inferior de la escala el electrolito se puede congelar fijando un liacutemite
153
para la capacidad a bajas temperaturas Por debajo del punto de congelamiento del
electrolito la capacidad de la bateriacutea comienza a deteriorarse seguacuten la velocidad de
la reaccioacuten quiacutemica se reduce Auacuten cuando una bateriacutea esteacute especificada para
trabajar bajo los -20ordmC oacute -30ordmC la capacidad a 0ordmC y por debajo de este punto de
disminuye considerablemente Debemos tomar en cuenta que el liacutemite inferior de
temperatura de trabajo de una bateriacutea puede depender de su estado de carga Un
sistema real puede por lo tanto necesitar ambos calentamiento y enfriamiento
ambiental forzado para mantenerlo no soacutelo dentro de los rangos liacutemite de trabajo
especificado por el fabricante sino dentro de un rango maacutes limitado para alcanzar
desempentildeo oacuteptimo
FIGURA 18 CAPACIDAD DE CARGA DE BATERIAS PLOMO ndash ACIDO A
DIFERENTES TEMPERATURAS
Efectos teacutermicos externos
154
Efectos teacutermicos externos La condicioacuten teacutermica de la bateriacutea es tambieacuten dependiente
de su ambiente Si su temperatura estaacute sobre la temperatura ambiente perderaacute calor
por efecto de la conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten Si la temperatura ambiente es
mayor la bateriacutea absorberaacute calor de sus alrededores
Cuando la temperatura ambiente es muy alta el sistema de manejo de la
temperatura debe trabajar muy duro para mantener la temperatura bajo control Una
sola celda puede trabajar muy bien a la temperatura ambiente de una sala por siacute
sola pero si es parte de un paquete de bateriacuteas rodeada de celdas similares todas
generando calor auacuten si la carga es la misma para todas podriacutea exceder sus liacutemites
de temperatura
FIGURA 19 REACCION EXOTERMICA
155
CAPITULO 2
2 DESCRIPCIOacuteN DEL PROBLEMA
Las unidades navales de la Armada del Ecuador dentro de los escenarios
en tiempo de paz y conflicto una de sus principales funciones es de
mantener los equipos y sistemas operativos como parte fundamental en
la operatividad como parte de estas funciones la Direccioacuten de
Mantenimiento de la institucioacuten es la encargada de realizar el cambio de
las bateriacuteas del Escuadroacuten de submarinos de que son las encargadas
suministrar energiacutea eleacutectrica a todo el submarino
156
Se adquiere una remesa de 960 bateriacuteas nuevas para eacutel los submarinos
a la empresa alemana Hawker GMBH ya que es necesario se efectuacutee la
remocioacuten de las bateriacuteas por cuanto su tiempo de vida uacutetil fue alcanzado
en el antildeo 2006 estos equipos vienen realizados sus pruebas de control
de calidad pero no vienen eleacutectricamente cargadas por lo que se
requiere realizar la operacioacuten de activacioacuten en tierra antes de ser puestas
en los submarinos
Para esto se requiere construir un sistema que permita la carga de 120
bateriacuteas a la vez Como se analizoacute en el Capitulo 1 existen tres
paraacutemetros que se debe controlar en el momento de carga o activacioacuten
de estos elementos que son
Voltaje
Corriente
Temperatura
El paraacutemetro de voltaje es necesario conocerlo para saber cuando las
celdas necesitan recargarse o cuando una de las celdas esta averiada y
tomar las acciones necesarias para continuar con el procedimiento de
activacioacuten de los elementos
157
El paraacutemetro de la corriente es necesario conocerlo para saber queacute
cantidad de energiacutea eleacutectrica estaacute entregando o recibiendo las celdas y
de esta manera conocer los amperios ndash hora que estaacute recibiendo las
celdas
El paraacutemetro de temperatura es criacutetico y es el paraacutemetro que esta tesis
estaacute encargada de controlar en este proceso de activacioacuten ya que se
desprende hidrogeno y sabiendo que el hidrogeno es un gas inflamable y
que al combinarse con el oxigeno en un determinado porcentaje es
detonante por este motivo se debe tener estricto control en la
temperatura de las celdas y de la concentracioacuten de hidrogeno en el aacuterea
de activacioacuten
El resultado de los efectos termo-eleacutectricos y termo-quiacutemicos posiblemente aumentados por las
condiciones ambientales es generalmente un aumento en la temperatura y como se dijo
anteriormente esto provocaraacute un incremento exponencial en la velocidad a la cual la reaccioacuten
quiacutemica se da Tambieacuten sabemos que si el aumento de temperatura es excesivo muchas cosas
desagradables pueden suceder
Los quiacutemicos activos se expanden causando que la celda se
ldquohincherdquo
Distorsiones mecaacutenicas en los componentes de la celda pueden
provocar corto circuitos o circuitos abiertos
158
Pueden darse reacciones quiacutemicas irreversibles las cuales
causaraacuten una reduccioacuten permanente en los quiacutemicos activos y por
lo tanto en la capacidad de la celda
Operacioacuten prolongada a altas temperaturas puede causar roturas
en partes plaacutesticas de la celda
Se expeleraacuten muchos gases de la celda debido a lo cual aumenta
la presioacuten dentro de esta lo que puede llevar eventualmente a una
ruptura o explosioacuten de la misma
Se podriacutean liberar quiacutemicos toacutexicos o inflamables
21 Requerimientos para el Proceso de Enfriamiento de las
Bateriacuteas de los Submarinos
Las bateriacuteas son colocadas en un cuarto de activacioacuten designado por la Armada del
Ecuador este cuarto debe ser adecuado para colocar 240 bateriacuteas colocadas sobre
plataformas de carga 4 unidades por plataforma en fila cada bateriacutea debe ser enfriada
de acuerdo a los paraacutemetros especificados por el fabricante
159
FIGURA 21 TRABAJOS PRELIMINARES
El enfriamiento de los elementos de la bateriacutea se consigue haciendo pasar el agua
destilada a traveacutes de los polos negativos y positivos que son huecos pasando desde
aquiacute a traveacutes de tuberiacuteas de salida hacia la tuberiacutea principal
Salida de agua
destilada caliente
Ingreso de agua
destilada friacutea
Salida de agua
destilada caliente
160
FIGURA 22 ESQUEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIA POR MEDIO DE AGUA
DESTILADA
22 Condiciones Teacutecnicas para la Activacioacuten de las Bateriacuteas de
Los Submarinos
Por lo que debe cumplirse con los programas de carga y descarga
siendo la temperatura un paraacutemetro a controlar principalmente en
el periodo de carga
Carga 10 h 590 A 5900 A-h
40 h 435 A 17400 A-h
Ingreso de agua
destilada friacutea
161
4 h Pausa
18 h 200 A 3600 A-h
Descarga 16 h 564 A
Carga aprox 31 h Carga Factor carga 125
27 Cargar 2h 200 A1h pausa
Descarga 20 h 564 A
Carga aprox 36 h Cargar IUI
TABLA 21 PROGRAMA DE CARGA ELECTRICA PARA LA ACTIVACION DE LAS
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
23 Alternativas de Solucioacuten
Los procesos de enfriamiento del agua se cuentan entre los maacutes antiguos que haya
desarrollado el hombre Por lo comuacuten el agua se enfriacutea exponiendo la superficie al aire
Algunos de estos procesos son lentos como el enfriamiento del agua en la superficie
de un estanque otros son comparativamente raacutepidos por ejemplo el rociado de agua
hacia el aire todos estos procesos implican la exposicioacuten de la superficie del agua al
aire en diferentes grados
Al enfriar agua es importante tener en cuenta consideraciones que mejoraran al modo
de enfriamiento del agua y que pueden significar un mayor rendimiento en el proceso
industrial Por esta razoacuten los meacutetodos de enfriamiento pueden ser mejorados en base a
estudios preliminares que cumplen con las normas existentes
162
El agua en estado puro no existe y dependiendo de la fuente de donde provenga
contiene un sin nuacutemero de impurezas a continuacioacuten enlistaremos solo las que nos
afectan en el tratamiento interno de los sistemas de enfriamiento
Constituyente Formula Quiacutemica
Dificultad de causa
Dureza Sales de Ca y Mg Fuente principal de incrustaciones en tuberiacuteas
Acidez mineral H2SO4
Libre HCl Corrosioacuten
Dioacutexido de carbono CO2 Corrosioacuten en las liacuteneas de agua
Sulfatos
SO4
Aumenta el contenido de soacutelidos en el agua Se combina con calcio para formar sales incrustantes de sulfato de calcio
Cloruros
Cl como NaCl
Aumento el contenido de soacutelidos e incrementa el caraacutecter corrosivo del agua
Siacutelice
SiO2
Incrustacioacuten en sistemas de agua de enfriamiento
Hierro Fe +2 ferroso
Fe +3 feacuterrico
Fuente de depoacutesitos en las tuberiacuteas
Oxigeno O2 Oxidacioacuten en tuberiacuteas
Sulfuro de hidrogeno H2S Corrosioacuten
Soacutelidos disueltos Elevadas concentraciones de soacutelidos son indeseables debido a que originan formacioacuten de lodos
Soacutelidos suspendidos Originan depoacutesitos en equipos intercambiadores de calor y tuberiacuteas ocasionan formacioacuten de lodos o incrustaciones
Microorganismos Algas limo y hongos
Formacioacuten de adherencia suciedad bioloacutegica corrosioacuten olores desagradables
TABLA 22 IMPUREZAS MAS COMUNES EN EL AGUA QUE AFECTAN LOS
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
De acuerdo a las especificaciones indicadas anteriormente
principalmente se requiere remocioacuten de calor de las bateriacuteas
163
mientras estas se encuentran en el proceso de activacioacuten en tierra
para la cual se plantea algunas alternativas de varios sistemas de
enfriamiento para posteriormente escoger la maacutes oacuteptima
231 Sistema de enfriamiento directo
Las instalaciones donde se van a colocar las bateriacuteas para ser
activadas estaacuten cerca del estero para lo cual se analizaran
ventajas y desventajas de utilizar este sistema
E-1
Agua de mar
Cuarto de
activacion de
baterias
FIGURA 23 ESQUEMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
DIRECTO
Ventajas
Se tiene agua permanente y en gran cantidad tomada desde
el estero
164
No se requiere instalaciones hidraacuteulicas complicadas
Desventajas
El agua que debe ingresar al sistema de enfriamiento de las
bateriacuteas debe ser esteacuteril pero el agua del estero contiene
cantidades apreciables de sales disueltas lo que implica el
que se tendriacutea que pensar en una planta de tratamiento de
agua
El agua caliente que sale como producto de la remocioacuten de
calor retorna al estero se presenta el problema de
contaminacioacuten teacutermica que puede ser tan grave como
cualquier otra forma de contaminacioacuten ya que el agua tibia
estimula el crecimiento anormal de algas que en cierto modo
consume el oxigeno de uso animal
232 Sistema de enfriamiento para Bateriacuteas de Submarino
utilizando Intercambiadores Enfriados por Aire
Consiste en una serie de tubos situados en una corriente de
aire que puede ser forzada con ayuda de un ventilador
Ventajas
Los tubos suelen tener aletas para aumentar el aacuterea de
transferencia de calor
165
Pueden ser de hasta 12 m de largo y 25 a 5 m de ancho
Un intercambiador de aire tiene una diferencia de
temperatura de unos 12 oC
Desventajas
En un intercambiador de calor enfriado por aire hay que
considerar gastos de enfriamiento del agua es
relativamente caro
E-1
Cuarto de activacion de
baterias
E-2
FIGURA 24 ESQUEMA DE SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
UTILIZANDO INTERCAMBIADORES ENFRIADOS POR AIRE
233 Sistema de Enfriamiento de Bateriacuteas de Submarino
Utilizando Chiller
Un Chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea
para el enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor
generado en un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que
el proceso finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su
temperatura y el agua durante el paso por el proceso la eleva
El agua ahora caliente retorna al chiller donde nuevamente se reduce su
temperatura para ser enviada nuevamente al proceso
166
Ventajas
El chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten
Alimentacioacuten al sistema con diferentes caudales y presiones y temperaturas
de agua
Alto rango de enfriamiento inclusive temperaturas de congelacioacuten con
adicioacuten de anticongelantes
Desventajas
Mantenimiento costoso ya que incluye un compresor un condensador
evaporador vaacutelvula de expansioacuten refrigerante y tuberiacuteas
Consumo de energiacutea
CHILLER
ENFRIADOR DE AGUA
DESTILADA
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
FIGURA 25 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIAS PARA
SUBMARINO UTILIZANDO UN CHILLER
234 Sistema de Enfriamiento Utilizando Intercambiador de
Calor y Torre de Enfriamiento
167
Ventajas
Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para
enfriar un fluido que esta maacutes caliente de lo deseado
transfiriendo este calor a otro fluido que esta frio y
necesita ser calentado
La transferencia de calor se realiza a traveacutes de una
pared metaacutelica o de un tubo que separa ambos fluidos
Las torres para enfriamiento de agua son dispositivos
cuya finalidad es extraer calor del agua a traveacutes del
contacto directo con el aire
Las torres tienen muacuteltiples aplicaciones desde
pequentildeas instalaciones de aire acondicionado hasta en
grandes complejos de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
Se puede decir que su uso estaacute justificado en sistemas
que utilizan agua como medio refrigerante donde sea
necesario disipar grandes cantidades de calor a bajo
costo y el salto de temperatura requerido sea del orden
de 10degC
La Armada del Ecuador proporcionara el banco de
tubos de un Intercambiador de Calor en desuso
Desventajas
Sistema ocupa mayor espacio fiacutesico
168
Tiempo de montaje relativamente largo
Sistemas sujetos a mayor corrosioacuten
Alcanza diferenciales de temperatura bajos en relacioacuten
a los otros sistemas
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
INTERCAMBIADOR
DE CALOR
AGUA DE TORRE CALIENTE (SALE
DEL INTERCAMBIADOR)
AGUA DESTILADA
CALIENTE SALE DE
BANCO DE BATERIAS
AGUA FRIA DE
TORRE ENTRA AL
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA FRIA
SALE DE
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA A
TEMPERATURA
ADECUADA (FRIA)
ENTRA A LAS BATERIAS
FIGURA 26 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO UTILIZANDO
INTERCAMBIADOR DE CALOR Y TORRE DE
ENFRIAMIENTO
24 Seleccioacuten de la Mejor Alternativa para el Sistema de
Enfriamiento de las Bateriacuteas
169
Para la seleccioacuten del sistema de enfriamiento para las bateriacuteas
de los submarinos se utilizaraacute una matriz de decisioacuten de
acuerdo a los paraacutemetros descritos anteriormente tomando en
cuenta las ventajas y las desventajas de cada sistema se ha
tomado en cuenta para esta operacioacuten los paraacutemetros maacutes
significativos en el proceso de la solucioacuten del problema
asignando a cada uno un porcentaje de acuerdo a la
importancia que este brinda para escoger la solucioacuten
Para ingresar a la matriz a las alternativas se les reconoceraacute
con sus iniciales
Sistema de enfriamiento directo SED
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador
enfriado por aire
SEIEA
Sistema de enfriamiento utilizando chiller SECh
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador de
calor y Torre de enfriamiento
SEICTE
170
Paraacutemetros
1 Costos de los sistemas de enfriamiento 3
2 Mantenimiento de equipos 4
3 Cumple con especificaciones y requerimientos de la
propuesta 2
4 Facilidad para adquisicioacuten de equipos 3
5 Durabilidad del sistema 1
1 2 3 4 5 Total
3 4 2 3 1
SED 25 2 0 15 05 65
SEIEA 15 10 10 10 05 50
SECh 05 10 10 10 10 45
SEICTE 15 15 15 15 10 70
TABLA 23 MATRIZ DE DECISION
De acuerdo a la matriz de decisioacuten planteada la solucioacuten maacutes
adecuada es la propuesta del sistema de enfriamiento con
intercambiador de calor y torre de enfriamiento
Existen varias torres de enfriamiento que se podriacutean adaptar al
sistema a continuacioacuten se mencionaran cada una de estas para
seleccionarla de por medio de otra matriz de decisioacuten
171
25 Torres de Enfriamiento y su Clasificacioacuten
251 Torres de circulacioacuten natural
Estas no hacen uso de ventiladores para la circulacioacuten de aire se clasifican en
torres atmosfeacutericas
torres de tiro natural
Torres atmosfeacutericas
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Utilizan las corrientes de aire de la atmoacutesfera (son de flujo cruzado)
2 Son abiertas
3 Deben instalarse en lugares muy despejados de forma que ninguacuten obstaacuteculo
pueda impedir la libre circulacioacuten de aire a traveacutes de la torre
4 Tienen un costo inicial alto debido a su gran tamantildeo pero el costo de
mantenimiento es reducido al no existir partes mecaacutenicas moacuteviles
5 Se debe garantizar que funcionaraacute habitualmente expuesta a vientos de
velocidades iguales o superiores a los 8 kmh
6 Si la velocidad promedio del viento es baja los costos fijos y de bombeo
aumentan mucho en relacioacuten a una torre de tiro mecaacutenico y no compensan el
ahorro del costo de ventilacioacuten Actualmente las torres atmosfeacutericas estaacuten en
desuso
172
Torres de tiro natural
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno
2 La diferencia de densidades entre el aire huacutemedo caliente y el aire atmosfeacuterico
es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a traveacutes de la torre
3 La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el
viento que circula por la parte superior de la chimenea tambieacuten ayuda a
establecer el flujo de aire
4 Son altas y deben tener una seccioacuten transversal grande para facilitar el
movimiento del aire ascendente
5 Tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes
caudales de agua
6 Al igual que las torres atmosfeacutericas no tienen partes mecaacutenicas
7 La velocidad media del aire a traveacutes de la torre suele estar comprendida entre 1
y 2 ms
8 No es posible conseguir un valor de acercamiento pequentildeo y es muy difiacutecil
controlar exactamente la temperatura del agua
9 En las torres de tiro -natural no se pueden utilizar rellenos de gran compacidad
debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo maacutes pequentildea posible
10 Estas torres son muy utilizadas en centrales teacutermicas muy pocas veces son
aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversioacuten inicial necesaria
252 Torres de tiro mecaacutenico
1 Proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado
2 Son torres compactas con una seccioacuten transversal y una altura de bombeo
pequentildeas en comparacioacuten con las torres de tiro natural
3 Valores de acercamiento muy pequentildeos (hasta de 1 a 2 ordmC aunque en la
praacutectica acostumbra a ser de 3 a 4 ordmC)
4 Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire el tiro es forzado
173
5 Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire se habla de tiro
inducido
Torres de tiro forzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre
2 Son casi siempre de flujo a contracorriente
3 Son maacutes eficientes que las torres de tiro inducido puesto
que la presioacuten dinaacutemica convertida a estaacutetica realiza un
trabajo uacutetil El aire que se mueve es aire friacuteo de mayor
densidad que en el caso de tiro inducido
4 El ventilador trabaja con aire friacuteo y no saturado
5 El equipo mecaacutenico tendraacute una duracioacuten mayor que en el caso de tiro inducido
6 El inconveniente radica en la posibilidad de recirculacioacuten del
aire de salida hacia la zona de baja presioacuten creada por el
ventilador en la entrada de aire En la siguiente figura se
puede observar la distribucioacuten de sus partes constituyentes
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
174
Flujo de aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 27 TORRE DE ENFRIAMIENTO DE TIRO FORZADO
Torres de tiro inducido
Estas torres son de gran importancia a nivel industrial son solucioacuten econoacutemica
a los requerimientos de enfriamiento pueden ser de dos tipos
De flujo a contracorriente
De flujo cruzado
Torres de tiro inducido y flujo a contracorriente
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Tanto el agua como el aire van en la misma direccioacuten pero en
sentidos opuestos
2 El agua maacutes friacutea se pone en contacto con el aire maacutes seco
lograacutendose un maacuteximo rendimiento
3 El aire puede entrar a traveacutes de una o maacutes paredes de la torre
4 Altura de entrada de aire reducida en comparacioacuten con las de tiro
inducido y flujo cruzado Existe el riesgo de arrastre de suciedad y
cuerpos extrantildeos dentro de la torre debido a la velocidad de
entrada de aire
5 La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se
traduce en un aumento de la potencia de ventilacioacuten en
comparacioacuten con otras torres En la siguiente figura se observa la
distribucioacuten de las partes constituyentes de este tipo de torre
175
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Ducto de salida de aire
Ventilador
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
Bandeja colectora de agua friacutea
Agua friacutea
Acceso de aire friacuteo no saturado
FIGURA 28 TORRE DE FLUJO A CONTRACORRIENTE Y TIRO
INDUCIDO
Torres de tiro inducido y flujo cruzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
176
1 El aire circula en direccioacuten perpendicular respecto al
agua que desciende
2 Tienen una altura menor que las torres de flujo a
contracorriente ya que la altura total de la torre es
praacutecticamente igual a la del relleno Pero su
diaacutemetro o seccioacuten transversal es relativamente
mayor a las de tiro inducido y flujo a contracorriente
3 El mantenimiento de estas torres es menos
complicado que en el caso de las torres a
contracorriente
4 Facilidad de inspeccioacuten de los distintos
componentes internos de la torre
5 La principal desventaja de estas torres es que no
son recomendables para aquellos casos en los que
se requiera un gran salto teacutermico y un valor de
acercamiento pequentildeo puesto que ello significaraacute
maacutes superficie transversal y maacutes potencia de
ventilacioacuten que en el caso de una torre de flujo a
contracorriente
En la siguiente figura se observan sus partes
177
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Depoacutesito
surtidor de agua caliente
Aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 29 TORRE DE FLUJO CRUZADO Y TIRO INDUCIDO
253 Especificacioacuten del Tipo de Torre de Enfriamiento a Usarse
Para seleccionar el tipo de torre de enfriamiento adecuado empleo una matriz de
decisioacuten en la que en la primera fila pondero al costo inicial costo de operacioacuten
tamantildeo compacto facilidad de mantenimiento y sobre todo al espacio requerido
para el montaje como las caracteriacutesticas requeridas para solucionar el problema
Las alternativas de solucioacuten son las 5 clases de torre de enfriamiento a las que
asigno una jerarquiacutea del 1 al 10 en funcioacuten de las caracteriacutesticas dadas en la
anterior clasificacioacuten de las torres de enfriamiento
De la sumatoria de los valores resultantes de la multiplicacioacuten de ponderacioacuten y
jerarquiacutea de cada tipo de torre se elegiraacute al tipo que posea mayor resultado
178
TABLA 25 MATRIZ DE DECISION PARA SELECCIONAR EL TIPO DE TORRE
Es evidente que la mejor opcioacuten es el tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico
y flujo a contracorriente Esto debido a que comparativamente tiene menor tamantildeo
y aacuterea de montaje requerido aunque no posea los menores costos iniciales y de
operacioacuten tal es el caso del tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico forzado
Esta es relativamente maacutes difiacutecil de limpiar y realizar su montaje razoacuten por la que
se descarta
179
CAPITULO 3
3 ANALISIS TEacuteRMICO
31 Descripcioacuten del Sistema
A partir de la figura 26 implica algunos anaacutelisis para el disentildeo del sistema de enfriamiento y es asiacute
que
Las bateriacuteas como se indico en los requerimientos del sistema van a ser cargadas 120 a la vez esto se
lo va a realizar en el galpoacuten asignado por el personal encargado del proyecto por parte de la Armada
del Ecuador
En este sitio tiene capacidad para almacenar 240 bateriacuteas como se vio en los requerimientos
eleacutectricos las bateriacuteas tienen periodos de tiempo de carga y descarga por lo que se requiere realizar
primeramente un disentildeo de un sistema que permita enfriar primeramente a 120 bateriacuteas por un tiempo
y en el periodo de descarga llevar a cargar las 120 bateriacuteas que se encuentran a continuacioacuten
180
FIGURA 31 DISPOCISION DE LAS BATERIAS EN EL CUARTO DE ACTIVACION
Para ello se disentildeo un sistema moacutevil que consta de parrillas suspendidas en ruedas en esta parrilla se
colocara las tuberiacuteas de circulacioacuten de agua destilada friacutea y saldraacute de las bateriacuteas agua destilada
caliente se indica esta disposicioacuten en el Plano 1 la parte del disentildeo de la estructura moacutevil no seraacute
parte de esta tesis
FI
GURA 32 DISPOSICION DE TUBERIA
FIGURA 33 SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO
181
FIGURA 34 DISPOSICION DE BATERIAS EN CUARTO DE ACTIVACION CON SISTEMA DE
DESPLAZAMIENTO
FIGURA 35 SISTEMA MOVIL PARA LLEVAR FLUIDO DE ENFRIAMIENTO A LAS BATERIAS
CONSTRUIDO
182
Una vez que se ha descrito el sistema el cual va a llevar el agua destilada para el enfriamiento de las
bateriacuteas se tiene que describir el sistema de enfriamiento en si del agua destilada para ello la Armada
del Ecuador doto de un intercambiador de calor que por el interior circulara agua destilada caliente para
que por su exterior circule agua friacutea proveniente de la torre de enfriamiento cerrando de esta manera el
circuito cabe notar que el intercambiador de calor es del tipo tubo coraza pero el intercambiador
adquirido no posee su coraza
Antes de hacer el disentildeo se hizo un anaacutelisis de la factibilidad de construir este sistema en nuestro
medio se consulto en el mercado el costo de una torre de enfriamiento adquirida en una empresa
importadora de estos equipos frente al anaacutelisis de una torre que se pueda construir en ERMARLO SA
resultando maacutes conveniente la construccioacuten de la torre y el acondicionamiento en el sistema de
enfriamiento este anaacutelisis se demostrara en el capiacutetulo de costos
32 Datos de Operacioacuten
A) FLUJO
1) Agua destilada
15 m3h
2) Agua de mar
15 m3h
B) PRESION
1) Agua destilada
25 kgcm2
2) Agua de mar
de la torre
C) TEMPERATURA DE
ENTRADA
183
1) Agua destilada
38 0C
2) Agua de mar
28 0C
D) TEMPERATURA DE
SALIDA
1) Agua destilada
3310C
2) Agua de mar
329 0C
E) DATOS DEL AIRE
1) Temperatura de bulbo seco
322 0C
2) Temperatura de bulbo
huacutemedo 788
33 Consideraciones del
Sistema
El sistema se instalara en un
patio al aire libre
El intercambiador de calor
debe permitir facilidades de limpieza y mantenimiento
El agua a usarse para la
torre seraacute agua potable
184
La velocidad del viento en Guayaquil es variable asiacute que el disentildeo de la torre no debe
depender de la velocidad del viento
El intercambiador de calor
dotado por parte de la Armada del Ecuador del tipo de haz de tubos y coraza este
dispositivo no posee la coraza
Para lo cual el
intercambiador de calor se analizara sumergiendo eacutel en la piscina de la torre de
enfriamiento esta disposicioacuten arrancara calor de los tubos del intercambiador para por el
meacutetodo de conduccioacuten teacutermica pasar calor al agua de la torre y hacerla circular
El agua destilada y el agua
de la torre no deben mezclarse
FIGURA 36 DISENO DE FORMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
185
34 Seleccioacuten del
Intercambiador de Calor
Un intercambiador de calor es un dispositivo que efectuacutea la transferencia de calor de un fluido a otro
que se encuentran a diferentes temperaturas y separados por una frontera solida
En forma muy general se pueden clasificar los intercambiadores de calor de acuerdo al tipo de
superficie
FIGURA 36 INTERCAMBIADOR DE HAZ DE TUBOS
186
En la primera etapa se toman en cuenta consideraciones referidas al tipo de intercambio de calor que
se produce En la segunda etapa se obtienen las propiedades de los fluidos en funcioacuten de las variables
conocidas y se calcula el coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A En la tercera etapa se elige
un intercambiador adecuado para este servicio teniendo en cuenta el coeficiente global U el aacuterea de
intercambio A y las caracteriacutesticas de los fluidos y de las corrientes En la cuarta se vuelve a calcular el
coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A Si no coinciden con el intercambiador previamente
elegido se vuelve al paso tres Si coinciden se da por terminado el proceso [2]
341 Meacutetodo F ndash LMTD para Seleccionar el Intercambiador de Calor
El balance de energiacutea da como resultado
[Energiacutea perdida por el flujo caliente]= [Energiacutea ganada por el flujo friacuteo]
O bien
mh ch(Thi ndash Th0) =mc cc(Tci ndash Tc0) Ec1
Donde
m h Flujo maacutesico del fluido caliente
c h Calor especiacutefico del fluido caliente
Thi Temperatura de entrada del fluido caliente
T h0 Temperatura de salida del fluido caliente
m c Flujo maacutesico del fluido friacuteo
c c Calor especiacutefico del fluido friacuteo
T c i Temperatura de entrada del fluido friacuteo
T c0 Temperatura de salida del fluido friacuteo
El producto (mc) aparece con frecuencia en el anaacutelisis de intercambiadores de calor y
es denominado Capacidad caloriacutefica C
C (mc)
Existen dos metodologiacuteas de anaacutelisis teacutermico de intercambiadores de calor
187
1 Meacutetodo F-LMTD
2 Meacutetodo - NTU
A continuacioacuten se presentara el anaacutelisis F-LMTD para la seleccioacuten del intercambiador de
calor
FIGURA 37 DISTRIBUCION DE TEMPERATURAS EN UN INTERCAMBIADOR DE
DOBLE TUBO EN TUBO PARALELO[1]
Se propone calcular el flujo de calor mediante
Ec 2
Donde
q Flujo de calor [W]
U Coeficiente global de transferencia de calor [Wm2K]
A Aacuterea de transferencia de calor consistente con U
Diferencia de temperatura media
188
En la figura 37 se muestra la historia de las temperaturas de los fluidos friacuteos y calientes
de este modo un balance de energiacutea nos da como resultado
Ec 3
Incorporando la capacidad caloriacutefica y arreglando la ecuacioacuten tenemos
= Ec4
Ec5
Restando ambas ecuaciones
Ec6
Sustituyendo la expresioacuten de calor expresada por
Ec7
Se obtiene la siguiente ecuacioacuten diferencial
Ec8
Integrando la ecuacioacuten anterior entre el punto 1 y el 2 se obtiene
Ec9
Si
Ec10
Ec 11
De manera que sustituyendo las ecuaciones anteriores en la ecuacioacuten previamente
integrada S
189
Ec12
Que al despejar de la ecuacioacuten anterior q se tiene
Ec13
De la uacuteltima ecuacioacuten se reconoce
Donde LMTD son las siglas en ingles de Logarithm Mean Temperature Difference
(Diferencia de temperatura logariacutetmica media)
Esta ecuacioacuten se aplica la misma expresioacuten para LMTD tanto en flujo paralelo como en
contra corriente[1]
Asignacioacuten de flujos
Las reglas aplicables para determinar que fluido va por el casco y cual por los tubos son
1- El fluido a mayor presioacuten va en los tubos
2- El fluido maacutes corrosivo va en los tubos
3- Los fluidos maacutes sucios van en los tubos
4- El fluido con menor peacuterdida de presioacuten va en el casco
5- El fluido a condensar en el casco
Diagramas Teacutermicos
Un diagrama teacutermico es la representacioacuten de la temperatura de las corrientes en funcioacuten
del calor transferido o de la longitud Si existe cruce de temperaturas seraacute necesario
utilizar varios intercambiadores en serie
Diferencia de temperatura media corregida
La diferencia media de temperaturas MTD en un intercambiador de calor de tubo coraza
es la diferencia media logariacutetmica de temperaturas multiplicada por un factor F
MTD = F LMTD Ec 14
De la ecuacioacuten 13 tenemos que
190
= Ec15
Siendo T temperatura de fluido caliente t temperatura de fluido frio
1 entrada 2 salida
El factor F se obtiene de las graficas que se daraacuten en el apeacutendice 1 Un valor de F lt 08
no es admisible por disentildeo hay que calcular P y R seguacuten las condiciones
Ec 16
Ec17
SELECCIOacuteN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Se tiene que obtener primeramente el calor removido por el intercambiador de calor para
lo cual se utilizara la ec1
q=mhch∆T Ec 11
Ch=1BTUlb 0F
∆T=88 0F
mh=Qρ Ec 12
donde
Q=15 m3h = 5297 ft
3h
ρ=6199 lbft3 Para 100
oF (ver anexo 1)
Sustituyendo en la ec12
mh=5297 ft3h6199 lbft
3 = 32836103 lbh
por lo tanto sustituyendo valores en la ec 12
q=27182539 BTUh
q=796599 W
191
Con los datos suministrados se seleccionara el intercambiador de calor adecuado
Thi = 1004
T h0 = 9158
m c = 15 h = 6605 GPM
T c i = 824
T c0 = 912
q = 27182539 BTUh
U = 150 BTUpie2
obtenido de la tabla 31
TABLA 31 ESCALA DE PRESION Y VALOR U PARA TIPOS DE
INTERCAMBIADORES DE CALOR[16]
De la Ec 2 obtenemos el aacuterea de transferencia del intercambiador
Ec 18
192
MTD = LMTD F diferencia de temperaturas medias corregidas
LMTD = 918 este valor es obtenido de la Ec 15
Para encontrar el factor de correccioacuten F utilizamos el Apeacutendice C Ingresando los valores
P y R dadas en las ecuaciones 16 y 17 obtenemos
P = 055
R = 117
F = 09
Por lo tanto
MTD = 918 09 = 82
Por la Ec 18 el aacuterea de transferencia de calor es
A = 2209 pie2 = 2052 m
2
Para calcular el nuacutemero de tubos del intercambiador tubo coraza se plantea la siguiente
ecuacioacuten
Ec 19
ardquo es un factor obtenido para el tubo frac34 obtenido del Apeacutendice E y es 0193 piepie2
por
el aacuterea de disponibilidad donde se construiraacute el sistema tiene una longitud de 8 pie
Por lo tanto el nuacutemero de tubos requeridos para el intercambiador de calor es
Nt = 14072 tubos de frac34rdquo
193
TABLA 32 AREA TRANSVERSAL DE FLUJO Y SUPERFICIE PARA
INTERCAMBIADORES DE CALOR [16]
35 Uso de Software para
Seleccioacuten de Intercambiador de Calor
En este punto se pretende realizar un anaacutelisis comparativo de los resultados obtenidos
mediante el meacutetodo analiacutetico frente al uso de un software mediante el cual se
seleccionara el intercambiador de calor requerido para el sistema de enfriamiento que se
trata
El software que se utilizara es el ESP ndash PLUS V 20 HEAT EXCAHANGER este software
daraacute como resultados el tipo de intercambiador de calor que existe comercialmente
FIGURA 38 VENTANA DE INICIO DEL PROGRAMA
194
FIGURA 38 VENTANA DE SELECCIOacuteN DE TIPO DE INTERCAMBIADOR A UTILIZARSE Y LOS
TIPOS DE FLUIDOS
195
FIGURA 39 VENTANA INGRESO DE DATOS TANTO PARA INTERCAMBIADOR COMO PARA EL
FLUIDO CIRCUNDANTE DA COMO RESULTADO LA TAZA DE FLUJO EN GPM
196
FIGURA 310 SE INTRODUCE LOS DATOS DE MATERIALES DEL INTERCAMBIADOR DE
CALOR
197
FIGURA 311 VENTADA EN LA QUE SE INTRODUCE DATOS DE LONGITUD DEL
INTERCAMBIADOR PRESION INTERNA EN LOS TUBOS Y FACTOR DE FRICCION DENTRO DE
LOS TUBOS
198
FIGURA 312 VENTANA RESULTADOS EN LA PRESION DE DISENO MATERIAL DE TAPAS
DEL INTERCAMBIADOR MATERIAL DE LOS TUBOS Y TUBERIA DE INGRESO AL MATERIAL
199
FIGURA 313 VENTANA DE RESULTADOS
200
FIGURA 314 VENTANA DE RESULTADOS
De acuerdo a este software el intercambiador que se va a seleccionar es el WU16 7 ndash 2 4 que es la
denominacioacuten comercial del constructor ITT Bell amp Gosset creador de este software
La denominacioacuten WU 16 7 ndash 2 4 cada letra y nuacutemero tiene su significado teacutecnico que a continuacioacuten se
detalla
WU Serie de intercambiador de calor
16 Diaacutemetro de la coraza del intercambiador en unidades inglesas
7 Longitud de tubo
2 Numero de pasos del intercambiador de calor
201
4 Espaciamiento de bafles
Al realizar el anaacutelisis comparativo con los meacutetodos de seleccioacuten se tiene que por el meacutetodo analiacutetico se
tiene un aacuterea de 221 ft2 frente al software que nos arroja un aacuterea de 274 ft
2 este valor diferencia
notoriamente a que la seleccioacuten del factor U en el meacutetodo analiacutetico se lo selecciono 150 BTUpie2
el
software utiliza y factor de 137 BTUpie2
notando este paraacutemetro relativamente la diferencia de aacuterea
de los dos anaacutelisis serian casi indiferentes con lo que estariacuteamos en capacidad de decidir si el
intercambiador dotado por la Armada Nacional esta dentro de los paraacutemetros requeridos dado que este
consta de 160 tubos en disposicioacuten triangular dando un aacuterea de transferencia de calor de 24707 ft2
certificando de esta manera que el intercambiador que se posee entra en el rango requerido para el
sistema por lo tanto se lo utilizara para el proceso requerido de enfriamiento del fluido caliente extraiacutedo
del banco de bateriacuteas que estaacuten en el proceso de activacioacuten
FIGURA 315 DISPOSICIONES DEL HAZ DE TUBOS [9]
Los resultados obtenidos del software se presentaran en el Anexo 3
36 Disentildeo de la Torre de
Enfriamiento
El proceso de termotransferencia que se produce en una torre para
enfriamiento de agua cualquiera fuese su tipo es el resultado de la
202
interaccioacuten entre el medio gaseoso refrigerante (aire) y el fluido a
enfriar (agua)
En las torres el agua se encuentra en contacto directo con el aire que
la enfriacutea y el proceso de transferencia de calor se realiza en parte por
intercambio de calor sensible entre la fase liacutequida y la gaseosa pero
en mayor medida por la formacioacuten de vapor de agua en la interfase
liacutequidogas y su posterior difusioacuten en el aire que la circunda
El proceso de transferencia de masa entre el liacutequido y el aire estaacute
iacutentimamente conectado con el de transferencia de calor En efecto
con el cambio de fase desde liacutequido a vapor se absorbe calor lo cual
da lugar a gradientes de temperatura en el aire adyacente a la
superficie liacutequida En muchos casos praacutecticos las condiciones en
que se desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse
que la difusividad teacutermica y el coeficiente de difusioacuten maacutesico son
iguales
203
FIGURA 316 IDEALIZACION DEL FENOMENO DE
TRANSFERENCIA [10]
361 Fundamento del Enfriamiento por Evaporacioacuten
El principio fundamental en que se basa el enfriamiento del
agua por evaporacioacuten es en el que el agua para transformarse
en vapor necesita calor (calor latente de vaporizacioacuten) cuyo
valor el alrededor de 1000 BTU lb de agua evaporada valor
que pone en manifiesto que pequentildeas cantidades de agua
evaporada producen altos efectos de enfriamiento
Este calor es tomado principalmente del liacutequido remanente lo
que produce un descenso de su temperatura
La evaporacioacuten se produce poniendo en contacto directo agua
caliente con aire atmosfeacuterico ambiente de humedad relativa
204
baja en dispositivos especiales que variacutean en complejidad
desde piscinas o lagunas abiertas hasta las torres de
enfriamiento de tiro mecaacutenico
Cuando se requiere enfriar raacutepidamente y continuamente
grandes cantidades de agua las torres de enfriamiento son las
teacutecnicas maacutes ventajosas y su funcioacuten principal es la de reducir
la temperatura del agua circulante a los valores maacutes
adecuados seguacuten el tipo de operacioacuten que tenga
Baacutesicamente el funcionamiento de una torre de enfriamiento
convencional es el siguiente
El agua caliente llega por tuberiacuteas a un distribuidor situado en la
parte superior de la unidad a una temperatura Tho luego es
distribuida en forma de pequentildeas gotas a traveacutes de una
instalacioacuten compleja de material de relleno de diferentes tipos y
calidades variando desde madera incorruptible materiales de
fribrocemento PVC ceraacutemica etc los cuales son ubicados en
forma de mallas o enrejados que dispersan la corriente
descendente del liquido y de esta forma obtener una aacuterea
maacutexima de transferencia con el aire atmosfeacuterico el cual entra
por parte inferior de la torre con una temperatura Tci de bulbo
205
seco y una humedad absoluta Yrsquo1 expresada en lb de vapor de
agua lb de aire seco
362 Caacutelculos
Datos para realizar el caacutelculo de la torre de enfriamiento
Flujo a ser enfriado L
66 GPM
Calor removido por el
intercambiador q 27182539 BTUh
Temperatura que
sale del intercambiador de calor para entrar en la torre tL2
9120 0F
Temperatura del
agua requerida luego del enfriamiento en la torre de
enfriamiento tL1 8240 0F
Temperatura de
bulbo huacutemedo tbh 7880 0F
Temperatura de
bulbo seco del aire que entra tG1 7900 0F
Temperatura del
agua de la tuberiacutea de alimentacioacuten a la torre de enfriamiento
tm 8500 0F
206
Con los datos suministrados se desea obtener los siguientes valores
a Valor teoacuterico del coeficiente total de transferencia de masa Kya
b Calculo de la seccioacuten transversal de la torre A
c Calculo del flujo de aire que circula por la torre Gs
d Calculo de la zona empaquetada Z
e Calculo de agua de compensacioacuten M
Para realizar el disentildeo de la torre de enfriamiento se debe seguir
ciertos pasos que daraacuten la pauta para disentildear una torre de
enfriamiento para cualquier necesidad o requerimiento
1 Capacidad de la
Torre de Enfriamiento
q=27182539 BTUh
Este es el calor que remueve el intercambiador de calor y que
es transmitido al agua de la torre
La capacidad de la torre se mide en Toneladas de
Refrigeracioacuten TR que es una unidad de potencia
207
Es asiacute que se tiene las siguientes relaciones para poder saber
en teacuterminos de TR la capacidad de disentildeo para la torre de
enfriamiento
1TR=3517 W = 3024 Kcalh = 3024 Frigh Ec 20
De donde
27182539 BTUh 1 TR12000 BTUh = capacidad de la torre
Capacidad de la torre = 2262 TR
Flujo especifico Lrsquo
L es flujo de agua y Lrsquo es el flujo especifico de agua que se en
encuentra en la figura 318 este valor se encuentra en
funcioacuten del rango de enfriamiento del agua (Tho ndash Thi) y la
temperatura de bulbo huacutemedo Tbh
FIGURA 317 FLUJO ESPECIFICO Lrsquo [7]
208
El valor de flujo especifico de agua que nos da la figura 317
es Lrsquo=20 galmin ft2
L= 66 GPM
Datos para las condiciones de disentildeo de la torre de
enfriamiento
E-1
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
AIREAGUA
q=27182539 BTUh
L=33000 lbh
tL2=9120 FHrsquo2=
Yrsquo2=
tL1=8240 F
Gs=
tG1=79 F
Tw1=788 F
Yrsquo1=002
Hrsquo1=
tM=85 F
M(lbh)
FIGURA 318 DIAGRAMA DEL SISTEMA PARA EL
DISENtildeO
209
Anaacutelisis de la curva de equilibrio
La teoriacutea del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento es la
que desarrolloacute el Dr Merkel Se basa en la diferencia del potencial de entalpiacutea
entonces se supone que cada partiacutecula de agua estaacute rodeada por una peliacutecula de
aire y que la diferencia de entalpiacutea entre la misma y el aire circundante
proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento
A continuacioacuten se ilustran las relaciones del agua aire y el potencial impulsor que
existe en una torre de contra flujo
FIGURA 319 RELACIONES DE AGUA Y AIRE DE UNA TORRE A
CONTRA FLUJO [25]
De la figura anterior la operacioacuten del agua estaacute representada por la liacutenea AB y se
especifica por medio de las temperaturas del agua de la torre en la entrada y
salida La liacutenea de operacioacuten del aire inicia en C verticalmente por debajo de B y
en un punto que tiene una entalpiacutea correspondiente a la temperatura de entrada
de bulbo huacutemedo La liacutenea BC representa la fuerza impulsora inicial (hrsquo- h) El
aire que sale de la torre se representa por medio del punto D y la gama de
210
enfriamiento es la longitud proyectada de la liacutenea CD sobre la escala de
temperaturas
Resumiendo la teoriacutea del Dr Merkel como se observa en la figura 319
considera el flujo de masa y energiacutea del agua a la interfase y de la interfase a la
masa gaseosa Cuando el flujo cruza estas dos fronteras cada una ofrece una
resistencia a la transferencia de materia y energiacutea que resulta en gradientes de
temperatura entalpiacutea y de humedades
El Dr Merkel demostroacute que
Q = KS(hw - ha) Ec21
S = aV Ec22
Donde
Q Calor total transferido en Btuh oacute kJh
K Coeficiente total de transferencia en lbh pie2 oacute kgh m
2
S Aacuterea de transferencia en pie2 oacute m
2 caracteriacutestica fiacutesica
a Aacuterea de transferencia equivalente por unidad de volumen 1pie oacute 1m
V Volumen efectivo de la torre pie3 oacute m
3
hw Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura del agua Btulb oacute kJkg
ha Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura de bulbo huacutemedo Btulb oacute kJkg
Existen paraacutemetros citados en la Ec21 que no son constantes tanto entalpiacuteas
como temperaturas cambian a lo largo de la torre luego derivaacutendola
dQ = d[KS(hw-ha)] = K(hw-ha)dS Ec23
Para la transferencia de calor del lado del agua
Q = CwL(thw ndash tcw) Ec24
dQ = CwLdtw Ec25
211
donde
Cw Calor especiacutefico del agua kJ(kg ordmK) BTUlb F
L Flujo maacutesico del agua que ingresa a la torre kgs lbh
tw Temperatura del agua en contacto con el relleno ordmK 0F
thw Temperatura del agua caliente que ingresa a la torre ordmK 0F
tcw Temperatura del agua friacutea que sale de la torre ordmK 0F
Para la transferencia de calor del lado del aire
Q = G(hoa ndash hia) Ec26
dQ = Gdha Ec27
Donde
G Flujo maacutesico del aire que ingresa a la torre lbh oacute kgs
hia Entalpiacutea de mezcla gaseosa que ingresa a la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
hoa Entalpiacutea de mezcla gaseosa que sale de la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
Haciendo uso de las ecuaciones 23 25 y 27 se puede obtener el calor total por
medio de las siguientes ecuaciones
K(hw-ha)dS = CwLdtw Ec28
K(hw-ha)dS = Gdha Ec29
Que se puede rescribir de la siguiente manera
aw
a
hh
dhGdSK
Ec30
aw
ww
hh
dtC
L
dSK
Ec31
Integrando las Ecuaciones 30 y 31 se tiene
hoa
hia aw hh
dh
L
G
L
KaV
L
KS Ec32
212
thw
tcw aw
ww
hh
dtC
L
KaV
L
KS Ec33
ldquoAl teacutermino KaVL se lo denomina la caracteriacutestica de la torrerdquo
La curva caracteriacutestica es utilizada para determinar el buen funcionamiento de la
torre KaVL es una medida del grado de dificultad para los requerimientos de
enfriamiento del liquido Esta curva tambieacuten puede llamarse ldquoCurva de
Requerimientos de Disentildeordquo puesto que es una medida del grado de dificultad para
alcanzar los requerimientos de disentildeo
2 Calculo de la
humedad absoluta Yrsquo1y entalpia del aire entrando Hrsquo1
para la temperatura tbh
De la carta psicomeacutetrica que se encuentra en el Apeacutendice H
se puede construir la siguiente tabla mostrada en la tabla 33
esta tabla nos indica valores de entalpias y humedades para
mezclas de aire ndash agua a 147 lbplg2
Interpolando se obtiene valores para
Yrsquo1=0022 lb de vapor de agualb de aire seco
De las relaciones psicomeacutetricas para el sistema aire ndash agua
se obtiene que
Hrsquo1= (024+045Yrsquo1)(tG1 - 32) + 10758 Yrsquo1 Ec 34
213
Hrsquo1= 249 BTUlb de aire seco
Con los datos de las temperaturas entalpias encontradas se
puede construir el diagrama de operacioacuten para esta torre de
enfriamiento representada en la figura 320 con los valores
de entalpia de la mezcla aire ndash vapor de agua como
ordenadas y los valores de temperatura como abscisas aquiacute
se representa la curva de entalpia para el aire saturado dado
en la carta psicomeacutetrica H la cual es construida con los datos
de la tabla ubicada en el Apeacutendice H
Para obtener la liacutenea de operacioacuten sobre este diagrama se
ubica el punto N que representa las condiciones de entrada
de la torre esto es tL1=8240 0F y Hrsquo1= 249 BTUlb de aire
seco
La liacutenea de operacioacuten pasara por el punto N y terminara en
alguacuten punto sobre la ordenada trazada por el punto
tL2 = 91200F Para el miacutenimo valor de Gs la liacutenea de
operacioacuten tendraacute la mayor pendiente y tocara
tangencialmente a la curva de equilibrio por lo tanto pasara a
traveacutes del punto Orsquo en donde Hrsquo2= 52 BTU por lb de aire seco
214
Seguacuten lo anterior la pendiente de la liacutenea OrsquoN seraacute por lo
tanto
L CGs min = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1 Ec35
=
Gs min = 1071586 lb de aire seco h
Para que la torre no sea muy alta se considera 15 veces Gs
min
Gs real = 15 1071586 lb de aire seco h
Gs real = 1607380 lb de aire seco h
Una vez determinado el valor Gs real se puede hallar el valor
de la relacioacuten de flujos liacutequido ndash aire
L Gs real = 33000 lbh 1607380 lbh
L Gs real = 205
Como ya se tiene el valor de la pendiente de la liacutenea de
operacioacuten LG que se va a utilizar para el disentildeo faltariacutea
determinar el valor de la ordenada del punto de interseccioacuten
entre la liacutenea de operacioacuten y la vertical trazada por el punto
tL2=912 0F
215
Calculo de la entalpia del aire que sale Hrsquo2
De la ec22 tenemos que
L CGs real = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1
Despejando el valor Hrsquo2 se tiene
Hrsquo2 = (L CGs real (t L2 ndash t L1)) + Hrsquo1
Hrsquo2 = 4294 BTUlb de aire seco
Con los valores obtenidos se puede representar el punto O y
finalmente la liacutenea de operacioacuten seraacute la liacutenea ON
representada en la figura 320
216
FIGURA 320 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE
ENFRIAMIENTO DEL AGUA
3 Calculo de la altura de la
zona empaquetada Z
Utilizando el teacutermino KaVL que nos representa la ldquoCurva de Requerimientos de
Disentildeordquo dado en al ec 33 se procede a calcular la altura de la zona empaquetada
=
Para determinar el valor del integral de la ecuacioacuten propuesta
el cual puede ser calculado por tres formas
a Analiacuteticamente si se conoce la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo
b Integracioacuten grafica
c Integracioacuten numeacuterica
Como se tiene la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo dado en la figura 320 se
usara el meacutetodo de integracioacuten numeacuterica a intervalos de 2 0F
t H Hrsquo H ndash Hrsquo (H ndash Hrsquo)2 At(H ndashHrsquo)2
80 251 185 66
82 272 2217 503 58 034
84 323 2703 527 515 038
217
86 375 3109 641 584 034
88 415 3480 67 655 030
90 487 4120 75 710 028
92 542 4480 94 845 023
= 187
TABLA 33 VALORES DE ENTALPIA
= 187
El valor de kya se obtiene de la tabla 34 interpolando entre
los valores de L 500 ndash 1000 y G 250 por lo tanto tenemos un
Kya=347
Lrsquo=2GPM =`1000 lb de aguah ft2
Por lo tanto el valor de Z es
Z = 538 ft = 163 m
218
TABLA 34 CARACTERISTICAS DE HUMIDIFICACION [4]
4 Calculo de la
Cantidad de Agua de Compensacioacuten M
Realizando un balance de entalpias de acuerdo a la figura
318 se tiene
q + M Cw (tM ndash t0) = Gs (Hrsquo2 ndash Hrsquo1) Ec336
donde
q = 27182539 BTUh
Cw = 1 BTUlb 0F
tM = 85 0F
t0 = 32 0F
Hrsquo2 = 4294 BTU lb de aire seco
219
Hrsquo1 = 2490 BTUlb de aire seco
Reemplazando valores se tiene
27182539 + M (53) = Gs (1804)
De donde
M = Gs(1804) - 27182539 53 Ec 336-1
Haciendo un balance de liquido de acuerdo a la figura 318 se
tiene
M = Gs(Yrsquo2 ndash Yrsquo1) Ec337
Yrsquo2 no es conocido para determinarlo es necesario asumir
que el aire que sale de la torre estaacute saturado y su humedad
Yrsquo2 deberaacute ser la del aire saturado para Hrsquo2 = 4294 BTU lb
de aire seco
Entrando a la curva psicomeacutetrica dada en el Apeacutendice H se
tiene que
Yrsquo2 = 0024 lb de vapor de agualb de aire seco
M = Gs(0024 ndash 002) = 0004 Gs
Sustituyendo la ec 337 en la ec 336 ndash 1 se tiene que
0004 Gs 53 = Gs(1804) - 27182539
1804 Gs ndash 0004 Gs = 27182539
Gs = 1507126 lb de aireh
Reemplazando en la ec 337 el valor Gs
220
M = 6028 lb de aguah = 274 lth
CAPITULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS
CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
41 Partes Componentes de las Torres de Enfriamiento
Ya se ha definido que el mejor disentildeo para el sistema de enfriamiento
requerido de acuerdo a los paraacutemetros de evaluacioacuten es una Torre de
Enfriamiento de Tiro Inducido Flujo en Contracorriente
Este tipo de elementos ademaacutes del cuerpo vertical consta de los
siguientes elementos
Empaquetaduras sistemas de distribucioacuten deposito de coleccioacuten
eliminadores de arrastre ventilador motor y estructura
221
Empaquetaduras
Su funcioacuten es generar una mayor aacuterea de contacto entre el aire y el
agua como sea posible con una miacutenima presioacuten de aire
Existe variedad de empaquetaduras que van desde soacutelidos muy
faacuteciles de adquirir como piedras botellas rotas trozos de porcelana
hasta formas geomeacutetricas complejas y de alto costo econoacutemico
Sistemas de Distribucioacuten
Tiene como funcioacuten principal distribuir el agua caliente en la parte alta
de la torre se recomienda atomizarla para facilitar el contacto con el
aire
La importancia de adecuado sistema de distribucioacuten sobre las
empaquetaduras de una torre es indispensable para una buena
eficiencia en el enfriamiento
Depoacutesito de Coleccioacuten
Se trata de un recipiente donde es colectada el agua friacutea que sale de
la torre
Su construccioacuten deberaacute ser tal que elimine el peligro de que la bomba
absorba aire cuando opera con un miacutenimo de agua y accesible para
remover la suciedad acumulada en el fondo
222
Estructura
Es el soporte de la torre de enfriamiento
Su forma y solidez dependen de las caracteriacutesticas de disentildeo de la
torre que tiene que ser con normas especificas que dependen de su
capacidad de enfriamiento
Ventilador
Tiene como objetivo mantener el flujo constante de aire atreves de la
torre Para la torre seleccionada este aditamento se encontrara en la
parte superior
Motor
Es el que impulsara el ventilador La transmisioacuten se efectuara en
forma directa
Los elementos anteriores forman parte de la construccioacuten interna de la
torre de enfriamiento
Sin embargo existen otros componentes externos a la torre que juntos
constituyen el sistema de enfriamiento deseado Estos son
Bomba de Agua
223
Es el equipo que adicionara energiacutea al agua para hacerla re circular a
traveacutes de todo el sistema
Su capacidad dependeraacute del sistema de operacioacuten en el que va a
utilizar
Tuberiacuteas y Vaacutelvulas
Son los conductos ndash reguladores por los cuales fluiraacute el agua
El material de la tuberiacutea y los tipos especiacuteficos de vaacutelvulas estaraacuten
sujetos al aspecto teacutecnico econoacutemico y esteacutetico del sistema en
cuestioacuten
224
FIGURA 41 DISENO DE FORMA DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTO
42 Determinacioacuten de la Seccioacuten Transversal de la Torre de
Enfriamiento
Datos
Densidad del agua ρL 6222 lbft3 = 1010 Kgm3
Densidad del aire ρa 0077 lbft3 = 125 Kgm3
Relacioacuten de flujos LG 205
Flujo de aire Greal 446 lbs = 2027 Kgs
Tensioacuten superficial del agua σ 2 dinacm
Factor liquido - vapor FLV
Caacutelculos
Una aproximacioacuten para estimar las velocidades maacuteximas permisibles
ha sido presentada por Fair la cual se basa en datos obtenidos con
platos perforados y otros tipos de contactores de etapas finitas y toma
en cuenta el efecto de la tensioacuten superficial del liquido en la columna
la razoacuten de flujo de liquido a flujo de gas las densidades del aire y el
liquido y dimensiones y arreglo del contactor En este meacutetodo la
225
ecuacioacuten baacutesica para velocidad del vapor maacutexima permisible
equivalente a la Ec (41) es
Ec 41
donde
Vrsquom = velocidad de vapor maacutexima permisible basada en aacuterea neta
para el flujo de vapor la cual usualmente es el aacuterea de seccioacuten
transversal activa en fts
Krsquov = constante empiacuterica fts
σ = tensioacuten superficial del liquido en la torre dinascm
Krsquov
226
FIGURA 41 VALORES DE Kv EN FUNCION DEL
ESPACIADO
] Ec42
Sustituyendo valores en la ec 42 se tiene que
FLV = 0090
Se asume un espaciado entre platos de 740 plg = 188 mm
A partir de la fig 41 Kv = 017 fts
De la ec 41
Vrsquom = 3047 fts
Velocidad maacutesica del vapor Gm
Gm = Vrsquom ρa = (3047)(0077) = 023 lbs pie2 Ec43
227
Aacuterea de seccioacuten transversal de la torre A
A = Greal Gm Ec 44
Sustituyendo valores en la ec 44 se tiene que el aacuterea de la seccioacuten
transversal de la torre de enfriamiento es
A = 192 ft2
A = 8ft 24ft = 2430 mm 731 mm
43 Seleccioacuten de la Columna de Contacto de la Torre de Enfriamiento
En esta seccioacuten se tratara de decidir el tipo de columna a utilizar ya
sea de bandejas perforadas o de relleno en funcioacuten de las
caracteriacutesticas de la operacioacuten deseada y de los componentes en
contacto en este caso liquido - aire tomando para la decisioacuten algunos
aspectos
La seleccioacuten entre una columna de bandejas perforadas o una de
relleno depende de conceptos econoacutemicos Sin embargo en un estudio
228
preliminar podemos basar su seleccioacuten en las siguientes ventajas e
inconvenientes de cada una de ellas
1- La eficiencia de una torre de relleno se basa en datos
experimentales para cada tipo de relleno La eficiencia variacutea no solo
por el tipo y tamantildeo del relleno sino tambieacuten por las propiedades del
fluido caudales diaacutemetro de columna etc
2- Si el flujo de liacutequido es pequentildeo comparado con el del aire es
preferible utilizar columnas de platos pues necesitan menores
factores de seguridad en el disentildeo por causa de la dispersioacuten del
liacutequido
3- Las columnas de bandejas perforadas pueden manejar un rango
maacutes amplio de caudales sin inundacioacuten
4- Si los liacutequidos tienen soacutelidos en suspensioacuten se prefieren torres de
bandejas perforadas por la facilidad de limpieza
5- Si se necesita enfriamiento intermedio de la columna es preferible
que sean de bandejas perforadas por la facilidad de la instalacioacuten
del sistema de enfriamiento
6- El peso total de una columna de bandejas perforadas es menor que
en una de relleno si estaacuten vaciacuteas en cambio llenas tienen un peso
similar
229
7- La informacioacuten de disentildeo de una columna de bandejas perforadas
es maacutes accesible que en una de relleno
8- Si hay grandes cambios de temperatura son preferibles las
columnas de bandejas perforadas pues el incremento de
temperatura puede romper el relleno
10-Las columnas de rellenos son maacutes faacuteciles de construir y mas
baratas si se trabaja con fluidos corrosivos
11-Si se tiene liacutequidos con gran tendencia a formar espuma se deben
utilizar torres empaquetadas
12-El almacenamiento de liacutequido en la columna es muy inferior para
las torres de relleno
13-Las torres de relleno tienen menos peacuterdida de carga que las
bandejas perforadas y el relleno previene contra el colapso por lo
que se utilizan en operaciones a vaciacuteo
Por lo expuesto anteriormente se utilizara en el disentildeo de la
empaquetadura de la torre de enfriamiento el sistema de bandejas
perforadas
230
FIGURA 42 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE UNA BANDEJA
PERFORADA
431 Altura de la las Paredes de la Bandeja
La altura de la bandeja determina el volumen de liacutequido sobre la
bandeja y es un importante factor para determinar la eficiencia de
la bandeja con orificios Una mayor altura incrementaraacute la
eficiencia de la bandeja pero a expensas de un alta caiacuteda de
presioacuten en la bandeja Para columnas operando alrededor de la
presioacuten atmosfeacuterica la altura de las paredes de la bandeja variacutea
entre 40 a 90 mm (15 a 35 pulg) [7]
Para el disentildeo de estos elementos se tomara una altura de 90
mm para obtener una buena eficiencia de la bandeja ya que el
231
volumen de agua colocada en la bandeja por mayor tiempo
tendraacute mayor tiempo de contacto con el aire
Aacuterea Perforada
El aacuterea disponible para perforacioacuten se deduciraacute por la obstruccioacuten
causada por las partes estructurales (tales como soportes anillos
y vigas) y por el uso de zonas libres Las zonas libres son
espacios no perforados de la bandeja en los lados de salida y
entrada El ancho de cada zona es usualmente la misma valores
recomendados son
Ancho de la columna Ancho de la zona sin perforar
lt 15 m 75 mm
gt15 m 100 mm
TABLA 41 DIMENSIONES DE ZONA SIN PERFORAR [17]
De acuerdo a la tabla 41 se tomara una franja sin perforar de 75m
Dimensiones de las perforaciones
Los platos perforados tienen perforaciones de 25 mm a 12 mm
(18 a 12 pulg) de diaacutemetro siendo el tamantildeo comuacuten de 5 mm
(316 pulg) las perforaciones se hacen siguiendo un arreglo
232
triangular o cuadrado con una distancia entre centros entre 2 a 5
veces el diaacutemetro de las perforaciones (el oacuteptimo es 38) [17]
Se toma el valor recomendado del agujero de 316rdquo por lo tanto el
espaciamiento entre centros de los agujeros seria
D= 90 mm
Se escogeraacute un arreglo triangular para los orificios
De acuerdo al aacuterea de la seccioacuten transversal de la torre 2430
mm731 mm y la disposicioacuten del disentildeo de forma se tiene unas
dimensiones en las bandejas de
Bandeja = 2000 mm 731 mm
Al dejar una franja por los cuatro lados sin perforar de 75 mm
FIGURA 43 DISPOSICION DE AGUJEROS EN LAS
BANDEJAS
Por lo planteado en el capiacutetulo 3 se obtuvo que la altura de la zona
empaquetada es de
Z = 538 ft = 2044 mm
233
Para hallar el aacuterea de la seccioacuten transversal en el inciso 42 de
este capiacutetulo se asumioacute un espaciamiento entre bandejas de
e = 740 plg = 188 mm
Por lo tanto se necesitariacutea 5 bandejas perforadas en la disposicioacuten
dada en el disentildeo de forma de la fig 41
Para calcular el nuacutemero de agujeros en la bandeja se recurre a la
ecuacioacuten siguiente
Nh = 4Ahπd2h
Nh = 112 orificios en la bandeja
Espesor de las Bandejas
Se considera un espesor del material para la bandeja de 14 mm
Se considerara la presioacuten que ejerceriacutea el agua asumiendo la
bandeja llena al 100 la carga que ejerce el agua en el volumen
de la bandeja es de 42453 N
Se utilizara el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad
234
Anaacutelisis de Resistencia mediante el Meacutetodo de Elementos
Finitos
ANSYS en INVENTOR 10 analiza concentradores de esfuerzos
mecaacutenicas de fracturas bajo cargas estaacuteticas y dinaacutemicas asiacute
como frecuencias naturales y estabilidad El programa ofrece
distintos materiales a seleccionar para el anaacutelisis con
asunciones sobre su comportamiento Lineal (la tensioacuten es
directamente proporcional a la presioacuten) Constante (la
temperatura de todas las propiedades es independiente)
Homogeacutenea (las propiedades no cambian en todo el volumen de
la pieza) Isotroacutepica (las propiedades de los materiales son
ideacutenticas en todas las direcciones) El factor de seguridad se
calcula utilizando el equivalente maacuteximo de la teoriacutea de falla de
tensioacuten para materiales duacutectiles A continuacioacuten se muestran los
informes de los anaacutelisis practicados a las bandejas perforadas
las figuras indican en su parte superior izquierda la escala
colorida con sus respectivos valores de Tensioacuten Equivalente y
Factores de seguridad mayores a 13 Aceptables [19]
235
TABLA 42 INFORME DE RESULTADOS DEL
ANALISIS DE LA BANDEJA PERFORADA
INFORME DE ANALISIS DE BANDEJA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935 Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 934e-4 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 8688 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
236
FIGURA 44 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 45 DEFORMACION
FIGURA 46 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 2 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
237
Disentildeo del Depoacutesito de Coleccioacuten de la Torre de Enfriamiento
Para determinar las dimensiones del depoacutesito de coleccioacuten de agua
para la torre de enfriamiento se debe conocer el tiempo que demora
el agua en circular a traveacutes del sistema
Se asume que el ciclo demora un minuto y se parte del dato que el
depoacutesito deberiacutea tener una capacidad mayor a la cantidad de agua
que debe fluir por el sistema en un minuto y asi evitar que esta se
quede sin liquido ademaacutes el mismo colector debe soportar el peso de
la torre con sus accesorios
Entonces el problema consiste en seleccionar dimensiones para la
piscina que provean mayor economiacutea y aseguren un buen
funcionamiento Por lo general se establece el aacuterea transversal del
depoacutesito un poco mas grande que el aacuterea transversal de la torre de
enfriamiento que permita el montaje de la tuberiacutea de succioacuten o alguacuten
otro accesorio necesario
Para el disentildeo de la piscina se basara en el coacutedigo ASME para
recipientes a presioacuten seccioacuten Div 1 para tanques rectangulares que
trabajan bajo presioacuten atmosfeacuterica [15]
Notacioacuten
238
α Factor que depende del largo y ancho del tanque HL fig47
E Modulo de elasticidad 30000000 psi para aceros al carbono
G Gravedad especifica del liacutequido Agua=1
I Momento de Inercia plg4
l Maacutexima distancia entre soportes plg
L Largo del tanque plg
R Reaccioacuten con subiacutendices indicando el lugar de aplicacioacuten lbplg
S Esfuerzo del material
t Espesor requerido de la plancha plg
w Carga por unidad de longitud lbplg
FIGURA 47 VALORES DE α
Seleccioacuten del espesor de plancha
239
Ec 45
El espesor se incrementara con el factor de corrosioacuten para este
caso se le aumentara 00645 plg o 163 mm
FIGURA 48 DIMENSIONES DEL DEPOSITO DE COLECCIOacuteN DE
AGUA
L=8 ft
H=2 ft
B=4 ft
Relacioacuten HL = 025
De la figura 47 se obtiene el valor α = 00010
S=23200 lbplg2 para el acero estructural A ndash 36
G=1 para el agua
Sustituyendo valores en la ec 45 se tiene un espesor de
plancha
240
t=000109 plg
A este valor se le suma el factor de corrosioacuten 00626 plg
Por lo tanto
t=0063 plg o t=161mm se utilizara plancha de 2mm de
espesor
Carga en las paredes del depoacutesito
FIGURA 49 CARGAS HIDROSTATICAS
Ec 46
Sustituyendo valores se tiene que
w=162 lbplg
R1=03w Ec 47
R1=03162=486
R2=07w Ec 48
241
R2=07162=1134
442 Momento de Inercia miacutenimo requerido
Ec 49
Sustituyendo valores
Imin=0003 plg4 = 12486 mm4
443 Distancia entre soportes de la piscina
FIGURA 410 DISTANCIA ENTRE SOPORTES
Ec 410
Si el numero de soportes es 4 entonces = 26 plg = 6604mm
Sustituyendo en la ecuacioacuten 410
t=0141 plg
Despejando el valor de la ecuacioacuten 410 se tiene
242
Sustituyendo valores
Por lo tanto
11968 plg 2583 plg = Numero de soportes = N
N=463 es decir se fiacutesicamente se necesitan 5 soportes con un
espaciamiento de 2583 plg
E=656 mm
El disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de agua se encuentra en el
Plano N 3
Se utilizaraacute el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad del colector sometido a
toda la carga de la torre con su peso propio y la carga de agua
contenida en las bandejas
243
TABLA 43 INFORME DE RESULTADOS DEL
COLECTOR DE AGUA
INFORME DE ANALISIS DEL COLECTOR DE AGUA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1976Kg
Volumen de la pieza 2517+007 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 47950
Elementos 26630
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Fuerza 1481 N
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 5455e-005 MPa 2437 MPa
Deformacioacuten 0 mm 0102 mm
Factor de seguridad 15 NA
244
FIGURA 412 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 413 DEFORMACION
FIGURA 414 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 3 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
245
44 Seleccioacuten del Ventilador
Para la seleccionar el ventilador para la torre de enfriamiento es
necesario conocer los siguientes datos
1 Flujo de aire que circulara por la torre en ft3min
2 La presioacuten estaacutetica o presioacuten de resistencia contra la que debe
operar el ventilador expresada en plg de agua
Flujo de aire que circula por la torre Gs = 16056 lbh
Gs=2676 lbmin
Para determinar los pies cuacutebicos por minuto (pcm) de aire que salen
a traveacutes del extractor se divide las libras de aire seco por minuto
para la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
pcm = Gs (lbmin) densidad de la temperatura de operacioacuten Ec411
Para determinar la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
es necesario calcular la temperatura a la que sale el aire de la torre
Para esto conociendo el valor de la humedad absoluta Yrsquo2 lb de
vapor de agua por lb de aire seco con que sale el aire y asumiendo
que el aire se encuentra cercanamente saturado 95 se puede
246
entrar en la carta psicomeacutetrica Apeacutendice H y determinar dicha
temperatura
Yrsquo2= 0024
Con una temperatura de salida de la torre
T=84 0F
Con este valor dado en la figura se encuentra que la relacioacuten de
densidad del aire (RDA) a 84 0F y a nivel del mar es
RDA= densidad del aire en condiciones estaacutendar densidad del aire en condiciones de operacioacuten
Ec 412
RDA=105
De la ec411
105=0077lbft3 densidad del aire que opera a 84 0F
ρ84 F= 0075 lbft3
De la ec 412 se tiene
pcm=354483 ft3min = 116707 m3h
Con respecto a la caiacuteda de presioacuten estaacutetica contra la que debe
operar el ventilador se vio que en torres de este tipo era
ordinariamente menor que una pulgada de agua por lo tanto
tomando en consideracioacuten la resistencia ofrecida al paso del aire por
247
la zona empaquetada y los separadores de gotas se considera
suficiente utilizar el valor de 05 pulH20 o 127 mmH2O valores que
estaacuten dentro del rango de caiacuteda de presiones para este tipo de
ventiladores
Se ha escogido la curva del fabricante de la marca Ventiladores
Casals y sus caracteriacutesticas se indican en el Apeacutendice K
FIGURA 415 DIAGRAMA PARA SELELCCIONAR MODELO DE
VENTILADOR
Ingresando en el diagrama de la fig 415 con los datos planteados se
selecciona el ventilador modelo 56 T4 1 con las siguientes
caracteriacutesticas
Diaacutemetro = 650 mm
m3h = 12700
Peso = 36 Kg
248
RPM max = 1525
Potencia = 075 Kw
Ruido = 73 db
FIGURA 416 VENTILADOR SELECCIONADO
Con el peso del ventilador se disentildearaacute la campana de extraccioacuten de vapor de
agua se asumiraacute un espesor de 14 mm Se utilizara el programa
computacional INVENTOR 10 para analizar su deformacioacuten y el factor de
seguridad de la campana
249
TABLA 44 INFORME DE RESULTADOS DE LA
CAMPANA DE EXTRACCION
INFORME DE ANALISIS DE LA CAMPANA DE
EXTRACCION
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 9348+-5 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
250
FIGURA 417 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 418 DEFORMACION
FIGURA 419 FACTOR DE SEGURIDAD
251
45 Seleccioacuten de Diaacutemetro de la Tuberiacutea
Los criterios a utilizar para el caacutelculo del diaacutemetro de la tuberiacutea
son
1 Si la energiacutea
necesaria para el movimiento del fluido es gratis utilizar el
diaacutemetro miacutenimo que permita el caudal deseado
2 Si el fluido ha de ser
bombeado hay que calcular el tamantildeo que permita tener los
menores costes anuales (caacutelculo del diaacutemetro econoacutemico)
Velocidades tiacutepicas y caiacutedas de presioacuten permisibles que pueden
utilizarse para estimar el diaacutemetro de la tuberiacutea son
Velocidad (ms) ∆P(kPam)
Liacutequidos bombeados (no viscosos) 1 ndash 3 05
Liacutequidos flujo por gravedad - 0005
Gases y vapores 15 ndash 30 002 presioacuten de liacutenea
Flujos a alta presioacuten 30 - 60
TABLA 45 VELOCIDADES Y CAIDAS DE PRESION
PERMISIBLES [4]
Si se considera la densidad del fluido la velocidad oacuteptima es
252
Densidad del fluido
(Kgm3)
Velocidad del fluido
(ms)
1600 24
800 30
160 49
16 94
016 180
0016 340
TABLA 46 DENSIDAD DEL FLUIDO EN FUNCION DE LA
VELOCIDAD [4]
En la seleccioacuten de las tuberiacuteas se tiene que considerar el caudal
maacuteximo no el nominal (aumentar 20 a 50)
De acuerdo a la tablas 45 y 46 se tiene que
Flujo de agua = 15 m3h
Por lo tanto se escoge una velocidad
V = 2475 ms este valor es interpolado de la tabla 43 para
liacutequidos bombeados
Conocido el caudal y la velocidad se puede encontrar el
diaacutemetro
Q = A V Ec413
253
A = π4 D = QV
Donde D diaacutemetro de la tuberiacutea despejando D se tiene
D = 00508 m o tuberiacutea de 2rdquo
46 Seleccioacuten de la Bomba para la Torre de Enfriamiento
Se tiene los siguientes datos para la torre
Q = 15 m3h
Altura de la torre se la torre 12m
Considerando las tablas del Apeacutendice J del manual del
fabricante Golds Pumps se selecciona la siguiente bomba
Modelo 3196
STX 1x 1 frac12 - 6
Capacidad 70 GPM 3 frac12 ldquo 1 frac12 HP
Frecuencia 60 Hz
254
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
51 Diagrama de Gantt para la Ejecucioacuten del Proyecto
Diagrama de Gantt- Para la planificacioacuten de la construccioacuten montaje se contara con la
ayuda del software Microsoft Project
Que se lo muestra a continuacioacuten
255
FIGURA 51 DIAGRAMA DE GANTT
El diagrama de la figura anterior da los pasos que se siguieron describiendo todo el
proceso que se llevo a cabo en el proyecto utilizando oacuteptimamente el recurso humano
existente y el tiempo requerido para realizarlo
Levantamiento de planos del disentildeo de forma del sistema de enfriamiento- Este
procedimiento se hizo para obtener una referencia del espacio disponible y con ello ver
las posibles soluciones a implementar Este proceso no consta en el diagrama de Gantt
ya que lo hizo previo a la licitacioacuten ya que seria acreedora del contrato la empresa
participante que presente su mejor propuesta y cotizacioacuten sin embargo se tomo 5 diacuteas
para realizar este proceso
511 Preparacioacuten de Documentos Planos de Taller y Movilizacioacuten
Elaboracioacuten de planos de taller- Se procederaacute al disentildeo del sistema mas optimo en
este caso torre de enfriamiento certificacioacuten de intercambiador de calor disentildeo de
estructura moacutevil y de su estructura de soporte a ser ejecutado para la alternativa
seleccionada Asimismo se procederaacute al disentildeo eleacutectrico bajo la responsabilidad
ERMARLO SA Los planos seraacuten sometidos a la aprobacioacuten del departamento
encargado por parte de la Armada del Ecuador para iniciar los trabajos de
construccioacuten de acuerdo al cronograma presentado
256
Ninguacuten data sheet mostrado en la oferta podraacute ser utilizado como base para la
construccioacuten del sistema en mencioacuten por parte de la Armada del Ecuador o terceros si
la obra no se adjudica a ERMARLO SA con amparo a la ley de derechos de autor
Movilizacioacuten- Durante el periacuteodo de elaboracioacuten de planos se procederaacute con la
movilizacioacuten de equipos herramientas material a las instalaciones de la Armada
Nacional del Ecuador ubicada en la Base Sur Se utilizaraacuten bantildeos portaacutetiles con
mantenimiento perioacutedico Ademaacutes la logiacutestica del proyecto seraacute reforzada con el
apoyo de las oficinas e instalaciones de ERMARLO SA Ubicadas en la viacutea a Daule
Parque industrial Inmaconsa
512 Fabricacioacuten en el Taller
El disentildeo suministro de los materiales prefabricacioacuten y pre pintura interior y exterior
de las estructuras seraacuten ejecutados por ERMARLO SA En el taller se construiraacute
Rieles de movilizacioacuten para los soportes que llevaran la tuberiacutea de agua destilada
friacutea y caliente con sus respectivos acoples
Construccioacuten de la Torre de Enfriamiento y sus accesorios
Se ha contemplado la supervisioacuten de un teacutecnico de la Armada Nacional en los talleres
de ERMARLO SA asi mismo la supervisioacuten en campo de un teacutecnico durante la etapa
de montaje Para el efecto se ha considerado cubrir con todos los gastos relacionados
con esta visita salvo los honorarios de este teacutecnico los cuales correraacuten por cuenta de
la institucioacuten contratante
1 Materiales- De conformidad con los planos de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas para la construccioacuten de las rieles de deslizamiento y torre de
257
enfriamiento se selecciona el material a utilizar verificando calidad espesores y
dimensiones generales de laacuteminas y tuberiacuteas
Principalmente para laacuteminas de acero se verifican las marcas estampadas en
cada plancha contra los certificados emitidos por el fabricante de estar todo
conforme se libera el material para fabricacioacuten
2- Fabricacioacuten
21-Corte- Se posiciona la laacutemina seleccionada en la mesa de corte
procediendo al trazo y verificacioacuten conforme a medidas de plano de fabricacioacuten
Se transfieren las marcas originales de la laacutemina a cada parte y pieza a ser
cortada para mantener su identificacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten y en la
torre de enfriamiento terminada Se regulan los flujos de gases y velocidad de
avance de la maacutequina de conformidad con el procedimiento especiacutefico de cada
maacutequina y se procede a cortar el material En esta etapa se define dentro del
proceso de corte el tipo de bisel que se deja en el filo de las planchas para el
posterior proceso de soldadura todos los biseles tienen que estar detallados en
los planos de fabricacioacuten Una vez cortadas las piezas se realiza una limpieza
mecaacutenica de los bordes de la laacutemina especialmente los biseles de soldadura se
inspecciona y libera el material para el siguiente proceso
22-Conformado- Dependiendo de la parte de la torre que esteacute en proceso las
bandejas perforadas se las fabricara con este procedimiento Adicionalmente
todas las partes conformadas seraacuten pre-ensambladas en taller para verificar su
correcto dimensionamiento y agilizar el proceso de ensamble final en campo
23-Soldadura- Se realizaraacute soldadura en faacutebrica par elementos como patas
soportes de la cuba colectora de agua tuberiacuteas de carga y descarga conexiones
para instrumentacioacuten de acuerdo con el requerimiento del cliente Todas las
258
soldaduras de faacutebrica deben estar definidas en los planos de fabricacioacuten
indicando el proceso de soldadura y paraacutemetros generales que seraacuten ejecutados
Todas las soldaduras se realizaraacuten con procedimientos y soldadores calificados
de conformidad con coacutedigo ASME uacuteltima edicioacuten Los principales procesos a ser
utilizados son SAW GMAW SMAW
Toda soldadura deberaacute ser inspeccionada y verificada cumpliendo los
requerimientos del coacutedigo ASME y condiciones particulares del Cliente si
existieran
24-Tratamiento de Superficies- Tanto las laacuteminas de cuerpo como tuberiacuteas
soportes plataformas seraacuten preparadas y recubiertas de acuerdo con las
especificaciones del cliente En taller se realizaraacute aplicaraacute la primera capa de
revestimiento y en campo se completara el sistema luego del montaje
y pruebas del tanque El procedimiento a seguir es el siguiente
Se prepararaacute la superficie utilizando chorro de granalla metaacutelica hasta obtener un
acabado SSPC - SP 10 metal casi blanco con un perfil de anclaje de 2 a 3 mils
que garantice la adherencia y resistencia mecaacutenica del sistema de pintura a
aplicar Se dispone con los equipos y condiciones adecuadas para garantizar una
buena limpieza
La pintura seraacute aplicada conforme las recomendaciones y especificaciones de la
hoja teacutecnica del fabricante de pintura Durante el proceso de aplicacioacuten se
controla y registran los paraacutemetros externos y condiciones de aplicacioacuten como
temperatura ambiente temperatura de la pieza humedad relativa punto de
rociacuteo espesor huacutemedo y espesor seco
25 Factibilidad de construccioacuten- Se quiere resaltar las ventajas de la
fabricacioacuten de la torre de enfriamiento en Ecuador ya que ademaacutes del arancel
que tendraacute que pagarse sobre el tanque importado cuando se trata de proyectos
de intereacutes puacuteblico de acuerdo a la Ley la Armada del Ecuador puede requerir la
259
aprobacioacuten de la importacioacuten de bienes de capital El Ministerio encargado
certificaraacute si hay manufactura local o no para los bienes a ser importados El
producto local debe ser similar al importado debe tener la misma funcioacuten precio
competitivo igual calidad y tiempo de entrega Si los productos locales cumplen
con los estaacutendares de los productos importados deben entonces ser comprados
localmente caso contrario el Ministerio no autorizaraacute su importacioacuten
513 Montaje del Sistema de Enfriamiento
El Supervisor de montaje seraacute responsable de la eficiente
coordinacioacuten del Proyecto la Armada del Ecuador seraacute informado
continuamente de todas las acciones a tomar
ERMARLO SA dispondraacute de todos los equipos y herramientas
necesarios para enfrentar adecuadamente los trabajos
incluyendo gruacuteas compresores generadores soldadoras equipo
para prueba hidrostaacutetica etc
El montaje del sistema de enfriamiento obedece a una secuencia establecida en los
procedimientos y normas aplicables para este tipo de trabajos
En resumen las actividades principales que es necesario cumplir son las siguientes
Revisioacuten de la fundacioacuten de las estructuras deslizantes y la torre de enfriamiento
Antes del montaje del sistema de guiacuteas para la estructura
deslizante y para la torre de enfriamiento se verificaraacuten
260
cuidadosamente la topografiacutea e integridad estructural de las
fundaciones Tambieacuten se comprobaraacute que el terreno esteacute
adecuado para los diferentes movimientos de los equipos de
montaje
FIGURA 53 ALINEACION DE PISO DONDE SE ASENTARA LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Montaje de la estructura de soporte del sistema deslizante
Una vez revisada y aprobada las estructuras donde se va a montar el sistema
deslizante la cual llevara las tuberiacuteas de agua destilada a las bateriacuteas por parte de
ERMARLO SA se procederaacute a la instalacioacuten de cada una de las vigas transversales
donde se delizara el sistema de tuberiacuteas
261
FIGURA 52 SISTEMA DE DESLIZAMIENTO
Soldadura en obra
Las vigas del sistema de deslizamiento la torre y sus estructuras seraacuten soldados por
cualquiera de los procesos SMAW y SAW utilizando los equipos adecuados La
soldadura puede ser manual semi-automaacutetica o automaacutetica de conformidad a lo que
establezca del procedimiento de soldadura correspondiente
Se tendraacute una revisioacuten estricta de las condiciones de los biseles eliminacioacuten de escoria
antes de efectuar el siguiente cordoacuten inspecciones visuales de la soldadura
inspecciones radiograacuteficas de acuerdo al Coacutedigo se es necesario
Las laacuteminas del cuerpo en juntas de tope seraacuten alineadas en su posicioacuten antes de
soldar las mismas
514 Preparacioacuten de Superficie y Pintura en Sitio
262
Con el fin de asegurar la culminacioacuten del proyecto dentro del tiempo especificado asiacute
como para minimizar los dantildeos ambientales y proteger los materiales prefabricados
durante su transporte se ha considerado realizar la preparacioacuten y pre pintura de
superficies exterior e interior de las estructuras en taller
Las capas finales de pintura seraacuten aplicadas en el campo de acuerdo a las
especificaciones establecidas propuestas por ERMARLO SA Las aacutereas de pintura que
deban reparase o terminarse en se las repararaacute en obra
515 Prueba Hidrostaacutetica del Sistema de Tuberiacuteas e Intercambiador de Calor
Una vez instalado y pintado la torre de enfriamiento con el intercambiador de calor
sumergido en la piscina recolectora de la torre se procederaacute a realizar la prueba
hidrostaacutetica y la posterior desinfeccioacuten del mismo de acuerdo a lo especificaciones en
las bases de licitacioacuten entregada por la Armada del Ecuador
516 Bombas de agua
Existen dos bombas a ser montadas veacutease la figura 53 La bomba 1 para el sistema
de agua destilada de circulacioacuten por las bateriacuteas y al intercambiador de calor la bomba
2 figura 54 para la recirculacioacuten del agua en la torre de enfriamiento Las
caracteriacutesticas de todas ellas han sido ya establecidas en capiacutetulos anteriores
263
FIGURA 53 BOMBA PARA AGUA DESTILADA QUE ENTRA EN LAS BATERIA
FIGURA 54 BOMBA DE AGUA PARA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Para el montaje se deben respetar las especificaciones dadas ya sea por las normas
respectivas o seguir recomendaciones teacutecnicas En este caso se haraacute lo posible por
cumplir las recomendaciones dadas[12] Para el caso de la tuberiacutea de succioacuten se da la
figura 55
264
FIGURA 55 TUBERIA DE SUCCION [12]
Otra recomendacioacuten dada radica en que se debe evitar para el transporte el uso de
tuberiacuteas de igual diaacutemetro al de ingreso o salida del agua de la bomba deben ser
las inmediatas superiores Esto se cumple con los caacutelculos solo cuando la bomba
estaacute bien dimensionada pero no en el caso de la bomba 2 debido a que esta se
encuentra sobredimensionada Por ello el diaacutemetro de la tuberiacutea de salida es igual
diaacutemetro de la tuberiacutea de transporte de agua en el ingreso caso igual se usa una
tuberiacutea de 2rdquo
516 Instalacioacuten Eleacutectrica
Se ha contemplado el disentildeo instalacioacuten suministro y pruebas de
un sistema eleacutectrico el mismo que tendraacute los controles y mandos
para activar ventilador de la torre activacioacuten de las bombas de
agua control de ventiladores del cuarto de activacioacuten
265
FIGURA 56TABLERO DE CONTROL ELECTRICO
Toda tuberiacutea eleacutectrica se aseguraraacute con abrazaderas o soportes
de acero a la estructura de la torre o a las paredes por donde
crucen los cables
517 Graficas Representativas del Montaje de la Torre de
Enfriamiento
266
FIGURA 57 INTERCAMBIADOR SUMERGIDO EN COLECTOR
DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
FIGURA 58 BANDEJAS PERFORADAS INSTALADAS EN LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
267
FIGURA 59 TORRE DE ENFRIAMIENTO INSTALADA
52 Lista de materiales y equipos requeridos para el montaje
En las siguientes tablas se listan los materiales y equipos requeridos para el montaje
realizado adicionalmente se indica si se empleoacute algo usado o nuevo asiacute como su cantidad
268
EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
Equipoherramienta Tamantildeoespecificacioacuten Condicioacuten
01 Arco para sierra Estaacutendar de 12rdquo En bodega
02 Broca para acero HSS Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
03 Broca para cemento Percusioacuten Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
04 Broca para cemento Percusioacuten Oslash frac12 rdquo x 6rdquo En bodega
06 Cepillo de acero 6 hileras En bodega
07 Destornillador plano 5 mm x 150 mm En bodega
08 Emulsioacuten lubricante Proporcioacuten 120 En bodega
09 Flexoacutemetro 8 m x 25 mm En bodega
10 Guantes de cuero Par manga corta (10rdquo) En bodega
11 Hoja de sierra 12rdquo x frac12rdquo x 132rdquo Comprada
12 Hoja de sierra 24rdquo x 1frac14rdquo x 116rdquo Comprada
13 Llave mixta ⅜rdquo En bodega
14 Llave mixta 916rdquo En bodega
15 Llave mixta 58rdquo En bodega
16 Llave para tubo Largo 12rdquo abre hasta 2rdquo En bodega
17 Llave para tubo Largo 24rdquo abre hasta 3frac12rdquo En bodega
18 Llave para tubo Largo 36rdquo abre hasta 5rdquo En bodega
19 Nivel Aluminio largo 24rdquo En bodega
20 Pie de amigo De 24rdquo de aacutengulo de frac34rdquo Construido
21 Piola de algodoacuten Rollo de 50 gramos Comprado
22 Prensa para tubo De tornillo para Oslash 4rdquo En bodega
23 Sierra alternativa Para aserrar acero En taller
269
24 Taladro de mano Capacidad frac12rdquo asymp 13 mm En bodega
25 Taco Fisher F10 Comprado
26 Tarraja para tubo Manual para Oslash frac12rdquo a 2rdquo En bodega
27 Tefloacuten Rollo 19mmx15mx02mm Comprado
29 EPP Comprado
30 Material de aporte E6011 E6013 etc Comprado
31 Equipo de oxicorte Acetileno oxigeno manom En bodega
32 extintores Polvo quiacutemico seco En taller
33 tecle 2 Ton En bodega
34 Maq De soldar En bodega
TABLA 51 LISTA DE EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
53 RESUMEN DE COSTOS
ITEM MATERIALES Cantidad unid mater peso V Unitario V Venta
Soportariacutea fija y estructura moacutevil
Correa G 125 x 50 x 15 x 3 6 unid 3324 3291 19745
plancha 4 1 unid 9334 9241 9241
aacutengulo laminado 40 x 3 9 unid 1100 1089 9801
aacutengulo laminado 50 x 4 3 unid 2355 2331 6994
Correa G 80 x 50 x 15 x 3 9 unid 2406 2382 21437
malla electro ARMEX R- 131 (515) 52 mc 100 200 10400
perno expansioacuten 58 x 3 24 unid 012 060 1440
270
Pintura 4 galoacuten 100 1500 6000
ruedas para correas 12 unid 100 2500 30000
aacutengulo laminado 25 x 3 6 unid 706 699 4194
Materiales estructura 119252
Mano de obra estructura 71551
Total estructura 190803
Sistema de tuberiacuteas y accesorios
tubo PVC 2 20 unid 100 1400 28000
accesorio T 2 2 unid 030 240 480
tapoacuten 2 4 unid 020 160 640
unioacuten 2 10 unid 020 160 1600
bushing 2 x 14 4 unid 020 160 640
manguera 2 6 m 100 3500 21000
acople para manguera 2 x 2 4 unid 200 1600 6400
abrazaderas 2 8 unid 100 600 4800
manguera 14 300 m 100 250 75000
abrazadera 14 480 unid 100 030 14400
tubo galvanizado 1 14 7 unid 100 3360 23520
codo pvc 2 4 unid 020 160 640
codo galvanizado 1 14 4 Unid 020 180 720
nudo 2 4 unid 030 240 960
acoples para manguera 14 240 unid 100 24000
Materiales sistema distribucioacuten agua
enfriamiento aire 202800
Mano de obra sistema distribucioacuten agua 81120
271
enfriamiento
Total sistema distribucioacuten 283920
Torre de enfriamiento
tubo cuadrado 80 x 3 4 unid 4521 4476 17903
aacutengulo laminado 50 x 3 8 unid 1430 1416 11326
ventilador axial para torre enfriamiento 1 unid 120000 120000
plancha 3 para deposito de agua torre 2 unid 7040 6970 13939
control nivel de agua torre 1 global 1500 1500
plancha galvanizada para bandejas 8 unid 4224 5914 47309
plancha galvanizada para paredes 8 unid 3285 4599 36792
bomba de circulacioacuten 80 gpm ndash 30 psi 1 unid 120000 120000
arrancador para bomba de circulacioacuten y
ventilador 1 global 32000 32000
difusores y encausadores de torre 1 global 35000 35000
tuberiacutea y vaacutelvulas de control de circulacioacuten 1 global 23500 23500
Material torre 459269
Mano de obra torre 156151
Total torre 615420
EQUIPOS SUMINISTRADOS POR ARMADA DEL ECUADOR
Intercambiador de calor de haz tubular 000
Bomba PN 50 ndash 32 ndash 145 para agua des-ionizada 000
NOTA no se encuentra agregado el valor del IVA
272
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
61 Conclusiones
1 El meacutetodo usado por el texto de Procesos de transferencia de calor de Kern y al
comparar con el programa computacional para la seleccioacuten del intercambiador de calor
son similares concluyendo que el programa funciona correctamente y este caso el
intercambiador disponible cumple con los requerimientos para reducir la temperatura
requerida para el sistema
2 El equipo disentildeado cumple con lo establecido en el anaacutelisis del problema y las
restricciones
3 El meacutetodo de construccioacuten utilizado especialmente los procesos de soldadura garantizan
el buen funcionamiento del equipo
4 Se ha adquirido mas conocimientos sobre las torres de enfriamiento y sobre su valor
caracteriacutestico KaVL A mayor valor mayor dificultad para lograr el enfriamiento deseado
Adicionalmente se ratifico los conocimientos adquiridos
273
5 Se ha utilizado varios sistemas computacionales para comprobar los resultados
adquiridos e implementar estos programas en el trabajo diario dentro del departamento de
proyectos de ERMARLO SA
6 Se ha utilizado tablas normas y coacutedigos de seleccioacuten y disentildeo de esta manera logrando
un meacutetodo de seleccioacuten maacutes raacutepida para la ejecucioacuten de un proyecto
7 El control de calidad dentro del proceso de construccioacuten y montaje es muy importante en
la entrega final del trabajo para la satisfaccioacuten del cliente y realzar el nombre de la
empresa constructora
8 Una gran experiencia de trabajo en equipo tanto con el personal encargado de la
construccioacuten como la interaccioacuten con el personal de la Armada del Ecuador
62 Recomendaciones
1 Cuando se desee realizar la evaluacioacuten de un intercambiador de calor o una torre de
enfriamiento se debe seguir un sin nuacutemero de especificaciones para tenerlas a mano
Personalmente me parecioacute muy buena la guiacutea del texto Procesos de Transferencia de
Calor
2 Se requiere implementar un estudio detallado para el manejo de todos los desechos
generados
3 Se tendriacutea que hacer un plan de mantenimiento para los equipos constitutivos del sistema
de enfriamiento
4 Revisar permanentemente las instalaciones eleacutectricas ya que se tiene un ambiente
explosivo por las emanaciones de hidrogeno de las bateriacuteas al estar activaacutendose
274
5 La pintura de la torre de enfriamiento deberiacutea estar en control para evitar corrosioacuten en la
estructura
6 En la construccioacuten y el montaje se recomienda el correcto uso del Equipo de Proteccioacuten
Personal asiacute como los implementos para realizar trabajos en altura trabajos en caliente o
lugares confinados para evitar lesiones por parte de los integrantes del proyecto
7 Tener en consideracioacuten todas las normas de seguridad que tiene la institucioacuten (Armada
del Ecuador) para evitar sanciones al personal que estaacute ejecutando el proyecto
8 Implementar un mejor sistema de ventilacioacuten en el cuarto de activacioacuten de bateriacuteas ya que
este tiene demasiados contaminantes en el ambiente
275
BIBLIOGRAFIA
1 Gonzalez Jorge ldquoAplicacioacuten de la Investigacion de Operaciones al
Diseno Optimo de un Intercambiador de Calorrdquo (Tesis Facultad de
Ingenieria en Mecanica y Ciencias de la Produccion Escuela Superior
Politecnica del Litoral 1970)
2 Kern Donald Procesos de Transferencia de Calor Editorial CECSA
1995
3 Hickstyler Manual de Calculos para las Ingenierias Tercera Edicion
Tomo II McGraw Hill 1998
4 Torres Alberto ldquoDiseno de una Torre de Enfriamiento de Agua para Uso
Industrialrdquo (Tesis Facultad de Ingenieria Mecanica y Ciencias de la
Produccion Escuela Superior Politecnica del Litoral 1973)
5 Andrade Francisco Ing Ventilacioacuten Industrial Diplomado en Manejo
Ambiental ESPOL julio 2001
6 Manual Praacutectico de Ventilacioacuten Catalogo Teacutecnico Salvador Escoda
SA
7 Perry Robert-Green Don PERRY Manual del Ingeniero Quiacutemico
Seacuteptima Edicioacuten Volumen II Mc Graw Hill
8 Load amp Resistance Factor Design Manual of Steel Construction AISC
First Edition
9 Incropera P Frank-De Witt P David Fundamentos de Transferencia de
Calor Cuarta Edicioacuten Prentice Hall
10 Granet Irving Termodinaacutemica Tercera Edicioacuten Editorial Prentice Hall
1998
11 Goulds Pump Manual Sexta Edicioacuten Goulds Pumps Inc 1995
276
12 McNaughton Kenneth Bombas Seleccioacuten Uso y Mantenimiento
Editorial Mc Graw Hill 1992
13 David Linden Thomas B Reddy Handbook of Batteries McGraw Hill
Third Edition 1995
14 Pedro Fernaacutendez Diez Bombas Centrifugas y Volumeacutetricas 2002
15 Eugene F Megyesy Pressure Vessel Handbook Publishing Inc Sexta
edicioacuten
16 Holman J P Transferencia de Calor Octava edicioacuten Prentice Hall
2001
17 Dpto Ingenieria Quiacutemica y Textil Disentildeo de Equipos e Instalaciones
(Facultad de Ciencias Quiacutemicas Universidad de Salamanca)
18 Peters and Timmerhaus Plant Design and Economics For Chemical
Engineers McGraw Hill
19 Introduccioacuten al Programa ANSYS
20 Avallone Eugene A Baumeister III Theodore MARKS Manual del
Ingeniero Mecaacutenico Novena Edicioacuten Tomos I y II Mc Graw Hill
21 httpwwwipacesacerofabricacionasp
22 httpwwwevapcocom
23 httpwwwcasalscom
24 httpwwwamcotcom
25 httpwwwmonografiastrabajos10toentoenzip
277
115
44 Seleccioacuten del ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 129
45 Seleccioacuten de diaacutemetro de la tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 135
46 Seleccioacuten de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 137
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
51 Diagrama de Gantthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
511 Preparacioacuten de documentos planos de taller y
movilizacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 139
512 Fabricacioacuten en el tallerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
513 Montaje del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
514 Preparacioacuten de superficie y pintura en sitiohelliphelliphelliphelliphellip 148
515 Pruebas hidrostaacuteticas de tuberiacuteas e intercambiadorhellip 149
516 Bombas de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
517 Instalacioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
52 Materiales y equipos requeridoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
53 Resumen de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 156
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
61 Conclusioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 158
62 Recomendacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 160
APEacuteNDICES
BIBLIOGRAFIacuteA
116
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 11 Partes constitutivas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
Figura 12 Estado de descarga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Figura 13 Estado de carga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
117
Figura 14 Variacioacuten de la capacidad seguacuten reacutegimen de descargahelliphellip 17
Figura 15 Variacioacuten de la capacidad seguacuten la temperaturahelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Variacioacuten de la capacidad seguacuten nuacutemero de cicloshelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Variacioacuten de la vida uacutetil en funcioacuten de la descargahelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Variacioacuten de la capacidad por autodescarga 22
Figura 19 Reaccioacuten exoteacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 21 Trabajos preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 22 Esquema de enfriamiento de bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 23 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Figura 24 Enfriamiento utilizando intercambiador enfriado por aire 43
Figura 25 Sistema de enfriamiento utilizando un chiller 44
Figura 26 Sistema de enfriamiento utilizando torre de enfriamiento e intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
Figura 27 Torre de enfriamiento de tiro forzadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
Figura 28 Torre de flujo a contracorriente y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
Figura 29 Torre de flujo cruzado y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
Figura 31 Disposicioacuten de las bateriacuteas en el cuarto de activacioacutenhelliphelliphellip 61
Figura 32 Disposicioacuten de tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
Figura 33 Sistema de desplazamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 34 Bateriacuteas en cuarto de activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 35 Sistema moacutevil para llevar el fluido de enfriamiento a las
bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
Figura 36 Disentildeo de forma del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
Figura 37 Distribucioacuten de temperaturas en un intercambiador de calor de doble tubo en
paralelohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 69
Figura 38 Ventana de inicio del programahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
Figura 39 Ventana de seleccioacuten de tipo de intercambiador a utilizarse y definicioacuten de
fluidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
Figura 310 Datos del material del intercambiadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 80
118
Figura 311 Ventana de ingreso de datos de intercambiador de calorhellip 81
Figura 312 Ventana de resultados en la presioacuten de disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphellip 82
Figura 313 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 83
Figura 314 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 84
Figura 315 Disposiciones del haz de tuboshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
Figura 316 Idealizacioacuten del fenoacutemeno de transferenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
Figura 317 Flujo Especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
Figura 318 Diagrama del sistema para el disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
Figura 319 Relaciones de agua y aire de una torre a contra flujohelliphelliphellip 93
Figura 320 Diagrama de operacioacuten de enfriamiento del aguahelliphelliphelliphelliphellip 101
Figura 41 Disentildeo de Forma de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 108
Figura 42 Diagrama de operacioacuten de una bandeja perforadahelliphelliphelliphellip 114
Figura 43 Disposicioacuten de agujeros en las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
Figura 44 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 45 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 46 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 47 Valores de alfahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
Figura 48 Dimensionamiento del depoacutesito de coleccioacuten de aguahelliphelliphellip 123
Figura 49 Cargas hidrostaacuteticashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
Figura 410 Distancia entre soporteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
Figura 412 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 413 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 414 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 415 Diagrama para seleccionar modelo de ventiladorhelliphelliphelliphelliphellip 131
Figura 416 Ventilador seleccionadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 132
Figura 417 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 418 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 419 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 51 Diagrama de Gantt 138
119
Figura 52 Sistema de deslizamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 171
Figura 53 Alineacioacuten de piso donde se asentaraacute la torrehelliphelliphelliphelliphelliphellip 172
Figura 54 Bomba de agua para torrehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 175
Figura 55 Tuberiacutea de succioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 176
Figura 56 Tablero de control eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 177
Figura 57 Intercambiador sumergido en colector de la torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 58 Bandejas perforadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 59 Torre de enfriamiento instaladahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 179
120
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphellip 6
Tabla 12 Paraacutemetros de almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
Tabla 21 Programa de carga eleacutectrica para la activacioacuten de las bateriacuteas de los
submarinoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
Tabla 22 Impurezas maacutes comunes en el agua que afectan los sistemas de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 23 Matriz de decisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
Tabla 24 Clasificacioacuten de las torres de enfriamiento 49
Tabla 25 Matriz de decisioacuten para seleccionar el tipo de torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
Tabla 31 Escala de presioacuten y valor U para tipos de intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Tabla 32 Aacuterea transversal de flujo y superficie para intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Tabla 33 Valores de entalpiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 102
Tabla 34 Caracteriacutesticas de humidificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103
Tabla 41 Dimensiones de zona sin perforarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
Tabla 42 Informe de resultados del anaacutelisis de la bandeja perforadahellip 119
Tabla 43 Informe de resultados del colector de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 127
Tabla 44 Informe de resultados de la campana de extraccioacutenhelliphelliphelliphellip 133
Tabla 45 Velocidades y caiacutedas de presioacuten permisibles 135
Tabla 46 Densidad del fluido en funcioacuten de la velocidadhelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
Tabla 51 Lista de equipos y herramientashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
121
IacuteNDICE DE PLANOS
Plano 1 Torre de enfriamiento y sus partes
Plano 2 Bandejas perforadas
Plano 3 Campana de extraccioacuten
Plano 4 Tanque colector
Plano 5 Placa soporte
Plano 6 Dimensiones de estructura de torre de enfriamiento
122
ABREVIATURAS
ordmC Grados centiacutegrados
Mg Magnesio
Si Silicio
m Metros
cm Centiacutemetros
mm Miliacutemetros
kg Kilogramos
t Toneladas meacutetricas
MVA Mega voltamperios
kwh Kilovatio hora
tkwh Kilovatio hora por tonelada
Nm3
Metro cuacutebico normalizado
FeMn Ferromanganeso
MgO Oacutexido de magnesio
m Microacutemetro
NO2 Dioacutexido de nitroacutegeno
3Nmg
Gramos por metro cuacutebico de aire normalizado
ht Toneladas por hora
3mg
Gramos por metro cuacutebico
123
3mmg
Miligramos por metro cuacutebico
3pieg
Gramos por pieacute cuacutebico
min
3pie Pieacute cuacutebico por minuto
gal galoacuten
CFM Pies cuacutebicos por minuto
t
Kg Kilogramos por tonelada
hm3
Metros cuacutebicos por hora
th
m3
Metros cuacutebicos por hora por tonelada
s Densidad del soacutelido
3mg
Microgramos por metro cuacutebico
3mkg
Kilogramo por metro cuacutebico
sm Metros por segundo
OHmmCol 2 Miliacutemetros de columna de agua
atm atmoacutesferas
Pa Pascales
FPM Pies cuacutebicos por minuto
A Aacuterea
V Velocidad
Q Caudal
sm3
Metros cuacutebicos por segundo
124
SP Presioacuten estaacutetica
VP Presioacuten dinaacutemica
kPa Kilopascales
MPa Megapascales
2lgpulb Libras por pulgadas cuadradas
antildeomm Miliacutemetro por antildeo
hmm
2
3
Metros cuacutebicos por metro cuadrado por hora
psi Libras por pulgada cuadrada
diaacutemetro
ppm Partes por milloacuten
M Momento
mpy Mileacutesimas de pulgada por antildeo
Mw Megavatios
T Diferencia de temperaturas
CkgJ
ordm Joules por kilogramo por grado centiacutegrado
k Conductividad
h Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
R Sumatoria de resistencias
f Factor de friccioacuten
St Nuacutemero de stanton
KmW
2 Vatios por metro cuadrado por grados kelvin
125
INTRODUCCIOacuteN
La Armada del Ecuador a cargo de la Direccioacuten de Mantenimiento de la
institucioacuten con el propoacutesito de brindar mantenimiento al escuadroacuten de
submarinos nacionales SS ndash 11 ldquoShyrirdquo y SS ndash 12 ldquoHuancavilcardquo tipo U ndash 209
de fabricacioacuten alemana considera el cambio inmediato de las bateriacuteas de
propulsioacuten instaladas en dichos submarinos por haber cumplido su ciclo de
vida
Las unidades submarinas son de propulsioacuten diesel ndash eleacutectricas las bateriacuteas
son las encargadas de suministrar la energiacutea necesaria para propulsar y
alimentar la red abordo
Las bateriacuteas operan desde el antildeo 1997 tiempo de operacioacuten hasta la fecha
de 11 antildeos que sobrepasan el tiempo de vida uacutetil que es de 10 antildeos lo que
requiere un reemplazo inmediato de las bateriacuteas
Es por eso que las bateriacuteas de propulsioacuten fueron adquiridas a traveacutes de la
Junta de Defensa Nacional a la compantildeiacutea alemana Hawker GMBH una
126
remesa de 960 bateriacuteas estas son del tipo plomo ndash aacutecido las bateriacuteas se
someten a un proceso de carga y descarga cuando estaacuten montadas en el
submarino este proceso genera calor y produccioacuten de hidroacutegeno en el
ambiente
Para controlar la generacioacuten de calor existe en el submarino un sistema de
enfriamiento utilizando agua del mar las bateriacuteas nuevas adquiridas no
vienen activadas de fabrica para evitar problemas de danos y eliminar
riesgos durante el viaje hasta las instalaciones de la Armada Nacional es por
eso que la institucioacuten a dispuesto un lugar estrateacutegico donde se va a
proceder a la construccioacuten del sistema de activacioacuten de las bateriacuteas lo que
conlleva a realizar trabajos preliminares para la puesta en marcha de estos
equipos
Como este proceso tiene que ser realizado en tierra la Armada del Ecuador
convoca a diferentes empresas para licitar en el disentildeo construccioacuten y
montaje de un sistema de enfriamiento de agua que va a ser utilizada en la
activacioacuten de 120 bateriacuteas a la vez
ERMARLO SA empresa en la cual me desenvolviacutea en el departamento de
proyectos fue adjudicada la licitacioacuten y fue asignado el proyecto de disentildeo y
construccioacuten del sistema de enfriamiento el cual es el objetivo de esta tesis
127
Se utilizaran varios programas computacionales como Inventor 10 ESP plus
con el fin de utilizarlos en la praacutectica con mayor destreza para solucionar
problemas
CAPITULO 1
1 GENERALIDADES 11 Descripcioacuten del Sistema de Poder de los Submarinos
A fin de clarificar ciertos aspectos importantes para comprender el sistema de
propulsioacuten de los submarinos se realizaraacute una breve descripcioacuten generalizada de
este tipo de buque
El submarino tipo U ndash 209 es un buque disentildeado exclusivamente para
operar bajo el agua esta afirmacioacuten puede parecer redundante pero
es necesaria para diferenciar los submarinos modernos de los usados
durante la primera y segunda guerras mundiales que era propiamente
128
ldquosumergiblesrdquo es decir los buques con capacidad de permanecer
periodos relativamente cortos bajo la superficie esto explica el disentildeo
de estos con cantildeones en cubierta para la defensa aeacuterea y de
superficie
Hasta la llegada de la propulsioacuten nuclear marina la mayoriacutea de los submarinos del
siglo XX usaron bateriacuteas eleacutectricas para la navegacioacuten subacuaacutetica y motores de
combustioacuten interna para la superficie y recargar las bateriacuteas Los primeros modelos
usaban gasolina como combustible pero pronto se sustituyoacute por parafina y luego
gasoacuteleo gracias a su menor inflamabilidad La combinacioacuten diesel-eleacutectrico se
convertiriacutea en el medio de propulsioacuten estaacutendar Inicialmente el motor diesel o gasolina
y el eleacutectrico separados por embragues estaban en el mismo eje e impulsaban el
propulsor Esto permitiacutea que el primero usase al segundo como generador para
recargar las bateriacuteas e impulsar tambieacuten al submarino si era necesario Cuando el
submarino se sumergiacutea se desembragaba el motor diesel de forma que se usase el
eleacutectrico para girar la heacutelice El motor eleacutectrico puede tener maacutes de un inducido sobre
el eje estando eleacutectricamente acoplados en serie para velocidades bajas y en
paralelo para velocidades altas
129
12 Caracteriacutesticas Principales del Submarino U ndash 209
Desplazamiento
(sumergidos)
1285 Ton
Dimensiones 559 6355 m
Propulsioacuten 4 MTU MD 12V992 Tb 90
diesel de 600 CV un
Siemens eleacutectrico de
5000 CV y 4
generadores eleacutectricos
de 405 Kw
Tipo Submarino diesel
eleacutectrico de ataque SSK
Astillero de origen Howaldtswerke Kiel
Alemania
Desplazamiento 1265 ton (superficie)
1396 ton (inmersioacuten)
Casco Acero naval reforzado
Celdas 480 de 11500 Amp ndash h y
un peso total de 257 ton
Combustible 108 ton
Profundidad
maacutexima
500 metros
Armamento 553 mm torpedos en
tubos (14) misil Sub-
130
Harpoon
Tripulacioacuten 33
TABLA 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U ndash 209
El submarino posee 4 bateriacuteas de 120 celdas cada una
Cada celda estaacute disentildeada para almacenar cargas con voltajes que no
exceden los 275 voltios de corriente continua Las 120 celdas estaacuten
conectadas en serie esto para cada bateriacutea
FIGURA 11 PARTES CONSTITUTIVAS DEL SUBMARINO U -209
13 Proceso de Carga y Descarga de las Bateriacuteas en el Submarino
131
Para activar las bateriacuteas antes de ser puestas en operacioacuten se
requiere que se cumpla un determinado procedimiento el cual
implica periodos de carga y descarga de acuerdo a un plan
establecido
131 Anaacutelisis del Sistema Operativo de las Bateriacuteas
El suministro de energiacutea eleacutectrica dentro del buque tiene un solo
responsable estas son las celdas del buque
Primeramente entieacutendase por celdas al elemento unitario de
energiacutea eleacutectrica del buque que baacutesicamente es un acumulador de
plomo y aacutecido o pila secundaria que puede recargarse invirtiendo
la reaccioacuten quiacutemica
La celda electroliacutetica que describiremos a continuacioacuten el
acumulador de plomo
Estos acumuladores constan de una serie de placas de plomo
dispuestas una al lado de la otra y separadas entre siacute por medio de
los separadores
Las placas son unas rejillas rectangulares en las que se efectuacutea
una transformacioacuten de energiacutea quiacutemica en eleacutectrica o viceversa
seguacuten se descargue o cargue repetidamente el acumulador
132
Existen dos clases de placas las positivas constituidas a base de
peroacutexido de plomo cuyo color es negruzco y las negativas
constituidas de plomo combinado con materiales inertes que no
intervienen en la transformacioacuten generalmente antimonio Al
peroacutexido de plomo y al plomo que componen las placas se les
denomina materia activa del acumulador
Las placas positivas estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute
mediante una barra o laacutemina metaacutelica denominada puente de
unioacuten Lo mismo ocurre para las placas negativas Sobre ambos
puentes se hallan los bornes del acumulador uno positivo y otro
negativo
El conjunto de placas positivas y negativas alternadas se
encuentran sumergidas en agua acidulada que es una mezcla de
acido sulfuacuterico y agua que hace las veces de electrolito
En las condiciones hasta ahora descritas el acumulador se halla
cargado es decir que si entre sus bornes conectamos un
consumidor por ejemplo una laacutempara por ella circula corriente y
por tanto se encenderaacute ello es debido a que entre sus placas de
peroacutexido de plomo y de plomo existe una diferencia de potencial
capaz de producir corriente eleacutectrica cuando circula esta corriente
a traveacutes de un consumidor el acumulador se estaacute descargando
133
Durante dicha descarga para la corriente desde la placa positiva a
la negativa por el por el receptor o consumidor exterior a la bateriacutea
y por el interior desde la placa negativa a traveacutes del electrolito a la
placa positiva
Al pasar la corriente por el electrolito se descompone la moleacutecula
del aacutecido sulfuacuterico en dos iones (SO4-) y (2H+) con cargas
negativas y positivas respectivamente que reaccionan formando
en la placa positiva peroacutexido de plomo (PbO2) mas agua en el
recipiente Esta agua se genera porque el oxiacutegeno liberado de la
placa positiva del peroacutexido de plomo se combina con el hidroacutegeno
descompuesto del aacutecido sulfuacuterico
De la misma manera se forma sulfato plumboso en la placa
negativa y agua en el recipiente La reaccioacuten de la descarga la
podriacuteamos resumir asiacute
134
A medida que se va descargando la concentracioacuten de aacutecido
sulfuacuterico en el electrolito va disminuyendo lo que origina que sea
menos conductor provocando este fenoacutemeno un aumento de la
resistencia interior en el elemento lo que produce una caiacuteda de
tensioacuten tan grande que deja la bateriacutea fuera del servicio uacutetil
Cuando ha sido atacado todo el peroacutexido de plomo y todo el plomo
cesa la transformacioacuten y con ella la corriente eleacutectrica el
acumulador descargado incapaz de producir maacutes corriente
eleacutectrica
Si estando el acumulador descargado aplicamos en sus bornes
una diferencia de potencial se produciraacute la electroacutelisis del agua
contenida en el recipiente y las transformaciones que habraacuten
tenido lugar durante la descarga se invertiraacuten es decir en las
placas positivas se transformara el sulfato plumboso en peroacutexido
de plomo y aacutecido sulfuacuterico y en las negativas en plomo y aacutecido
sulfuacuterico con lo que el acumulador quedara nuevamente cargado y
con la facultad de poder suministrar de nuevo corriente eleacutectrica
La reaccioacuten de carga se habraacute efectuado asiacute
135
Estos fenoacutemenos quiacutemicos se llevan a cabo en el interior del
acumulador se va intentar representarlos por una serie de figuras
Por ejemplo en la Figura 12 Se tiene una aproximacioacuten a un
esquema de reaccioacuten quiacutemica durante la descarga del acumulador
La laacutempara representa el aparato consumidor que estaacute recibiendo
energiacutea eleacutectrica en este momento En el interior del acumulador
se estaacuten descomponiendo del modo que indican las flechas las
moleacuteculas de cada uno de los componentes de las placas
conjuntamente y en colaboracioacuten con el electrolito y su
composicioacuten quiacutemica
Obseacutervese como en la parte baja de las placas se produce la
presencia del sulfato de plomo (PbSO4) que es el indicio claro de la
descarga (En este esquema se mantiene el sentido electroacutenico de
la corriente es decir el paso del negativo al positivo tal como
ocurre en la realidad aunque se ha aceptado convencionalmente la
inversa)
136
La descarga total del acumulador llegariacutea a producirse cuando
ambas placas se hallaran saturadas de sulfato de plomo y el
electrolito fuera praacutecticamente formado por agua destilada La luz
dejara de brillar en sentildeal evidente de la falta de energiacutea eleacutectrica
FIGURA 12 ESTADO DE DESCARGA DE UN ACUMULADOR
El proceso de carga podemos verlo en la Figura 13 La colocacioacuten
de un generador de corriente continua entre los bornes del
acumulador hace que la corriente circule entre placas y electrolito
Tal como puede verse en la parte alta de las placas la presencia
del sulfato plumboso (PbSO4) es general lo que indica su estado
descarga pero al paso de la corriente eleacutectrica proveniente del
generador activa una reaccioacuten quiacutemica en la que de nuevo acido
sulfuacuterico se recompone Poco a poco la placa negativa recobra su
137
plomo inicial y la positiva su peroacutexido de plomo mientras el
electrolito aumenta su densidad por encima de los valores casi del
agua que teniacutea en el estado totalmente descargado debido a su
enriquecimiento de acido sulfuacuterico [13]
Estas son pues las transformaciones quiacutemicas mediante las
cuales es posible convertir energiacutea eleacutectrica en energiacutea quiacutemica y
viceversa
FIGURA 13 ESTADO DE CARGA DE UN ACUMULADOR [13]
132 Caracteriacutesticas de las Bateriacuteas
138
A pesar de su diversa constitucioacuten todas las bateriacuteas pueden
ser definidas mediante unas caracteriacutesticas comunes que se
consideran seguidamente
Resistencia interna- Formada por la resistencia oacutehmica
de sus componentes (terminales electrodos soportes y
electrolito) y por una resistencia virtual variable en funcioacuten
del estado de carga y de las distintas polarizaciones y
concentraciones Aumenta con las bajas temperaturas
con la descarga de la bateriacutea y con el envejecimiento
Rendimiento- Es la relacioacuten entre la energiacutea
suministrada durante la descarga y la que se necesita
para cargar plenamente la bateriacutea Las peacuterdidas en una
bateriacutea se deben sobre todo a una produccioacuten de energiacutea
caloriacutefica en los procesos quiacutemicos que tienen lugar
durante la carga y descarga
Velocidad de carga y descarga - Las corrientes de
carga y descarga a menudo se especifican con unos
teacuterminos que indican la descarga completa en un periacuteodo
continuo de una hora Estos teacuterminos son los regiacutemenes C
y sus muacuteltiples y submuacuteltiplos son un medio muy coacutemodo
para especificar las velocidades de carga y descarga Por
tanto 10C es la corriente que descarga la bateriacutea en seis
139
minutos mientras que C10 es la corriente que descarga
la bateriacutea en diez horas
Vida uacutetil - La vida uacutetil de una bateriacutea no se mide en antildeos
sino por la cantidad de ciclos de carga - descarga que es
capaz de realizar Asiacute si se la somete a un reacutegimen de
trabajo de muchos ciclos diarios probablemente soacutelo
duraraacute unos meses mientras que si el reacutegimen es de un
ciclo al diacutea o incluso maacutes lento (como ocurre en el caso de
iluminacioacuten de viviendas con energiacutea solar) la bateriacutea
puede durar al menos diez antildeos
133 Capacidad de una Bateriacutea
Es la cantidad de electricidad que puede entregar cuando se
descarga antes de que su tensioacuten disminuya por debajo de un
nivel miacutenimo Su siacutembolo es C y se expresa en A - h Otro
factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una bateriacutea
es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten quiacutemica
que tiene lugar en el acumulador se acelera demasiado y la
vida se acorta Si la temperatura es baja la vida se prolonga
pero si baja demasiado puede correr el riesgo de congelacioacuten
En este caso lo mejor seraacute mantener la bateriacutea en un nivel de
140
carga alto ya que cuanto mayor sea la concentracioacuten del
electrolito el punto de congelacioacuten seraacute maacutes bajo
La capacidad de una bateriacutea variacutea seguacuten el reacutegimen de
descarga aumenta a medida que la descarga es maacutes lenta y
disminuye cuando esta es maacutes raacutepida
Por esta razoacuten el valor de C debe venir referenciado con el
tiempo de descarga
FIGURA 14 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
REGIMEN DE DESCARGA [13]
Un incremento de la temperatura dentro de unos liacutemites
aumenta la actividad de los procesos quiacutemicos y por lo tanto
la capacidad de la bateriacutea Por el contrario a bajas
temperaturas la actividad quiacutemica es menor y la capacidad
disminuye considerablemente
141
FIGURA 15 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN LA
TEMPERATURA [13]
La historia de la bateriacutea afecta tambieacuten a la capacidad Si una
bateriacutea lleva un largo periacuteodo sin ser recargada en toda su
capacidad se produce un efecto memoria que impide que
recupere su capacidad nominal siendo necesarios varios
ciclos de carga y descarga para recuperarla El
envejecimiento de una bateriacutea merma su capacidad y va
disminuyendo a lo largo de su vida en funcioacuten del servicio de
carga - descarga a que sea sometida Para el caacutelculo de la
capacidad nominal necesaria hay que tener en cuenta la vida
uacutetil que se desea para la bateriacutea si se desea una vida uacutetil de
142
3 antildeos y el fabricante indica que al final de este periacuteodo soacutelo
se mantiene el 50 de la capacidad habraacute que utilizar una
bateriacutea de capacidad doble a la estimada necesaria
FIGURA 16 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
NUacuteMERO DE CICLOS [13]
Ademaacutes de los ciclos de carga - descarga tambieacuten hay que
considerar la profundidad de la descarga media que se
produce en cada uno de ellos Si dicha descarga es
moderada y soacutelo de vez en cuando se alcanza una
profundidad elevada el nuacutemero de ciclos que soportaraacute las
bateriacuteas seraacute elevado A medida que se la someta a
descargas maacutes profundas el nuacutemero de ciclos que podraacute
realizar y por tanto su vida uacutetil iraacute disminuyendo En
143
cualquier caso la profundidad de descarga maacutexima admisible
para un acumulador plomo - aacutecido es del 80
FIGURA 17 VARIACION DE LA VIDA UTIL EN FUNCION
DE LA DESCARGA [13]
Con un reacutegimen de descarga diaria del 25 de su capacidad
y un 80 de descarga 2 veces al antildeo (condiciones que
normalmente se dan en una instalacioacuten fotovoltaica) la
bateriacutea solar puede alcanzar una vida uacutetil de maacutes de 11 antildeos
Otro factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una
bateriacutea es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten
quiacutemica que tiene lugar en el acumulador se acelera
demasiado y la vida se acorta Si la temperatura es baja la
144
vida se prolonga pero si baja demasiado puede correr el
riesgo de congelacioacuten En este caso lo mejor seraacute mantener
la bateriacutea en un nivel de carga alto ya que cuanto mayor sea
la concentracioacuten del electrolito el punto de congelacioacuten seraacute
maacutes bajo
Las mayores formas de acortar la vida uacutetil de un acumulador
son
someterlos a cargas y descargas violentas y repetidas
descargarlo hasta el agotamiento
trabajar a temperaturas extremas
134 Autodescarga
La autodescarga de una bateriacutea consiste en la peacuterdida de
energiacutea por reaccioacuten entre los materiales que forman los
elementos de la bateriacutea en condiciones de circuito abierto es
decir cuando no hay carga alguna conectada al circuito de la
bateriacutea Depende del tipo de bateriacutea y muy directamente de la
temperatura aumentando con esta Por ello y dado que los
valores estaacutendar suelen venir referidos a una temperatura
145
media (unos 20 oacute 25ordmC) es preciso tener en cuenta que este
factor puede alterarse en algunos casos
FIGURA 18 VARIACION DE LA CAPACIDAD POR
AUTODESCARGA [13]
La autodescarga hay que considerarla como un consumo
adicional que demanda un cierto porcentaje de energiacutea
almacenada Su valor es aproximadamente de un 05 a un
1 diario en bateriacuteas plomo - aacutecido
146
135 Almacenamiento
Los fabricantes suelen dar recomendaciones para el almacenamiento
Mostramos las condiciones recomendadas para aplicaciones solares
en la tabla siguiente
TABLA 12 PARAMETROS DE ALMACENAMIENTO [18]
Las bateriacuteas almacenadas llenas y cargadas requieren un periodo de
recarga antes de su instalacioacuten El fabricante debe proporcionar las
instrucciones acerca de los intervalos y meacutetodos en los que debe
efectuarse
La exposicioacuten a alta temperatura y humedad durante el
almacenamiento puede ocasionar una peacuterdida de capacidad La
temperatura de una bateriacutea guardada en un recipiente expuesto a la
luz directa del sol puede subir a 60 degC o maacutes durante el diacutea
147
136 Principales Meacutetodos de Carga
La vida uacutetil de una bateriacutea y sus prestaciones dependen
directamente de los procesos de carga a los que es sometida
Por esta razoacuten hay que seguir en cada caso las
recomendaciones que da el fabricante
Los principales meacutetodos de carga son
1 Tensioacuten constante
2 Corriente constante
3 Corriente descendente
4 Dos niveles de tensioacuten constante
Tensioacuten constante
El meacutetodo de carga a tensioacuten constante es el maacutes usado para
cargar bateriacuteas de plomo - aacutecido Consiste en aplicar una
tensioacuten constante de 23 24 oacute 25 Velemento limitando la
corriente inicial de carga a 01C oacute 02 C amperios siendo C la
capacidad de la bateriacutea en amperios - hora El tiempo de
carga va de 40 horas a 10 horas y la tensioacuten debe regularse
seguacuten la temperatura ambiente si la temperatura es alta la
tensioacuten de carga debe ser baja y viceversa
148
Algunos fabricantes admiten la utilizacioacuten de este meacutetodo sin
limitacioacuten de corriente pues sus bateriacuteas estaacuten
dimensionadas para fuertes corrientes En este caso si se
inicia el proceso con 23Velemento la corriente inicial
despueacutes de una descarga profunda seraacute de 3C amperios y de
un 05C durante un periacuteodo largo
Corriente constante
El meacutetodo de carga a corriente constante es recomendado
por algunos fabricantes para las bateriacuteas de niacutequel - cadmio
limitando la corriente entre 025C y 005C amperios En el
caso de carga profunda se admiten corrientes de 1C
amperios pero vigilando la tensioacuten de la bateriacutea o la
temperatura
La carga a corriente constante se utiliza como carga de
igualacioacuten en bateriacuteas plomo - aacutecido para corregir diferencias
de capacidad entre las bateriacuteas de un mismo grupo Para
evitar una sobrecarga que destruya la bateriacutea es necesario
terminar cuando la bateriacutea alcance su maacutexima capacidad
149
Corriente descendente
Es el sistema de carga maacutes econoacutemico y es utilizado por
algunos fabricantes para sus bateriacuteas niacutequel - cadmio
Consiste en una carga sin regulacioacuten limitada por una
resistencia serie que en algunos casos es la propia
resistencia del devanado del transformador de alimentacioacuten
A medida que la bateriacutea se va cargando la corriente de carga
va descendiendo gradualmente Es un meacutetodo antiguo y muy
peligroso porque la tensioacuten y corriente de carga dependen de
las fluctuaciones de la corriente de la red con lo que existe
riesgo impliacutecito de sobrecarga
Dos niveles de tensioacuten constante
Es el meacutetodo recomendado para cargar una bateriacutea de plomo
- aacutecido hermeacutetica en un periacuteodo corto de tiempo y mantener la
bateriacutea en plena carga en situacioacuten de flotacioacuten Inicialmente
se carga a un nivel alto de tensioacuten (245Velemento)
limitando la corriente A partir de que esta disminuya por
debajo de un nivel se pasa a tensioacuten constante permanente o
de flotacioacuten Este meacutetodo es el maacutes eficiente pues minimiza el
tiempo de carga y la bateriacutea queda protegida de sobrecargas
150
Despueacutes de una descarga profunda es necesario un tiempo
de carga maacutes largo de lo normal Inicialmente la corriente que
admite la bateriacutea es baja ya que la resistencia interna tiene
un valor elevado y no adquiere su valor normal hasta pasados
unos 30 minutos Por este motivo es necesario inhibir el
control durante este periacuteodo de tiempo pues el cargador
podriacutea suponer que la bateriacutea estaacute cargada y dejarla en
flotacioacuten
137 Control de Carga
Para mantener el rendimiento oacuteptimo de una bateriacutea es esencial que
su carga se controle adecuadamente Al comienzo del ciclo de carga la
corriente deberiacutea limitarse para asegurar que no se produzca
generacioacuten de gases a causa de un voltaje excesivo aplicado al vaso
mientras la capacidad se recupera la corriente de carga debe
limitarse para mantener el voltaje de los vasos en el umbral requerido
para la generacioacuten de gases o ligeramente inferior una vez
recuperada la plena capacidad se deberiacutea aplicar una carga final a
corriente constante por un periacuteodo de tiempo fijo (carga de
igualacioacuten) Aunque estas condiciones no puedan lograrse
praacutecticamente en los sistemas de energiacutea fotovoltaica hay ciertas
151
circunstancias que se necesitan para minimizar el mantenimiento y
mantener la vida de la bateriacutea Los paraacutemetros del regulador tendraacuten
en cuenta los efectos del disentildeo del generador fotovoltaico la carga
la temperatura y los valores liacutemite recomendados para proteger la
bateriacutea Las de plomo-aacutecido o de niacutequel-cadmio tendraacuten el electrolito
suficiente para cubrir el periacuteodo entre por lo menos las visitas de
mantenimiento planificadas [13]
La sobrecarga excesiva no aumenta la energiacutea almacenada en la
bateriacutea En cambio la sobrecarga afecta al intervalo de servicio
debido al consumo de agua destilada en las bateriacuteas aacutecidas como
resultado de la generacioacuten de gases Para minimizar este efecto el
voltaje de regulacioacuten de la carga debe compensarse con los cambios
en la temperatura del electrolito ya que esto afecta directamente al
umbral de voltaje de generacioacuten de gases Contrariamente a esto la
estratificacioacuten puede ocurrir en bateriacuteas de electrolito liacutequido
particularmente en sistemas fotovoltaicos doacutende la insolacioacuten es a
menudo insuficiente para proporcionar generacioacuten de gases durante
el funcionamiento normal La estratificacioacuten se produce cuando capas
menos densas de electrolito se depositan sobre capas maacutes densas
situadas en el fondo de los vasos lo que produce una reduccioacuten de
152
capacidad Esto puede corregirse con la agitacioacuten que se produce
durante el proceso de gasificacioacuten Por consiguiente el proceso de
regulacioacuten de carga debe disentildearse para promover la generacioacuten de
gases a intervalos regulares Esto puede lograrse elevando el voltaje
de control de carga durante un periacuteodo y restablecieacutendolo una vez
que se ha producido la generacioacuten de gases
138 Administracioacuten de la Temperatura en las Bateriacuteas
Limites de temperatura de operacioacuten
Todas las bateriacuteas dependen para su funcionamiento de un proceso electroquiacutemico
ya sea en carga o descarga y sabemos que estas reacciones quiacutemicas son en alguna
manera dependientes de la temperatura La capacidad nominal de una bateriacutea se
especifica usualmente en alguacuten punto dentro del rango de trabajo entre +20ordmC hasta
+30ordmC (+68ordmF ~ +86ordmF) sin embargo la capacidad real puede desviarse
substancialmente del valor nominal si la bateriacutea es forzada a trabajar a mayores o
menores temperaturas (Figura 18) La Ley de Arrhenius dice que la velocidad a la
cual una reaccioacuten quiacutemica se produce incrementa exponencialmente seguacuten la
temperatura aumenta Esto permite que se extraiga mayor potencia de la bateriacutea en
un instante a mayores temperaturas que la de trabajo Al mismo tiempo las mayores
temperaturas aumentan la movilidad de los electrones o iones reduciendo asiacute la
impedancia interna de la celda por consiguiente aumentando su capacidad Sin
embargo en el extremo superior de la escala las altas temperaturas pueden
tambieacuten iniciar reacciones quiacutemicas no deseadas o irreversibles yo peacuterdida de
electrolito lo cual puede causar un dantildeo permanente o falla completa de la bateriacutea
En el extremo inferior de la escala el electrolito se puede congelar fijando un liacutemite
153
para la capacidad a bajas temperaturas Por debajo del punto de congelamiento del
electrolito la capacidad de la bateriacutea comienza a deteriorarse seguacuten la velocidad de
la reaccioacuten quiacutemica se reduce Auacuten cuando una bateriacutea esteacute especificada para
trabajar bajo los -20ordmC oacute -30ordmC la capacidad a 0ordmC y por debajo de este punto de
disminuye considerablemente Debemos tomar en cuenta que el liacutemite inferior de
temperatura de trabajo de una bateriacutea puede depender de su estado de carga Un
sistema real puede por lo tanto necesitar ambos calentamiento y enfriamiento
ambiental forzado para mantenerlo no soacutelo dentro de los rangos liacutemite de trabajo
especificado por el fabricante sino dentro de un rango maacutes limitado para alcanzar
desempentildeo oacuteptimo
FIGURA 18 CAPACIDAD DE CARGA DE BATERIAS PLOMO ndash ACIDO A
DIFERENTES TEMPERATURAS
Efectos teacutermicos externos
154
Efectos teacutermicos externos La condicioacuten teacutermica de la bateriacutea es tambieacuten dependiente
de su ambiente Si su temperatura estaacute sobre la temperatura ambiente perderaacute calor
por efecto de la conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten Si la temperatura ambiente es
mayor la bateriacutea absorberaacute calor de sus alrededores
Cuando la temperatura ambiente es muy alta el sistema de manejo de la
temperatura debe trabajar muy duro para mantener la temperatura bajo control Una
sola celda puede trabajar muy bien a la temperatura ambiente de una sala por siacute
sola pero si es parte de un paquete de bateriacuteas rodeada de celdas similares todas
generando calor auacuten si la carga es la misma para todas podriacutea exceder sus liacutemites
de temperatura
FIGURA 19 REACCION EXOTERMICA
155
CAPITULO 2
2 DESCRIPCIOacuteN DEL PROBLEMA
Las unidades navales de la Armada del Ecuador dentro de los escenarios
en tiempo de paz y conflicto una de sus principales funciones es de
mantener los equipos y sistemas operativos como parte fundamental en
la operatividad como parte de estas funciones la Direccioacuten de
Mantenimiento de la institucioacuten es la encargada de realizar el cambio de
las bateriacuteas del Escuadroacuten de submarinos de que son las encargadas
suministrar energiacutea eleacutectrica a todo el submarino
156
Se adquiere una remesa de 960 bateriacuteas nuevas para eacutel los submarinos
a la empresa alemana Hawker GMBH ya que es necesario se efectuacutee la
remocioacuten de las bateriacuteas por cuanto su tiempo de vida uacutetil fue alcanzado
en el antildeo 2006 estos equipos vienen realizados sus pruebas de control
de calidad pero no vienen eleacutectricamente cargadas por lo que se
requiere realizar la operacioacuten de activacioacuten en tierra antes de ser puestas
en los submarinos
Para esto se requiere construir un sistema que permita la carga de 120
bateriacuteas a la vez Como se analizoacute en el Capitulo 1 existen tres
paraacutemetros que se debe controlar en el momento de carga o activacioacuten
de estos elementos que son
Voltaje
Corriente
Temperatura
El paraacutemetro de voltaje es necesario conocerlo para saber cuando las
celdas necesitan recargarse o cuando una de las celdas esta averiada y
tomar las acciones necesarias para continuar con el procedimiento de
activacioacuten de los elementos
157
El paraacutemetro de la corriente es necesario conocerlo para saber queacute
cantidad de energiacutea eleacutectrica estaacute entregando o recibiendo las celdas y
de esta manera conocer los amperios ndash hora que estaacute recibiendo las
celdas
El paraacutemetro de temperatura es criacutetico y es el paraacutemetro que esta tesis
estaacute encargada de controlar en este proceso de activacioacuten ya que se
desprende hidrogeno y sabiendo que el hidrogeno es un gas inflamable y
que al combinarse con el oxigeno en un determinado porcentaje es
detonante por este motivo se debe tener estricto control en la
temperatura de las celdas y de la concentracioacuten de hidrogeno en el aacuterea
de activacioacuten
El resultado de los efectos termo-eleacutectricos y termo-quiacutemicos posiblemente aumentados por las
condiciones ambientales es generalmente un aumento en la temperatura y como se dijo
anteriormente esto provocaraacute un incremento exponencial en la velocidad a la cual la reaccioacuten
quiacutemica se da Tambieacuten sabemos que si el aumento de temperatura es excesivo muchas cosas
desagradables pueden suceder
Los quiacutemicos activos se expanden causando que la celda se
ldquohincherdquo
Distorsiones mecaacutenicas en los componentes de la celda pueden
provocar corto circuitos o circuitos abiertos
158
Pueden darse reacciones quiacutemicas irreversibles las cuales
causaraacuten una reduccioacuten permanente en los quiacutemicos activos y por
lo tanto en la capacidad de la celda
Operacioacuten prolongada a altas temperaturas puede causar roturas
en partes plaacutesticas de la celda
Se expeleraacuten muchos gases de la celda debido a lo cual aumenta
la presioacuten dentro de esta lo que puede llevar eventualmente a una
ruptura o explosioacuten de la misma
Se podriacutean liberar quiacutemicos toacutexicos o inflamables
21 Requerimientos para el Proceso de Enfriamiento de las
Bateriacuteas de los Submarinos
Las bateriacuteas son colocadas en un cuarto de activacioacuten designado por la Armada del
Ecuador este cuarto debe ser adecuado para colocar 240 bateriacuteas colocadas sobre
plataformas de carga 4 unidades por plataforma en fila cada bateriacutea debe ser enfriada
de acuerdo a los paraacutemetros especificados por el fabricante
159
FIGURA 21 TRABAJOS PRELIMINARES
El enfriamiento de los elementos de la bateriacutea se consigue haciendo pasar el agua
destilada a traveacutes de los polos negativos y positivos que son huecos pasando desde
aquiacute a traveacutes de tuberiacuteas de salida hacia la tuberiacutea principal
Salida de agua
destilada caliente
Ingreso de agua
destilada friacutea
Salida de agua
destilada caliente
160
FIGURA 22 ESQUEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIA POR MEDIO DE AGUA
DESTILADA
22 Condiciones Teacutecnicas para la Activacioacuten de las Bateriacuteas de
Los Submarinos
Por lo que debe cumplirse con los programas de carga y descarga
siendo la temperatura un paraacutemetro a controlar principalmente en
el periodo de carga
Carga 10 h 590 A 5900 A-h
40 h 435 A 17400 A-h
Ingreso de agua
destilada friacutea
161
4 h Pausa
18 h 200 A 3600 A-h
Descarga 16 h 564 A
Carga aprox 31 h Carga Factor carga 125
27 Cargar 2h 200 A1h pausa
Descarga 20 h 564 A
Carga aprox 36 h Cargar IUI
TABLA 21 PROGRAMA DE CARGA ELECTRICA PARA LA ACTIVACION DE LAS
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
23 Alternativas de Solucioacuten
Los procesos de enfriamiento del agua se cuentan entre los maacutes antiguos que haya
desarrollado el hombre Por lo comuacuten el agua se enfriacutea exponiendo la superficie al aire
Algunos de estos procesos son lentos como el enfriamiento del agua en la superficie
de un estanque otros son comparativamente raacutepidos por ejemplo el rociado de agua
hacia el aire todos estos procesos implican la exposicioacuten de la superficie del agua al
aire en diferentes grados
Al enfriar agua es importante tener en cuenta consideraciones que mejoraran al modo
de enfriamiento del agua y que pueden significar un mayor rendimiento en el proceso
industrial Por esta razoacuten los meacutetodos de enfriamiento pueden ser mejorados en base a
estudios preliminares que cumplen con las normas existentes
162
El agua en estado puro no existe y dependiendo de la fuente de donde provenga
contiene un sin nuacutemero de impurezas a continuacioacuten enlistaremos solo las que nos
afectan en el tratamiento interno de los sistemas de enfriamiento
Constituyente Formula Quiacutemica
Dificultad de causa
Dureza Sales de Ca y Mg Fuente principal de incrustaciones en tuberiacuteas
Acidez mineral H2SO4
Libre HCl Corrosioacuten
Dioacutexido de carbono CO2 Corrosioacuten en las liacuteneas de agua
Sulfatos
SO4
Aumenta el contenido de soacutelidos en el agua Se combina con calcio para formar sales incrustantes de sulfato de calcio
Cloruros
Cl como NaCl
Aumento el contenido de soacutelidos e incrementa el caraacutecter corrosivo del agua
Siacutelice
SiO2
Incrustacioacuten en sistemas de agua de enfriamiento
Hierro Fe +2 ferroso
Fe +3 feacuterrico
Fuente de depoacutesitos en las tuberiacuteas
Oxigeno O2 Oxidacioacuten en tuberiacuteas
Sulfuro de hidrogeno H2S Corrosioacuten
Soacutelidos disueltos Elevadas concentraciones de soacutelidos son indeseables debido a que originan formacioacuten de lodos
Soacutelidos suspendidos Originan depoacutesitos en equipos intercambiadores de calor y tuberiacuteas ocasionan formacioacuten de lodos o incrustaciones
Microorganismos Algas limo y hongos
Formacioacuten de adherencia suciedad bioloacutegica corrosioacuten olores desagradables
TABLA 22 IMPUREZAS MAS COMUNES EN EL AGUA QUE AFECTAN LOS
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
De acuerdo a las especificaciones indicadas anteriormente
principalmente se requiere remocioacuten de calor de las bateriacuteas
163
mientras estas se encuentran en el proceso de activacioacuten en tierra
para la cual se plantea algunas alternativas de varios sistemas de
enfriamiento para posteriormente escoger la maacutes oacuteptima
231 Sistema de enfriamiento directo
Las instalaciones donde se van a colocar las bateriacuteas para ser
activadas estaacuten cerca del estero para lo cual se analizaran
ventajas y desventajas de utilizar este sistema
E-1
Agua de mar
Cuarto de
activacion de
baterias
FIGURA 23 ESQUEMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
DIRECTO
Ventajas
Se tiene agua permanente y en gran cantidad tomada desde
el estero
164
No se requiere instalaciones hidraacuteulicas complicadas
Desventajas
El agua que debe ingresar al sistema de enfriamiento de las
bateriacuteas debe ser esteacuteril pero el agua del estero contiene
cantidades apreciables de sales disueltas lo que implica el
que se tendriacutea que pensar en una planta de tratamiento de
agua
El agua caliente que sale como producto de la remocioacuten de
calor retorna al estero se presenta el problema de
contaminacioacuten teacutermica que puede ser tan grave como
cualquier otra forma de contaminacioacuten ya que el agua tibia
estimula el crecimiento anormal de algas que en cierto modo
consume el oxigeno de uso animal
232 Sistema de enfriamiento para Bateriacuteas de Submarino
utilizando Intercambiadores Enfriados por Aire
Consiste en una serie de tubos situados en una corriente de
aire que puede ser forzada con ayuda de un ventilador
Ventajas
Los tubos suelen tener aletas para aumentar el aacuterea de
transferencia de calor
165
Pueden ser de hasta 12 m de largo y 25 a 5 m de ancho
Un intercambiador de aire tiene una diferencia de
temperatura de unos 12 oC
Desventajas
En un intercambiador de calor enfriado por aire hay que
considerar gastos de enfriamiento del agua es
relativamente caro
E-1
Cuarto de activacion de
baterias
E-2
FIGURA 24 ESQUEMA DE SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
UTILIZANDO INTERCAMBIADORES ENFRIADOS POR AIRE
233 Sistema de Enfriamiento de Bateriacuteas de Submarino
Utilizando Chiller
Un Chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea
para el enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor
generado en un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que
el proceso finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su
temperatura y el agua durante el paso por el proceso la eleva
El agua ahora caliente retorna al chiller donde nuevamente se reduce su
temperatura para ser enviada nuevamente al proceso
166
Ventajas
El chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten
Alimentacioacuten al sistema con diferentes caudales y presiones y temperaturas
de agua
Alto rango de enfriamiento inclusive temperaturas de congelacioacuten con
adicioacuten de anticongelantes
Desventajas
Mantenimiento costoso ya que incluye un compresor un condensador
evaporador vaacutelvula de expansioacuten refrigerante y tuberiacuteas
Consumo de energiacutea
CHILLER
ENFRIADOR DE AGUA
DESTILADA
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
FIGURA 25 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIAS PARA
SUBMARINO UTILIZANDO UN CHILLER
234 Sistema de Enfriamiento Utilizando Intercambiador de
Calor y Torre de Enfriamiento
167
Ventajas
Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para
enfriar un fluido que esta maacutes caliente de lo deseado
transfiriendo este calor a otro fluido que esta frio y
necesita ser calentado
La transferencia de calor se realiza a traveacutes de una
pared metaacutelica o de un tubo que separa ambos fluidos
Las torres para enfriamiento de agua son dispositivos
cuya finalidad es extraer calor del agua a traveacutes del
contacto directo con el aire
Las torres tienen muacuteltiples aplicaciones desde
pequentildeas instalaciones de aire acondicionado hasta en
grandes complejos de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
Se puede decir que su uso estaacute justificado en sistemas
que utilizan agua como medio refrigerante donde sea
necesario disipar grandes cantidades de calor a bajo
costo y el salto de temperatura requerido sea del orden
de 10degC
La Armada del Ecuador proporcionara el banco de
tubos de un Intercambiador de Calor en desuso
Desventajas
Sistema ocupa mayor espacio fiacutesico
168
Tiempo de montaje relativamente largo
Sistemas sujetos a mayor corrosioacuten
Alcanza diferenciales de temperatura bajos en relacioacuten
a los otros sistemas
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
INTERCAMBIADOR
DE CALOR
AGUA DE TORRE CALIENTE (SALE
DEL INTERCAMBIADOR)
AGUA DESTILADA
CALIENTE SALE DE
BANCO DE BATERIAS
AGUA FRIA DE
TORRE ENTRA AL
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA FRIA
SALE DE
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA A
TEMPERATURA
ADECUADA (FRIA)
ENTRA A LAS BATERIAS
FIGURA 26 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO UTILIZANDO
INTERCAMBIADOR DE CALOR Y TORRE DE
ENFRIAMIENTO
24 Seleccioacuten de la Mejor Alternativa para el Sistema de
Enfriamiento de las Bateriacuteas
169
Para la seleccioacuten del sistema de enfriamiento para las bateriacuteas
de los submarinos se utilizaraacute una matriz de decisioacuten de
acuerdo a los paraacutemetros descritos anteriormente tomando en
cuenta las ventajas y las desventajas de cada sistema se ha
tomado en cuenta para esta operacioacuten los paraacutemetros maacutes
significativos en el proceso de la solucioacuten del problema
asignando a cada uno un porcentaje de acuerdo a la
importancia que este brinda para escoger la solucioacuten
Para ingresar a la matriz a las alternativas se les reconoceraacute
con sus iniciales
Sistema de enfriamiento directo SED
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador
enfriado por aire
SEIEA
Sistema de enfriamiento utilizando chiller SECh
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador de
calor y Torre de enfriamiento
SEICTE
170
Paraacutemetros
1 Costos de los sistemas de enfriamiento 3
2 Mantenimiento de equipos 4
3 Cumple con especificaciones y requerimientos de la
propuesta 2
4 Facilidad para adquisicioacuten de equipos 3
5 Durabilidad del sistema 1
1 2 3 4 5 Total
3 4 2 3 1
SED 25 2 0 15 05 65
SEIEA 15 10 10 10 05 50
SECh 05 10 10 10 10 45
SEICTE 15 15 15 15 10 70
TABLA 23 MATRIZ DE DECISION
De acuerdo a la matriz de decisioacuten planteada la solucioacuten maacutes
adecuada es la propuesta del sistema de enfriamiento con
intercambiador de calor y torre de enfriamiento
Existen varias torres de enfriamiento que se podriacutean adaptar al
sistema a continuacioacuten se mencionaran cada una de estas para
seleccionarla de por medio de otra matriz de decisioacuten
171
25 Torres de Enfriamiento y su Clasificacioacuten
251 Torres de circulacioacuten natural
Estas no hacen uso de ventiladores para la circulacioacuten de aire se clasifican en
torres atmosfeacutericas
torres de tiro natural
Torres atmosfeacutericas
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Utilizan las corrientes de aire de la atmoacutesfera (son de flujo cruzado)
2 Son abiertas
3 Deben instalarse en lugares muy despejados de forma que ninguacuten obstaacuteculo
pueda impedir la libre circulacioacuten de aire a traveacutes de la torre
4 Tienen un costo inicial alto debido a su gran tamantildeo pero el costo de
mantenimiento es reducido al no existir partes mecaacutenicas moacuteviles
5 Se debe garantizar que funcionaraacute habitualmente expuesta a vientos de
velocidades iguales o superiores a los 8 kmh
6 Si la velocidad promedio del viento es baja los costos fijos y de bombeo
aumentan mucho en relacioacuten a una torre de tiro mecaacutenico y no compensan el
ahorro del costo de ventilacioacuten Actualmente las torres atmosfeacutericas estaacuten en
desuso
172
Torres de tiro natural
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno
2 La diferencia de densidades entre el aire huacutemedo caliente y el aire atmosfeacuterico
es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a traveacutes de la torre
3 La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el
viento que circula por la parte superior de la chimenea tambieacuten ayuda a
establecer el flujo de aire
4 Son altas y deben tener una seccioacuten transversal grande para facilitar el
movimiento del aire ascendente
5 Tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes
caudales de agua
6 Al igual que las torres atmosfeacutericas no tienen partes mecaacutenicas
7 La velocidad media del aire a traveacutes de la torre suele estar comprendida entre 1
y 2 ms
8 No es posible conseguir un valor de acercamiento pequentildeo y es muy difiacutecil
controlar exactamente la temperatura del agua
9 En las torres de tiro -natural no se pueden utilizar rellenos de gran compacidad
debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo maacutes pequentildea posible
10 Estas torres son muy utilizadas en centrales teacutermicas muy pocas veces son
aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversioacuten inicial necesaria
252 Torres de tiro mecaacutenico
1 Proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado
2 Son torres compactas con una seccioacuten transversal y una altura de bombeo
pequentildeas en comparacioacuten con las torres de tiro natural
3 Valores de acercamiento muy pequentildeos (hasta de 1 a 2 ordmC aunque en la
praacutectica acostumbra a ser de 3 a 4 ordmC)
4 Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire el tiro es forzado
173
5 Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire se habla de tiro
inducido
Torres de tiro forzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre
2 Son casi siempre de flujo a contracorriente
3 Son maacutes eficientes que las torres de tiro inducido puesto
que la presioacuten dinaacutemica convertida a estaacutetica realiza un
trabajo uacutetil El aire que se mueve es aire friacuteo de mayor
densidad que en el caso de tiro inducido
4 El ventilador trabaja con aire friacuteo y no saturado
5 El equipo mecaacutenico tendraacute una duracioacuten mayor que en el caso de tiro inducido
6 El inconveniente radica en la posibilidad de recirculacioacuten del
aire de salida hacia la zona de baja presioacuten creada por el
ventilador en la entrada de aire En la siguiente figura se
puede observar la distribucioacuten de sus partes constituyentes
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
174
Flujo de aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 27 TORRE DE ENFRIAMIENTO DE TIRO FORZADO
Torres de tiro inducido
Estas torres son de gran importancia a nivel industrial son solucioacuten econoacutemica
a los requerimientos de enfriamiento pueden ser de dos tipos
De flujo a contracorriente
De flujo cruzado
Torres de tiro inducido y flujo a contracorriente
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Tanto el agua como el aire van en la misma direccioacuten pero en
sentidos opuestos
2 El agua maacutes friacutea se pone en contacto con el aire maacutes seco
lograacutendose un maacuteximo rendimiento
3 El aire puede entrar a traveacutes de una o maacutes paredes de la torre
4 Altura de entrada de aire reducida en comparacioacuten con las de tiro
inducido y flujo cruzado Existe el riesgo de arrastre de suciedad y
cuerpos extrantildeos dentro de la torre debido a la velocidad de
entrada de aire
5 La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se
traduce en un aumento de la potencia de ventilacioacuten en
comparacioacuten con otras torres En la siguiente figura se observa la
distribucioacuten de las partes constituyentes de este tipo de torre
175
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Ducto de salida de aire
Ventilador
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
Bandeja colectora de agua friacutea
Agua friacutea
Acceso de aire friacuteo no saturado
FIGURA 28 TORRE DE FLUJO A CONTRACORRIENTE Y TIRO
INDUCIDO
Torres de tiro inducido y flujo cruzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
176
1 El aire circula en direccioacuten perpendicular respecto al
agua que desciende
2 Tienen una altura menor que las torres de flujo a
contracorriente ya que la altura total de la torre es
praacutecticamente igual a la del relleno Pero su
diaacutemetro o seccioacuten transversal es relativamente
mayor a las de tiro inducido y flujo a contracorriente
3 El mantenimiento de estas torres es menos
complicado que en el caso de las torres a
contracorriente
4 Facilidad de inspeccioacuten de los distintos
componentes internos de la torre
5 La principal desventaja de estas torres es que no
son recomendables para aquellos casos en los que
se requiera un gran salto teacutermico y un valor de
acercamiento pequentildeo puesto que ello significaraacute
maacutes superficie transversal y maacutes potencia de
ventilacioacuten que en el caso de una torre de flujo a
contracorriente
En la siguiente figura se observan sus partes
177
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Depoacutesito
surtidor de agua caliente
Aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 29 TORRE DE FLUJO CRUZADO Y TIRO INDUCIDO
253 Especificacioacuten del Tipo de Torre de Enfriamiento a Usarse
Para seleccionar el tipo de torre de enfriamiento adecuado empleo una matriz de
decisioacuten en la que en la primera fila pondero al costo inicial costo de operacioacuten
tamantildeo compacto facilidad de mantenimiento y sobre todo al espacio requerido
para el montaje como las caracteriacutesticas requeridas para solucionar el problema
Las alternativas de solucioacuten son las 5 clases de torre de enfriamiento a las que
asigno una jerarquiacutea del 1 al 10 en funcioacuten de las caracteriacutesticas dadas en la
anterior clasificacioacuten de las torres de enfriamiento
De la sumatoria de los valores resultantes de la multiplicacioacuten de ponderacioacuten y
jerarquiacutea de cada tipo de torre se elegiraacute al tipo que posea mayor resultado
178
TABLA 25 MATRIZ DE DECISION PARA SELECCIONAR EL TIPO DE TORRE
Es evidente que la mejor opcioacuten es el tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico
y flujo a contracorriente Esto debido a que comparativamente tiene menor tamantildeo
y aacuterea de montaje requerido aunque no posea los menores costos iniciales y de
operacioacuten tal es el caso del tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico forzado
Esta es relativamente maacutes difiacutecil de limpiar y realizar su montaje razoacuten por la que
se descarta
179
CAPITULO 3
3 ANALISIS TEacuteRMICO
31 Descripcioacuten del Sistema
A partir de la figura 26 implica algunos anaacutelisis para el disentildeo del sistema de enfriamiento y es asiacute
que
Las bateriacuteas como se indico en los requerimientos del sistema van a ser cargadas 120 a la vez esto se
lo va a realizar en el galpoacuten asignado por el personal encargado del proyecto por parte de la Armada
del Ecuador
En este sitio tiene capacidad para almacenar 240 bateriacuteas como se vio en los requerimientos
eleacutectricos las bateriacuteas tienen periodos de tiempo de carga y descarga por lo que se requiere realizar
primeramente un disentildeo de un sistema que permita enfriar primeramente a 120 bateriacuteas por un tiempo
y en el periodo de descarga llevar a cargar las 120 bateriacuteas que se encuentran a continuacioacuten
180
FIGURA 31 DISPOCISION DE LAS BATERIAS EN EL CUARTO DE ACTIVACION
Para ello se disentildeo un sistema moacutevil que consta de parrillas suspendidas en ruedas en esta parrilla se
colocara las tuberiacuteas de circulacioacuten de agua destilada friacutea y saldraacute de las bateriacuteas agua destilada
caliente se indica esta disposicioacuten en el Plano 1 la parte del disentildeo de la estructura moacutevil no seraacute
parte de esta tesis
FI
GURA 32 DISPOSICION DE TUBERIA
FIGURA 33 SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO
181
FIGURA 34 DISPOSICION DE BATERIAS EN CUARTO DE ACTIVACION CON SISTEMA DE
DESPLAZAMIENTO
FIGURA 35 SISTEMA MOVIL PARA LLEVAR FLUIDO DE ENFRIAMIENTO A LAS BATERIAS
CONSTRUIDO
182
Una vez que se ha descrito el sistema el cual va a llevar el agua destilada para el enfriamiento de las
bateriacuteas se tiene que describir el sistema de enfriamiento en si del agua destilada para ello la Armada
del Ecuador doto de un intercambiador de calor que por el interior circulara agua destilada caliente para
que por su exterior circule agua friacutea proveniente de la torre de enfriamiento cerrando de esta manera el
circuito cabe notar que el intercambiador de calor es del tipo tubo coraza pero el intercambiador
adquirido no posee su coraza
Antes de hacer el disentildeo se hizo un anaacutelisis de la factibilidad de construir este sistema en nuestro
medio se consulto en el mercado el costo de una torre de enfriamiento adquirida en una empresa
importadora de estos equipos frente al anaacutelisis de una torre que se pueda construir en ERMARLO SA
resultando maacutes conveniente la construccioacuten de la torre y el acondicionamiento en el sistema de
enfriamiento este anaacutelisis se demostrara en el capiacutetulo de costos
32 Datos de Operacioacuten
A) FLUJO
1) Agua destilada
15 m3h
2) Agua de mar
15 m3h
B) PRESION
1) Agua destilada
25 kgcm2
2) Agua de mar
de la torre
C) TEMPERATURA DE
ENTRADA
183
1) Agua destilada
38 0C
2) Agua de mar
28 0C
D) TEMPERATURA DE
SALIDA
1) Agua destilada
3310C
2) Agua de mar
329 0C
E) DATOS DEL AIRE
1) Temperatura de bulbo seco
322 0C
2) Temperatura de bulbo
huacutemedo 788
33 Consideraciones del
Sistema
El sistema se instalara en un
patio al aire libre
El intercambiador de calor
debe permitir facilidades de limpieza y mantenimiento
El agua a usarse para la
torre seraacute agua potable
184
La velocidad del viento en Guayaquil es variable asiacute que el disentildeo de la torre no debe
depender de la velocidad del viento
El intercambiador de calor
dotado por parte de la Armada del Ecuador del tipo de haz de tubos y coraza este
dispositivo no posee la coraza
Para lo cual el
intercambiador de calor se analizara sumergiendo eacutel en la piscina de la torre de
enfriamiento esta disposicioacuten arrancara calor de los tubos del intercambiador para por el
meacutetodo de conduccioacuten teacutermica pasar calor al agua de la torre y hacerla circular
El agua destilada y el agua
de la torre no deben mezclarse
FIGURA 36 DISENO DE FORMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
185
34 Seleccioacuten del
Intercambiador de Calor
Un intercambiador de calor es un dispositivo que efectuacutea la transferencia de calor de un fluido a otro
que se encuentran a diferentes temperaturas y separados por una frontera solida
En forma muy general se pueden clasificar los intercambiadores de calor de acuerdo al tipo de
superficie
FIGURA 36 INTERCAMBIADOR DE HAZ DE TUBOS
186
En la primera etapa se toman en cuenta consideraciones referidas al tipo de intercambio de calor que
se produce En la segunda etapa se obtienen las propiedades de los fluidos en funcioacuten de las variables
conocidas y se calcula el coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A En la tercera etapa se elige
un intercambiador adecuado para este servicio teniendo en cuenta el coeficiente global U el aacuterea de
intercambio A y las caracteriacutesticas de los fluidos y de las corrientes En la cuarta se vuelve a calcular el
coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A Si no coinciden con el intercambiador previamente
elegido se vuelve al paso tres Si coinciden se da por terminado el proceso [2]
341 Meacutetodo F ndash LMTD para Seleccionar el Intercambiador de Calor
El balance de energiacutea da como resultado
[Energiacutea perdida por el flujo caliente]= [Energiacutea ganada por el flujo friacuteo]
O bien
mh ch(Thi ndash Th0) =mc cc(Tci ndash Tc0) Ec1
Donde
m h Flujo maacutesico del fluido caliente
c h Calor especiacutefico del fluido caliente
Thi Temperatura de entrada del fluido caliente
T h0 Temperatura de salida del fluido caliente
m c Flujo maacutesico del fluido friacuteo
c c Calor especiacutefico del fluido friacuteo
T c i Temperatura de entrada del fluido friacuteo
T c0 Temperatura de salida del fluido friacuteo
El producto (mc) aparece con frecuencia en el anaacutelisis de intercambiadores de calor y
es denominado Capacidad caloriacutefica C
C (mc)
Existen dos metodologiacuteas de anaacutelisis teacutermico de intercambiadores de calor
187
1 Meacutetodo F-LMTD
2 Meacutetodo - NTU
A continuacioacuten se presentara el anaacutelisis F-LMTD para la seleccioacuten del intercambiador de
calor
FIGURA 37 DISTRIBUCION DE TEMPERATURAS EN UN INTERCAMBIADOR DE
DOBLE TUBO EN TUBO PARALELO[1]
Se propone calcular el flujo de calor mediante
Ec 2
Donde
q Flujo de calor [W]
U Coeficiente global de transferencia de calor [Wm2K]
A Aacuterea de transferencia de calor consistente con U
Diferencia de temperatura media
188
En la figura 37 se muestra la historia de las temperaturas de los fluidos friacuteos y calientes
de este modo un balance de energiacutea nos da como resultado
Ec 3
Incorporando la capacidad caloriacutefica y arreglando la ecuacioacuten tenemos
= Ec4
Ec5
Restando ambas ecuaciones
Ec6
Sustituyendo la expresioacuten de calor expresada por
Ec7
Se obtiene la siguiente ecuacioacuten diferencial
Ec8
Integrando la ecuacioacuten anterior entre el punto 1 y el 2 se obtiene
Ec9
Si
Ec10
Ec 11
De manera que sustituyendo las ecuaciones anteriores en la ecuacioacuten previamente
integrada S
189
Ec12
Que al despejar de la ecuacioacuten anterior q se tiene
Ec13
De la uacuteltima ecuacioacuten se reconoce
Donde LMTD son las siglas en ingles de Logarithm Mean Temperature Difference
(Diferencia de temperatura logariacutetmica media)
Esta ecuacioacuten se aplica la misma expresioacuten para LMTD tanto en flujo paralelo como en
contra corriente[1]
Asignacioacuten de flujos
Las reglas aplicables para determinar que fluido va por el casco y cual por los tubos son
1- El fluido a mayor presioacuten va en los tubos
2- El fluido maacutes corrosivo va en los tubos
3- Los fluidos maacutes sucios van en los tubos
4- El fluido con menor peacuterdida de presioacuten va en el casco
5- El fluido a condensar en el casco
Diagramas Teacutermicos
Un diagrama teacutermico es la representacioacuten de la temperatura de las corrientes en funcioacuten
del calor transferido o de la longitud Si existe cruce de temperaturas seraacute necesario
utilizar varios intercambiadores en serie
Diferencia de temperatura media corregida
La diferencia media de temperaturas MTD en un intercambiador de calor de tubo coraza
es la diferencia media logariacutetmica de temperaturas multiplicada por un factor F
MTD = F LMTD Ec 14
De la ecuacioacuten 13 tenemos que
190
= Ec15
Siendo T temperatura de fluido caliente t temperatura de fluido frio
1 entrada 2 salida
El factor F se obtiene de las graficas que se daraacuten en el apeacutendice 1 Un valor de F lt 08
no es admisible por disentildeo hay que calcular P y R seguacuten las condiciones
Ec 16
Ec17
SELECCIOacuteN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Se tiene que obtener primeramente el calor removido por el intercambiador de calor para
lo cual se utilizara la ec1
q=mhch∆T Ec 11
Ch=1BTUlb 0F
∆T=88 0F
mh=Qρ Ec 12
donde
Q=15 m3h = 5297 ft
3h
ρ=6199 lbft3 Para 100
oF (ver anexo 1)
Sustituyendo en la ec12
mh=5297 ft3h6199 lbft
3 = 32836103 lbh
por lo tanto sustituyendo valores en la ec 12
q=27182539 BTUh
q=796599 W
191
Con los datos suministrados se seleccionara el intercambiador de calor adecuado
Thi = 1004
T h0 = 9158
m c = 15 h = 6605 GPM
T c i = 824
T c0 = 912
q = 27182539 BTUh
U = 150 BTUpie2
obtenido de la tabla 31
TABLA 31 ESCALA DE PRESION Y VALOR U PARA TIPOS DE
INTERCAMBIADORES DE CALOR[16]
De la Ec 2 obtenemos el aacuterea de transferencia del intercambiador
Ec 18
192
MTD = LMTD F diferencia de temperaturas medias corregidas
LMTD = 918 este valor es obtenido de la Ec 15
Para encontrar el factor de correccioacuten F utilizamos el Apeacutendice C Ingresando los valores
P y R dadas en las ecuaciones 16 y 17 obtenemos
P = 055
R = 117
F = 09
Por lo tanto
MTD = 918 09 = 82
Por la Ec 18 el aacuterea de transferencia de calor es
A = 2209 pie2 = 2052 m
2
Para calcular el nuacutemero de tubos del intercambiador tubo coraza se plantea la siguiente
ecuacioacuten
Ec 19
ardquo es un factor obtenido para el tubo frac34 obtenido del Apeacutendice E y es 0193 piepie2
por
el aacuterea de disponibilidad donde se construiraacute el sistema tiene una longitud de 8 pie
Por lo tanto el nuacutemero de tubos requeridos para el intercambiador de calor es
Nt = 14072 tubos de frac34rdquo
193
TABLA 32 AREA TRANSVERSAL DE FLUJO Y SUPERFICIE PARA
INTERCAMBIADORES DE CALOR [16]
35 Uso de Software para
Seleccioacuten de Intercambiador de Calor
En este punto se pretende realizar un anaacutelisis comparativo de los resultados obtenidos
mediante el meacutetodo analiacutetico frente al uso de un software mediante el cual se
seleccionara el intercambiador de calor requerido para el sistema de enfriamiento que se
trata
El software que se utilizara es el ESP ndash PLUS V 20 HEAT EXCAHANGER este software
daraacute como resultados el tipo de intercambiador de calor que existe comercialmente
FIGURA 38 VENTANA DE INICIO DEL PROGRAMA
194
FIGURA 38 VENTANA DE SELECCIOacuteN DE TIPO DE INTERCAMBIADOR A UTILIZARSE Y LOS
TIPOS DE FLUIDOS
195
FIGURA 39 VENTANA INGRESO DE DATOS TANTO PARA INTERCAMBIADOR COMO PARA EL
FLUIDO CIRCUNDANTE DA COMO RESULTADO LA TAZA DE FLUJO EN GPM
196
FIGURA 310 SE INTRODUCE LOS DATOS DE MATERIALES DEL INTERCAMBIADOR DE
CALOR
197
FIGURA 311 VENTADA EN LA QUE SE INTRODUCE DATOS DE LONGITUD DEL
INTERCAMBIADOR PRESION INTERNA EN LOS TUBOS Y FACTOR DE FRICCION DENTRO DE
LOS TUBOS
198
FIGURA 312 VENTANA RESULTADOS EN LA PRESION DE DISENO MATERIAL DE TAPAS
DEL INTERCAMBIADOR MATERIAL DE LOS TUBOS Y TUBERIA DE INGRESO AL MATERIAL
199
FIGURA 313 VENTANA DE RESULTADOS
200
FIGURA 314 VENTANA DE RESULTADOS
De acuerdo a este software el intercambiador que se va a seleccionar es el WU16 7 ndash 2 4 que es la
denominacioacuten comercial del constructor ITT Bell amp Gosset creador de este software
La denominacioacuten WU 16 7 ndash 2 4 cada letra y nuacutemero tiene su significado teacutecnico que a continuacioacuten se
detalla
WU Serie de intercambiador de calor
16 Diaacutemetro de la coraza del intercambiador en unidades inglesas
7 Longitud de tubo
2 Numero de pasos del intercambiador de calor
201
4 Espaciamiento de bafles
Al realizar el anaacutelisis comparativo con los meacutetodos de seleccioacuten se tiene que por el meacutetodo analiacutetico se
tiene un aacuterea de 221 ft2 frente al software que nos arroja un aacuterea de 274 ft
2 este valor diferencia
notoriamente a que la seleccioacuten del factor U en el meacutetodo analiacutetico se lo selecciono 150 BTUpie2
el
software utiliza y factor de 137 BTUpie2
notando este paraacutemetro relativamente la diferencia de aacuterea
de los dos anaacutelisis serian casi indiferentes con lo que estariacuteamos en capacidad de decidir si el
intercambiador dotado por la Armada Nacional esta dentro de los paraacutemetros requeridos dado que este
consta de 160 tubos en disposicioacuten triangular dando un aacuterea de transferencia de calor de 24707 ft2
certificando de esta manera que el intercambiador que se posee entra en el rango requerido para el
sistema por lo tanto se lo utilizara para el proceso requerido de enfriamiento del fluido caliente extraiacutedo
del banco de bateriacuteas que estaacuten en el proceso de activacioacuten
FIGURA 315 DISPOSICIONES DEL HAZ DE TUBOS [9]
Los resultados obtenidos del software se presentaran en el Anexo 3
36 Disentildeo de la Torre de
Enfriamiento
El proceso de termotransferencia que se produce en una torre para
enfriamiento de agua cualquiera fuese su tipo es el resultado de la
202
interaccioacuten entre el medio gaseoso refrigerante (aire) y el fluido a
enfriar (agua)
En las torres el agua se encuentra en contacto directo con el aire que
la enfriacutea y el proceso de transferencia de calor se realiza en parte por
intercambio de calor sensible entre la fase liacutequida y la gaseosa pero
en mayor medida por la formacioacuten de vapor de agua en la interfase
liacutequidogas y su posterior difusioacuten en el aire que la circunda
El proceso de transferencia de masa entre el liacutequido y el aire estaacute
iacutentimamente conectado con el de transferencia de calor En efecto
con el cambio de fase desde liacutequido a vapor se absorbe calor lo cual
da lugar a gradientes de temperatura en el aire adyacente a la
superficie liacutequida En muchos casos praacutecticos las condiciones en
que se desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse
que la difusividad teacutermica y el coeficiente de difusioacuten maacutesico son
iguales
203
FIGURA 316 IDEALIZACION DEL FENOMENO DE
TRANSFERENCIA [10]
361 Fundamento del Enfriamiento por Evaporacioacuten
El principio fundamental en que se basa el enfriamiento del
agua por evaporacioacuten es en el que el agua para transformarse
en vapor necesita calor (calor latente de vaporizacioacuten) cuyo
valor el alrededor de 1000 BTU lb de agua evaporada valor
que pone en manifiesto que pequentildeas cantidades de agua
evaporada producen altos efectos de enfriamiento
Este calor es tomado principalmente del liacutequido remanente lo
que produce un descenso de su temperatura
La evaporacioacuten se produce poniendo en contacto directo agua
caliente con aire atmosfeacuterico ambiente de humedad relativa
204
baja en dispositivos especiales que variacutean en complejidad
desde piscinas o lagunas abiertas hasta las torres de
enfriamiento de tiro mecaacutenico
Cuando se requiere enfriar raacutepidamente y continuamente
grandes cantidades de agua las torres de enfriamiento son las
teacutecnicas maacutes ventajosas y su funcioacuten principal es la de reducir
la temperatura del agua circulante a los valores maacutes
adecuados seguacuten el tipo de operacioacuten que tenga
Baacutesicamente el funcionamiento de una torre de enfriamiento
convencional es el siguiente
El agua caliente llega por tuberiacuteas a un distribuidor situado en la
parte superior de la unidad a una temperatura Tho luego es
distribuida en forma de pequentildeas gotas a traveacutes de una
instalacioacuten compleja de material de relleno de diferentes tipos y
calidades variando desde madera incorruptible materiales de
fribrocemento PVC ceraacutemica etc los cuales son ubicados en
forma de mallas o enrejados que dispersan la corriente
descendente del liquido y de esta forma obtener una aacuterea
maacutexima de transferencia con el aire atmosfeacuterico el cual entra
por parte inferior de la torre con una temperatura Tci de bulbo
205
seco y una humedad absoluta Yrsquo1 expresada en lb de vapor de
agua lb de aire seco
362 Caacutelculos
Datos para realizar el caacutelculo de la torre de enfriamiento
Flujo a ser enfriado L
66 GPM
Calor removido por el
intercambiador q 27182539 BTUh
Temperatura que
sale del intercambiador de calor para entrar en la torre tL2
9120 0F
Temperatura del
agua requerida luego del enfriamiento en la torre de
enfriamiento tL1 8240 0F
Temperatura de
bulbo huacutemedo tbh 7880 0F
Temperatura de
bulbo seco del aire que entra tG1 7900 0F
Temperatura del
agua de la tuberiacutea de alimentacioacuten a la torre de enfriamiento
tm 8500 0F
206
Con los datos suministrados se desea obtener los siguientes valores
a Valor teoacuterico del coeficiente total de transferencia de masa Kya
b Calculo de la seccioacuten transversal de la torre A
c Calculo del flujo de aire que circula por la torre Gs
d Calculo de la zona empaquetada Z
e Calculo de agua de compensacioacuten M
Para realizar el disentildeo de la torre de enfriamiento se debe seguir
ciertos pasos que daraacuten la pauta para disentildear una torre de
enfriamiento para cualquier necesidad o requerimiento
1 Capacidad de la
Torre de Enfriamiento
q=27182539 BTUh
Este es el calor que remueve el intercambiador de calor y que
es transmitido al agua de la torre
La capacidad de la torre se mide en Toneladas de
Refrigeracioacuten TR que es una unidad de potencia
207
Es asiacute que se tiene las siguientes relaciones para poder saber
en teacuterminos de TR la capacidad de disentildeo para la torre de
enfriamiento
1TR=3517 W = 3024 Kcalh = 3024 Frigh Ec 20
De donde
27182539 BTUh 1 TR12000 BTUh = capacidad de la torre
Capacidad de la torre = 2262 TR
Flujo especifico Lrsquo
L es flujo de agua y Lrsquo es el flujo especifico de agua que se en
encuentra en la figura 318 este valor se encuentra en
funcioacuten del rango de enfriamiento del agua (Tho ndash Thi) y la
temperatura de bulbo huacutemedo Tbh
FIGURA 317 FLUJO ESPECIFICO Lrsquo [7]
208
El valor de flujo especifico de agua que nos da la figura 317
es Lrsquo=20 galmin ft2
L= 66 GPM
Datos para las condiciones de disentildeo de la torre de
enfriamiento
E-1
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
AIREAGUA
q=27182539 BTUh
L=33000 lbh
tL2=9120 FHrsquo2=
Yrsquo2=
tL1=8240 F
Gs=
tG1=79 F
Tw1=788 F
Yrsquo1=002
Hrsquo1=
tM=85 F
M(lbh)
FIGURA 318 DIAGRAMA DEL SISTEMA PARA EL
DISENtildeO
209
Anaacutelisis de la curva de equilibrio
La teoriacutea del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento es la
que desarrolloacute el Dr Merkel Se basa en la diferencia del potencial de entalpiacutea
entonces se supone que cada partiacutecula de agua estaacute rodeada por una peliacutecula de
aire y que la diferencia de entalpiacutea entre la misma y el aire circundante
proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento
A continuacioacuten se ilustran las relaciones del agua aire y el potencial impulsor que
existe en una torre de contra flujo
FIGURA 319 RELACIONES DE AGUA Y AIRE DE UNA TORRE A
CONTRA FLUJO [25]
De la figura anterior la operacioacuten del agua estaacute representada por la liacutenea AB y se
especifica por medio de las temperaturas del agua de la torre en la entrada y
salida La liacutenea de operacioacuten del aire inicia en C verticalmente por debajo de B y
en un punto que tiene una entalpiacutea correspondiente a la temperatura de entrada
de bulbo huacutemedo La liacutenea BC representa la fuerza impulsora inicial (hrsquo- h) El
aire que sale de la torre se representa por medio del punto D y la gama de
210
enfriamiento es la longitud proyectada de la liacutenea CD sobre la escala de
temperaturas
Resumiendo la teoriacutea del Dr Merkel como se observa en la figura 319
considera el flujo de masa y energiacutea del agua a la interfase y de la interfase a la
masa gaseosa Cuando el flujo cruza estas dos fronteras cada una ofrece una
resistencia a la transferencia de materia y energiacutea que resulta en gradientes de
temperatura entalpiacutea y de humedades
El Dr Merkel demostroacute que
Q = KS(hw - ha) Ec21
S = aV Ec22
Donde
Q Calor total transferido en Btuh oacute kJh
K Coeficiente total de transferencia en lbh pie2 oacute kgh m
2
S Aacuterea de transferencia en pie2 oacute m
2 caracteriacutestica fiacutesica
a Aacuterea de transferencia equivalente por unidad de volumen 1pie oacute 1m
V Volumen efectivo de la torre pie3 oacute m
3
hw Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura del agua Btulb oacute kJkg
ha Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura de bulbo huacutemedo Btulb oacute kJkg
Existen paraacutemetros citados en la Ec21 que no son constantes tanto entalpiacuteas
como temperaturas cambian a lo largo de la torre luego derivaacutendola
dQ = d[KS(hw-ha)] = K(hw-ha)dS Ec23
Para la transferencia de calor del lado del agua
Q = CwL(thw ndash tcw) Ec24
dQ = CwLdtw Ec25
211
donde
Cw Calor especiacutefico del agua kJ(kg ordmK) BTUlb F
L Flujo maacutesico del agua que ingresa a la torre kgs lbh
tw Temperatura del agua en contacto con el relleno ordmK 0F
thw Temperatura del agua caliente que ingresa a la torre ordmK 0F
tcw Temperatura del agua friacutea que sale de la torre ordmK 0F
Para la transferencia de calor del lado del aire
Q = G(hoa ndash hia) Ec26
dQ = Gdha Ec27
Donde
G Flujo maacutesico del aire que ingresa a la torre lbh oacute kgs
hia Entalpiacutea de mezcla gaseosa que ingresa a la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
hoa Entalpiacutea de mezcla gaseosa que sale de la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
Haciendo uso de las ecuaciones 23 25 y 27 se puede obtener el calor total por
medio de las siguientes ecuaciones
K(hw-ha)dS = CwLdtw Ec28
K(hw-ha)dS = Gdha Ec29
Que se puede rescribir de la siguiente manera
aw
a
hh
dhGdSK
Ec30
aw
ww
hh
dtC
L
dSK
Ec31
Integrando las Ecuaciones 30 y 31 se tiene
hoa
hia aw hh
dh
L
G
L
KaV
L
KS Ec32
212
thw
tcw aw
ww
hh
dtC
L
KaV
L
KS Ec33
ldquoAl teacutermino KaVL se lo denomina la caracteriacutestica de la torrerdquo
La curva caracteriacutestica es utilizada para determinar el buen funcionamiento de la
torre KaVL es una medida del grado de dificultad para los requerimientos de
enfriamiento del liquido Esta curva tambieacuten puede llamarse ldquoCurva de
Requerimientos de Disentildeordquo puesto que es una medida del grado de dificultad para
alcanzar los requerimientos de disentildeo
2 Calculo de la
humedad absoluta Yrsquo1y entalpia del aire entrando Hrsquo1
para la temperatura tbh
De la carta psicomeacutetrica que se encuentra en el Apeacutendice H
se puede construir la siguiente tabla mostrada en la tabla 33
esta tabla nos indica valores de entalpias y humedades para
mezclas de aire ndash agua a 147 lbplg2
Interpolando se obtiene valores para
Yrsquo1=0022 lb de vapor de agualb de aire seco
De las relaciones psicomeacutetricas para el sistema aire ndash agua
se obtiene que
Hrsquo1= (024+045Yrsquo1)(tG1 - 32) + 10758 Yrsquo1 Ec 34
213
Hrsquo1= 249 BTUlb de aire seco
Con los datos de las temperaturas entalpias encontradas se
puede construir el diagrama de operacioacuten para esta torre de
enfriamiento representada en la figura 320 con los valores
de entalpia de la mezcla aire ndash vapor de agua como
ordenadas y los valores de temperatura como abscisas aquiacute
se representa la curva de entalpia para el aire saturado dado
en la carta psicomeacutetrica H la cual es construida con los datos
de la tabla ubicada en el Apeacutendice H
Para obtener la liacutenea de operacioacuten sobre este diagrama se
ubica el punto N que representa las condiciones de entrada
de la torre esto es tL1=8240 0F y Hrsquo1= 249 BTUlb de aire
seco
La liacutenea de operacioacuten pasara por el punto N y terminara en
alguacuten punto sobre la ordenada trazada por el punto
tL2 = 91200F Para el miacutenimo valor de Gs la liacutenea de
operacioacuten tendraacute la mayor pendiente y tocara
tangencialmente a la curva de equilibrio por lo tanto pasara a
traveacutes del punto Orsquo en donde Hrsquo2= 52 BTU por lb de aire seco
214
Seguacuten lo anterior la pendiente de la liacutenea OrsquoN seraacute por lo
tanto
L CGs min = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1 Ec35
=
Gs min = 1071586 lb de aire seco h
Para que la torre no sea muy alta se considera 15 veces Gs
min
Gs real = 15 1071586 lb de aire seco h
Gs real = 1607380 lb de aire seco h
Una vez determinado el valor Gs real se puede hallar el valor
de la relacioacuten de flujos liacutequido ndash aire
L Gs real = 33000 lbh 1607380 lbh
L Gs real = 205
Como ya se tiene el valor de la pendiente de la liacutenea de
operacioacuten LG que se va a utilizar para el disentildeo faltariacutea
determinar el valor de la ordenada del punto de interseccioacuten
entre la liacutenea de operacioacuten y la vertical trazada por el punto
tL2=912 0F
215
Calculo de la entalpia del aire que sale Hrsquo2
De la ec22 tenemos que
L CGs real = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1
Despejando el valor Hrsquo2 se tiene
Hrsquo2 = (L CGs real (t L2 ndash t L1)) + Hrsquo1
Hrsquo2 = 4294 BTUlb de aire seco
Con los valores obtenidos se puede representar el punto O y
finalmente la liacutenea de operacioacuten seraacute la liacutenea ON
representada en la figura 320
216
FIGURA 320 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE
ENFRIAMIENTO DEL AGUA
3 Calculo de la altura de la
zona empaquetada Z
Utilizando el teacutermino KaVL que nos representa la ldquoCurva de Requerimientos de
Disentildeordquo dado en al ec 33 se procede a calcular la altura de la zona empaquetada
=
Para determinar el valor del integral de la ecuacioacuten propuesta
el cual puede ser calculado por tres formas
a Analiacuteticamente si se conoce la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo
b Integracioacuten grafica
c Integracioacuten numeacuterica
Como se tiene la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo dado en la figura 320 se
usara el meacutetodo de integracioacuten numeacuterica a intervalos de 2 0F
t H Hrsquo H ndash Hrsquo (H ndash Hrsquo)2 At(H ndashHrsquo)2
80 251 185 66
82 272 2217 503 58 034
84 323 2703 527 515 038
217
86 375 3109 641 584 034
88 415 3480 67 655 030
90 487 4120 75 710 028
92 542 4480 94 845 023
= 187
TABLA 33 VALORES DE ENTALPIA
= 187
El valor de kya se obtiene de la tabla 34 interpolando entre
los valores de L 500 ndash 1000 y G 250 por lo tanto tenemos un
Kya=347
Lrsquo=2GPM =`1000 lb de aguah ft2
Por lo tanto el valor de Z es
Z = 538 ft = 163 m
218
TABLA 34 CARACTERISTICAS DE HUMIDIFICACION [4]
4 Calculo de la
Cantidad de Agua de Compensacioacuten M
Realizando un balance de entalpias de acuerdo a la figura
318 se tiene
q + M Cw (tM ndash t0) = Gs (Hrsquo2 ndash Hrsquo1) Ec336
donde
q = 27182539 BTUh
Cw = 1 BTUlb 0F
tM = 85 0F
t0 = 32 0F
Hrsquo2 = 4294 BTU lb de aire seco
219
Hrsquo1 = 2490 BTUlb de aire seco
Reemplazando valores se tiene
27182539 + M (53) = Gs (1804)
De donde
M = Gs(1804) - 27182539 53 Ec 336-1
Haciendo un balance de liquido de acuerdo a la figura 318 se
tiene
M = Gs(Yrsquo2 ndash Yrsquo1) Ec337
Yrsquo2 no es conocido para determinarlo es necesario asumir
que el aire que sale de la torre estaacute saturado y su humedad
Yrsquo2 deberaacute ser la del aire saturado para Hrsquo2 = 4294 BTU lb
de aire seco
Entrando a la curva psicomeacutetrica dada en el Apeacutendice H se
tiene que
Yrsquo2 = 0024 lb de vapor de agualb de aire seco
M = Gs(0024 ndash 002) = 0004 Gs
Sustituyendo la ec 337 en la ec 336 ndash 1 se tiene que
0004 Gs 53 = Gs(1804) - 27182539
1804 Gs ndash 0004 Gs = 27182539
Gs = 1507126 lb de aireh
Reemplazando en la ec 337 el valor Gs
220
M = 6028 lb de aguah = 274 lth
CAPITULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS
CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
41 Partes Componentes de las Torres de Enfriamiento
Ya se ha definido que el mejor disentildeo para el sistema de enfriamiento
requerido de acuerdo a los paraacutemetros de evaluacioacuten es una Torre de
Enfriamiento de Tiro Inducido Flujo en Contracorriente
Este tipo de elementos ademaacutes del cuerpo vertical consta de los
siguientes elementos
Empaquetaduras sistemas de distribucioacuten deposito de coleccioacuten
eliminadores de arrastre ventilador motor y estructura
221
Empaquetaduras
Su funcioacuten es generar una mayor aacuterea de contacto entre el aire y el
agua como sea posible con una miacutenima presioacuten de aire
Existe variedad de empaquetaduras que van desde soacutelidos muy
faacuteciles de adquirir como piedras botellas rotas trozos de porcelana
hasta formas geomeacutetricas complejas y de alto costo econoacutemico
Sistemas de Distribucioacuten
Tiene como funcioacuten principal distribuir el agua caliente en la parte alta
de la torre se recomienda atomizarla para facilitar el contacto con el
aire
La importancia de adecuado sistema de distribucioacuten sobre las
empaquetaduras de una torre es indispensable para una buena
eficiencia en el enfriamiento
Depoacutesito de Coleccioacuten
Se trata de un recipiente donde es colectada el agua friacutea que sale de
la torre
Su construccioacuten deberaacute ser tal que elimine el peligro de que la bomba
absorba aire cuando opera con un miacutenimo de agua y accesible para
remover la suciedad acumulada en el fondo
222
Estructura
Es el soporte de la torre de enfriamiento
Su forma y solidez dependen de las caracteriacutesticas de disentildeo de la
torre que tiene que ser con normas especificas que dependen de su
capacidad de enfriamiento
Ventilador
Tiene como objetivo mantener el flujo constante de aire atreves de la
torre Para la torre seleccionada este aditamento se encontrara en la
parte superior
Motor
Es el que impulsara el ventilador La transmisioacuten se efectuara en
forma directa
Los elementos anteriores forman parte de la construccioacuten interna de la
torre de enfriamiento
Sin embargo existen otros componentes externos a la torre que juntos
constituyen el sistema de enfriamiento deseado Estos son
Bomba de Agua
223
Es el equipo que adicionara energiacutea al agua para hacerla re circular a
traveacutes de todo el sistema
Su capacidad dependeraacute del sistema de operacioacuten en el que va a
utilizar
Tuberiacuteas y Vaacutelvulas
Son los conductos ndash reguladores por los cuales fluiraacute el agua
El material de la tuberiacutea y los tipos especiacuteficos de vaacutelvulas estaraacuten
sujetos al aspecto teacutecnico econoacutemico y esteacutetico del sistema en
cuestioacuten
224
FIGURA 41 DISENO DE FORMA DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTO
42 Determinacioacuten de la Seccioacuten Transversal de la Torre de
Enfriamiento
Datos
Densidad del agua ρL 6222 lbft3 = 1010 Kgm3
Densidad del aire ρa 0077 lbft3 = 125 Kgm3
Relacioacuten de flujos LG 205
Flujo de aire Greal 446 lbs = 2027 Kgs
Tensioacuten superficial del agua σ 2 dinacm
Factor liquido - vapor FLV
Caacutelculos
Una aproximacioacuten para estimar las velocidades maacuteximas permisibles
ha sido presentada por Fair la cual se basa en datos obtenidos con
platos perforados y otros tipos de contactores de etapas finitas y toma
en cuenta el efecto de la tensioacuten superficial del liquido en la columna
la razoacuten de flujo de liquido a flujo de gas las densidades del aire y el
liquido y dimensiones y arreglo del contactor En este meacutetodo la
225
ecuacioacuten baacutesica para velocidad del vapor maacutexima permisible
equivalente a la Ec (41) es
Ec 41
donde
Vrsquom = velocidad de vapor maacutexima permisible basada en aacuterea neta
para el flujo de vapor la cual usualmente es el aacuterea de seccioacuten
transversal activa en fts
Krsquov = constante empiacuterica fts
σ = tensioacuten superficial del liquido en la torre dinascm
Krsquov
226
FIGURA 41 VALORES DE Kv EN FUNCION DEL
ESPACIADO
] Ec42
Sustituyendo valores en la ec 42 se tiene que
FLV = 0090
Se asume un espaciado entre platos de 740 plg = 188 mm
A partir de la fig 41 Kv = 017 fts
De la ec 41
Vrsquom = 3047 fts
Velocidad maacutesica del vapor Gm
Gm = Vrsquom ρa = (3047)(0077) = 023 lbs pie2 Ec43
227
Aacuterea de seccioacuten transversal de la torre A
A = Greal Gm Ec 44
Sustituyendo valores en la ec 44 se tiene que el aacuterea de la seccioacuten
transversal de la torre de enfriamiento es
A = 192 ft2
A = 8ft 24ft = 2430 mm 731 mm
43 Seleccioacuten de la Columna de Contacto de la Torre de Enfriamiento
En esta seccioacuten se tratara de decidir el tipo de columna a utilizar ya
sea de bandejas perforadas o de relleno en funcioacuten de las
caracteriacutesticas de la operacioacuten deseada y de los componentes en
contacto en este caso liquido - aire tomando para la decisioacuten algunos
aspectos
La seleccioacuten entre una columna de bandejas perforadas o una de
relleno depende de conceptos econoacutemicos Sin embargo en un estudio
228
preliminar podemos basar su seleccioacuten en las siguientes ventajas e
inconvenientes de cada una de ellas
1- La eficiencia de una torre de relleno se basa en datos
experimentales para cada tipo de relleno La eficiencia variacutea no solo
por el tipo y tamantildeo del relleno sino tambieacuten por las propiedades del
fluido caudales diaacutemetro de columna etc
2- Si el flujo de liacutequido es pequentildeo comparado con el del aire es
preferible utilizar columnas de platos pues necesitan menores
factores de seguridad en el disentildeo por causa de la dispersioacuten del
liacutequido
3- Las columnas de bandejas perforadas pueden manejar un rango
maacutes amplio de caudales sin inundacioacuten
4- Si los liacutequidos tienen soacutelidos en suspensioacuten se prefieren torres de
bandejas perforadas por la facilidad de limpieza
5- Si se necesita enfriamiento intermedio de la columna es preferible
que sean de bandejas perforadas por la facilidad de la instalacioacuten
del sistema de enfriamiento
6- El peso total de una columna de bandejas perforadas es menor que
en una de relleno si estaacuten vaciacuteas en cambio llenas tienen un peso
similar
229
7- La informacioacuten de disentildeo de una columna de bandejas perforadas
es maacutes accesible que en una de relleno
8- Si hay grandes cambios de temperatura son preferibles las
columnas de bandejas perforadas pues el incremento de
temperatura puede romper el relleno
10-Las columnas de rellenos son maacutes faacuteciles de construir y mas
baratas si se trabaja con fluidos corrosivos
11-Si se tiene liacutequidos con gran tendencia a formar espuma se deben
utilizar torres empaquetadas
12-El almacenamiento de liacutequido en la columna es muy inferior para
las torres de relleno
13-Las torres de relleno tienen menos peacuterdida de carga que las
bandejas perforadas y el relleno previene contra el colapso por lo
que se utilizan en operaciones a vaciacuteo
Por lo expuesto anteriormente se utilizara en el disentildeo de la
empaquetadura de la torre de enfriamiento el sistema de bandejas
perforadas
230
FIGURA 42 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE UNA BANDEJA
PERFORADA
431 Altura de la las Paredes de la Bandeja
La altura de la bandeja determina el volumen de liacutequido sobre la
bandeja y es un importante factor para determinar la eficiencia de
la bandeja con orificios Una mayor altura incrementaraacute la
eficiencia de la bandeja pero a expensas de un alta caiacuteda de
presioacuten en la bandeja Para columnas operando alrededor de la
presioacuten atmosfeacuterica la altura de las paredes de la bandeja variacutea
entre 40 a 90 mm (15 a 35 pulg) [7]
Para el disentildeo de estos elementos se tomara una altura de 90
mm para obtener una buena eficiencia de la bandeja ya que el
231
volumen de agua colocada en la bandeja por mayor tiempo
tendraacute mayor tiempo de contacto con el aire
Aacuterea Perforada
El aacuterea disponible para perforacioacuten se deduciraacute por la obstruccioacuten
causada por las partes estructurales (tales como soportes anillos
y vigas) y por el uso de zonas libres Las zonas libres son
espacios no perforados de la bandeja en los lados de salida y
entrada El ancho de cada zona es usualmente la misma valores
recomendados son
Ancho de la columna Ancho de la zona sin perforar
lt 15 m 75 mm
gt15 m 100 mm
TABLA 41 DIMENSIONES DE ZONA SIN PERFORAR [17]
De acuerdo a la tabla 41 se tomara una franja sin perforar de 75m
Dimensiones de las perforaciones
Los platos perforados tienen perforaciones de 25 mm a 12 mm
(18 a 12 pulg) de diaacutemetro siendo el tamantildeo comuacuten de 5 mm
(316 pulg) las perforaciones se hacen siguiendo un arreglo
232
triangular o cuadrado con una distancia entre centros entre 2 a 5
veces el diaacutemetro de las perforaciones (el oacuteptimo es 38) [17]
Se toma el valor recomendado del agujero de 316rdquo por lo tanto el
espaciamiento entre centros de los agujeros seria
D= 90 mm
Se escogeraacute un arreglo triangular para los orificios
De acuerdo al aacuterea de la seccioacuten transversal de la torre 2430
mm731 mm y la disposicioacuten del disentildeo de forma se tiene unas
dimensiones en las bandejas de
Bandeja = 2000 mm 731 mm
Al dejar una franja por los cuatro lados sin perforar de 75 mm
FIGURA 43 DISPOSICION DE AGUJEROS EN LAS
BANDEJAS
Por lo planteado en el capiacutetulo 3 se obtuvo que la altura de la zona
empaquetada es de
Z = 538 ft = 2044 mm
233
Para hallar el aacuterea de la seccioacuten transversal en el inciso 42 de
este capiacutetulo se asumioacute un espaciamiento entre bandejas de
e = 740 plg = 188 mm
Por lo tanto se necesitariacutea 5 bandejas perforadas en la disposicioacuten
dada en el disentildeo de forma de la fig 41
Para calcular el nuacutemero de agujeros en la bandeja se recurre a la
ecuacioacuten siguiente
Nh = 4Ahπd2h
Nh = 112 orificios en la bandeja
Espesor de las Bandejas
Se considera un espesor del material para la bandeja de 14 mm
Se considerara la presioacuten que ejerceriacutea el agua asumiendo la
bandeja llena al 100 la carga que ejerce el agua en el volumen
de la bandeja es de 42453 N
Se utilizara el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad
234
Anaacutelisis de Resistencia mediante el Meacutetodo de Elementos
Finitos
ANSYS en INVENTOR 10 analiza concentradores de esfuerzos
mecaacutenicas de fracturas bajo cargas estaacuteticas y dinaacutemicas asiacute
como frecuencias naturales y estabilidad El programa ofrece
distintos materiales a seleccionar para el anaacutelisis con
asunciones sobre su comportamiento Lineal (la tensioacuten es
directamente proporcional a la presioacuten) Constante (la
temperatura de todas las propiedades es independiente)
Homogeacutenea (las propiedades no cambian en todo el volumen de
la pieza) Isotroacutepica (las propiedades de los materiales son
ideacutenticas en todas las direcciones) El factor de seguridad se
calcula utilizando el equivalente maacuteximo de la teoriacutea de falla de
tensioacuten para materiales duacutectiles A continuacioacuten se muestran los
informes de los anaacutelisis practicados a las bandejas perforadas
las figuras indican en su parte superior izquierda la escala
colorida con sus respectivos valores de Tensioacuten Equivalente y
Factores de seguridad mayores a 13 Aceptables [19]
235
TABLA 42 INFORME DE RESULTADOS DEL
ANALISIS DE LA BANDEJA PERFORADA
INFORME DE ANALISIS DE BANDEJA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935 Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 934e-4 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 8688 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
236
FIGURA 44 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 45 DEFORMACION
FIGURA 46 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 2 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
237
Disentildeo del Depoacutesito de Coleccioacuten de la Torre de Enfriamiento
Para determinar las dimensiones del depoacutesito de coleccioacuten de agua
para la torre de enfriamiento se debe conocer el tiempo que demora
el agua en circular a traveacutes del sistema
Se asume que el ciclo demora un minuto y se parte del dato que el
depoacutesito deberiacutea tener una capacidad mayor a la cantidad de agua
que debe fluir por el sistema en un minuto y asi evitar que esta se
quede sin liquido ademaacutes el mismo colector debe soportar el peso de
la torre con sus accesorios
Entonces el problema consiste en seleccionar dimensiones para la
piscina que provean mayor economiacutea y aseguren un buen
funcionamiento Por lo general se establece el aacuterea transversal del
depoacutesito un poco mas grande que el aacuterea transversal de la torre de
enfriamiento que permita el montaje de la tuberiacutea de succioacuten o alguacuten
otro accesorio necesario
Para el disentildeo de la piscina se basara en el coacutedigo ASME para
recipientes a presioacuten seccioacuten Div 1 para tanques rectangulares que
trabajan bajo presioacuten atmosfeacuterica [15]
Notacioacuten
238
α Factor que depende del largo y ancho del tanque HL fig47
E Modulo de elasticidad 30000000 psi para aceros al carbono
G Gravedad especifica del liacutequido Agua=1
I Momento de Inercia plg4
l Maacutexima distancia entre soportes plg
L Largo del tanque plg
R Reaccioacuten con subiacutendices indicando el lugar de aplicacioacuten lbplg
S Esfuerzo del material
t Espesor requerido de la plancha plg
w Carga por unidad de longitud lbplg
FIGURA 47 VALORES DE α
Seleccioacuten del espesor de plancha
239
Ec 45
El espesor se incrementara con el factor de corrosioacuten para este
caso se le aumentara 00645 plg o 163 mm
FIGURA 48 DIMENSIONES DEL DEPOSITO DE COLECCIOacuteN DE
AGUA
L=8 ft
H=2 ft
B=4 ft
Relacioacuten HL = 025
De la figura 47 se obtiene el valor α = 00010
S=23200 lbplg2 para el acero estructural A ndash 36
G=1 para el agua
Sustituyendo valores en la ec 45 se tiene un espesor de
plancha
240
t=000109 plg
A este valor se le suma el factor de corrosioacuten 00626 plg
Por lo tanto
t=0063 plg o t=161mm se utilizara plancha de 2mm de
espesor
Carga en las paredes del depoacutesito
FIGURA 49 CARGAS HIDROSTATICAS
Ec 46
Sustituyendo valores se tiene que
w=162 lbplg
R1=03w Ec 47
R1=03162=486
R2=07w Ec 48
241
R2=07162=1134
442 Momento de Inercia miacutenimo requerido
Ec 49
Sustituyendo valores
Imin=0003 plg4 = 12486 mm4
443 Distancia entre soportes de la piscina
FIGURA 410 DISTANCIA ENTRE SOPORTES
Ec 410
Si el numero de soportes es 4 entonces = 26 plg = 6604mm
Sustituyendo en la ecuacioacuten 410
t=0141 plg
Despejando el valor de la ecuacioacuten 410 se tiene
242
Sustituyendo valores
Por lo tanto
11968 plg 2583 plg = Numero de soportes = N
N=463 es decir se fiacutesicamente se necesitan 5 soportes con un
espaciamiento de 2583 plg
E=656 mm
El disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de agua se encuentra en el
Plano N 3
Se utilizaraacute el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad del colector sometido a
toda la carga de la torre con su peso propio y la carga de agua
contenida en las bandejas
243
TABLA 43 INFORME DE RESULTADOS DEL
COLECTOR DE AGUA
INFORME DE ANALISIS DEL COLECTOR DE AGUA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1976Kg
Volumen de la pieza 2517+007 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 47950
Elementos 26630
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Fuerza 1481 N
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 5455e-005 MPa 2437 MPa
Deformacioacuten 0 mm 0102 mm
Factor de seguridad 15 NA
244
FIGURA 412 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 413 DEFORMACION
FIGURA 414 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 3 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
245
44 Seleccioacuten del Ventilador
Para la seleccionar el ventilador para la torre de enfriamiento es
necesario conocer los siguientes datos
1 Flujo de aire que circulara por la torre en ft3min
2 La presioacuten estaacutetica o presioacuten de resistencia contra la que debe
operar el ventilador expresada en plg de agua
Flujo de aire que circula por la torre Gs = 16056 lbh
Gs=2676 lbmin
Para determinar los pies cuacutebicos por minuto (pcm) de aire que salen
a traveacutes del extractor se divide las libras de aire seco por minuto
para la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
pcm = Gs (lbmin) densidad de la temperatura de operacioacuten Ec411
Para determinar la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
es necesario calcular la temperatura a la que sale el aire de la torre
Para esto conociendo el valor de la humedad absoluta Yrsquo2 lb de
vapor de agua por lb de aire seco con que sale el aire y asumiendo
que el aire se encuentra cercanamente saturado 95 se puede
246
entrar en la carta psicomeacutetrica Apeacutendice H y determinar dicha
temperatura
Yrsquo2= 0024
Con una temperatura de salida de la torre
T=84 0F
Con este valor dado en la figura se encuentra que la relacioacuten de
densidad del aire (RDA) a 84 0F y a nivel del mar es
RDA= densidad del aire en condiciones estaacutendar densidad del aire en condiciones de operacioacuten
Ec 412
RDA=105
De la ec411
105=0077lbft3 densidad del aire que opera a 84 0F
ρ84 F= 0075 lbft3
De la ec 412 se tiene
pcm=354483 ft3min = 116707 m3h
Con respecto a la caiacuteda de presioacuten estaacutetica contra la que debe
operar el ventilador se vio que en torres de este tipo era
ordinariamente menor que una pulgada de agua por lo tanto
tomando en consideracioacuten la resistencia ofrecida al paso del aire por
247
la zona empaquetada y los separadores de gotas se considera
suficiente utilizar el valor de 05 pulH20 o 127 mmH2O valores que
estaacuten dentro del rango de caiacuteda de presiones para este tipo de
ventiladores
Se ha escogido la curva del fabricante de la marca Ventiladores
Casals y sus caracteriacutesticas se indican en el Apeacutendice K
FIGURA 415 DIAGRAMA PARA SELELCCIONAR MODELO DE
VENTILADOR
Ingresando en el diagrama de la fig 415 con los datos planteados se
selecciona el ventilador modelo 56 T4 1 con las siguientes
caracteriacutesticas
Diaacutemetro = 650 mm
m3h = 12700
Peso = 36 Kg
248
RPM max = 1525
Potencia = 075 Kw
Ruido = 73 db
FIGURA 416 VENTILADOR SELECCIONADO
Con el peso del ventilador se disentildearaacute la campana de extraccioacuten de vapor de
agua se asumiraacute un espesor de 14 mm Se utilizara el programa
computacional INVENTOR 10 para analizar su deformacioacuten y el factor de
seguridad de la campana
249
TABLA 44 INFORME DE RESULTADOS DE LA
CAMPANA DE EXTRACCION
INFORME DE ANALISIS DE LA CAMPANA DE
EXTRACCION
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 9348+-5 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
250
FIGURA 417 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 418 DEFORMACION
FIGURA 419 FACTOR DE SEGURIDAD
251
45 Seleccioacuten de Diaacutemetro de la Tuberiacutea
Los criterios a utilizar para el caacutelculo del diaacutemetro de la tuberiacutea
son
1 Si la energiacutea
necesaria para el movimiento del fluido es gratis utilizar el
diaacutemetro miacutenimo que permita el caudal deseado
2 Si el fluido ha de ser
bombeado hay que calcular el tamantildeo que permita tener los
menores costes anuales (caacutelculo del diaacutemetro econoacutemico)
Velocidades tiacutepicas y caiacutedas de presioacuten permisibles que pueden
utilizarse para estimar el diaacutemetro de la tuberiacutea son
Velocidad (ms) ∆P(kPam)
Liacutequidos bombeados (no viscosos) 1 ndash 3 05
Liacutequidos flujo por gravedad - 0005
Gases y vapores 15 ndash 30 002 presioacuten de liacutenea
Flujos a alta presioacuten 30 - 60
TABLA 45 VELOCIDADES Y CAIDAS DE PRESION
PERMISIBLES [4]
Si se considera la densidad del fluido la velocidad oacuteptima es
252
Densidad del fluido
(Kgm3)
Velocidad del fluido
(ms)
1600 24
800 30
160 49
16 94
016 180
0016 340
TABLA 46 DENSIDAD DEL FLUIDO EN FUNCION DE LA
VELOCIDAD [4]
En la seleccioacuten de las tuberiacuteas se tiene que considerar el caudal
maacuteximo no el nominal (aumentar 20 a 50)
De acuerdo a la tablas 45 y 46 se tiene que
Flujo de agua = 15 m3h
Por lo tanto se escoge una velocidad
V = 2475 ms este valor es interpolado de la tabla 43 para
liacutequidos bombeados
Conocido el caudal y la velocidad se puede encontrar el
diaacutemetro
Q = A V Ec413
253
A = π4 D = QV
Donde D diaacutemetro de la tuberiacutea despejando D se tiene
D = 00508 m o tuberiacutea de 2rdquo
46 Seleccioacuten de la Bomba para la Torre de Enfriamiento
Se tiene los siguientes datos para la torre
Q = 15 m3h
Altura de la torre se la torre 12m
Considerando las tablas del Apeacutendice J del manual del
fabricante Golds Pumps se selecciona la siguiente bomba
Modelo 3196
STX 1x 1 frac12 - 6
Capacidad 70 GPM 3 frac12 ldquo 1 frac12 HP
Frecuencia 60 Hz
254
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
51 Diagrama de Gantt para la Ejecucioacuten del Proyecto
Diagrama de Gantt- Para la planificacioacuten de la construccioacuten montaje se contara con la
ayuda del software Microsoft Project
Que se lo muestra a continuacioacuten
255
FIGURA 51 DIAGRAMA DE GANTT
El diagrama de la figura anterior da los pasos que se siguieron describiendo todo el
proceso que se llevo a cabo en el proyecto utilizando oacuteptimamente el recurso humano
existente y el tiempo requerido para realizarlo
Levantamiento de planos del disentildeo de forma del sistema de enfriamiento- Este
procedimiento se hizo para obtener una referencia del espacio disponible y con ello ver
las posibles soluciones a implementar Este proceso no consta en el diagrama de Gantt
ya que lo hizo previo a la licitacioacuten ya que seria acreedora del contrato la empresa
participante que presente su mejor propuesta y cotizacioacuten sin embargo se tomo 5 diacuteas
para realizar este proceso
511 Preparacioacuten de Documentos Planos de Taller y Movilizacioacuten
Elaboracioacuten de planos de taller- Se procederaacute al disentildeo del sistema mas optimo en
este caso torre de enfriamiento certificacioacuten de intercambiador de calor disentildeo de
estructura moacutevil y de su estructura de soporte a ser ejecutado para la alternativa
seleccionada Asimismo se procederaacute al disentildeo eleacutectrico bajo la responsabilidad
ERMARLO SA Los planos seraacuten sometidos a la aprobacioacuten del departamento
encargado por parte de la Armada del Ecuador para iniciar los trabajos de
construccioacuten de acuerdo al cronograma presentado
256
Ninguacuten data sheet mostrado en la oferta podraacute ser utilizado como base para la
construccioacuten del sistema en mencioacuten por parte de la Armada del Ecuador o terceros si
la obra no se adjudica a ERMARLO SA con amparo a la ley de derechos de autor
Movilizacioacuten- Durante el periacuteodo de elaboracioacuten de planos se procederaacute con la
movilizacioacuten de equipos herramientas material a las instalaciones de la Armada
Nacional del Ecuador ubicada en la Base Sur Se utilizaraacuten bantildeos portaacutetiles con
mantenimiento perioacutedico Ademaacutes la logiacutestica del proyecto seraacute reforzada con el
apoyo de las oficinas e instalaciones de ERMARLO SA Ubicadas en la viacutea a Daule
Parque industrial Inmaconsa
512 Fabricacioacuten en el Taller
El disentildeo suministro de los materiales prefabricacioacuten y pre pintura interior y exterior
de las estructuras seraacuten ejecutados por ERMARLO SA En el taller se construiraacute
Rieles de movilizacioacuten para los soportes que llevaran la tuberiacutea de agua destilada
friacutea y caliente con sus respectivos acoples
Construccioacuten de la Torre de Enfriamiento y sus accesorios
Se ha contemplado la supervisioacuten de un teacutecnico de la Armada Nacional en los talleres
de ERMARLO SA asi mismo la supervisioacuten en campo de un teacutecnico durante la etapa
de montaje Para el efecto se ha considerado cubrir con todos los gastos relacionados
con esta visita salvo los honorarios de este teacutecnico los cuales correraacuten por cuenta de
la institucioacuten contratante
1 Materiales- De conformidad con los planos de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas para la construccioacuten de las rieles de deslizamiento y torre de
257
enfriamiento se selecciona el material a utilizar verificando calidad espesores y
dimensiones generales de laacuteminas y tuberiacuteas
Principalmente para laacuteminas de acero se verifican las marcas estampadas en
cada plancha contra los certificados emitidos por el fabricante de estar todo
conforme se libera el material para fabricacioacuten
2- Fabricacioacuten
21-Corte- Se posiciona la laacutemina seleccionada en la mesa de corte
procediendo al trazo y verificacioacuten conforme a medidas de plano de fabricacioacuten
Se transfieren las marcas originales de la laacutemina a cada parte y pieza a ser
cortada para mantener su identificacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten y en la
torre de enfriamiento terminada Se regulan los flujos de gases y velocidad de
avance de la maacutequina de conformidad con el procedimiento especiacutefico de cada
maacutequina y se procede a cortar el material En esta etapa se define dentro del
proceso de corte el tipo de bisel que se deja en el filo de las planchas para el
posterior proceso de soldadura todos los biseles tienen que estar detallados en
los planos de fabricacioacuten Una vez cortadas las piezas se realiza una limpieza
mecaacutenica de los bordes de la laacutemina especialmente los biseles de soldadura se
inspecciona y libera el material para el siguiente proceso
22-Conformado- Dependiendo de la parte de la torre que esteacute en proceso las
bandejas perforadas se las fabricara con este procedimiento Adicionalmente
todas las partes conformadas seraacuten pre-ensambladas en taller para verificar su
correcto dimensionamiento y agilizar el proceso de ensamble final en campo
23-Soldadura- Se realizaraacute soldadura en faacutebrica par elementos como patas
soportes de la cuba colectora de agua tuberiacuteas de carga y descarga conexiones
para instrumentacioacuten de acuerdo con el requerimiento del cliente Todas las
258
soldaduras de faacutebrica deben estar definidas en los planos de fabricacioacuten
indicando el proceso de soldadura y paraacutemetros generales que seraacuten ejecutados
Todas las soldaduras se realizaraacuten con procedimientos y soldadores calificados
de conformidad con coacutedigo ASME uacuteltima edicioacuten Los principales procesos a ser
utilizados son SAW GMAW SMAW
Toda soldadura deberaacute ser inspeccionada y verificada cumpliendo los
requerimientos del coacutedigo ASME y condiciones particulares del Cliente si
existieran
24-Tratamiento de Superficies- Tanto las laacuteminas de cuerpo como tuberiacuteas
soportes plataformas seraacuten preparadas y recubiertas de acuerdo con las
especificaciones del cliente En taller se realizaraacute aplicaraacute la primera capa de
revestimiento y en campo se completara el sistema luego del montaje
y pruebas del tanque El procedimiento a seguir es el siguiente
Se prepararaacute la superficie utilizando chorro de granalla metaacutelica hasta obtener un
acabado SSPC - SP 10 metal casi blanco con un perfil de anclaje de 2 a 3 mils
que garantice la adherencia y resistencia mecaacutenica del sistema de pintura a
aplicar Se dispone con los equipos y condiciones adecuadas para garantizar una
buena limpieza
La pintura seraacute aplicada conforme las recomendaciones y especificaciones de la
hoja teacutecnica del fabricante de pintura Durante el proceso de aplicacioacuten se
controla y registran los paraacutemetros externos y condiciones de aplicacioacuten como
temperatura ambiente temperatura de la pieza humedad relativa punto de
rociacuteo espesor huacutemedo y espesor seco
25 Factibilidad de construccioacuten- Se quiere resaltar las ventajas de la
fabricacioacuten de la torre de enfriamiento en Ecuador ya que ademaacutes del arancel
que tendraacute que pagarse sobre el tanque importado cuando se trata de proyectos
de intereacutes puacuteblico de acuerdo a la Ley la Armada del Ecuador puede requerir la
259
aprobacioacuten de la importacioacuten de bienes de capital El Ministerio encargado
certificaraacute si hay manufactura local o no para los bienes a ser importados El
producto local debe ser similar al importado debe tener la misma funcioacuten precio
competitivo igual calidad y tiempo de entrega Si los productos locales cumplen
con los estaacutendares de los productos importados deben entonces ser comprados
localmente caso contrario el Ministerio no autorizaraacute su importacioacuten
513 Montaje del Sistema de Enfriamiento
El Supervisor de montaje seraacute responsable de la eficiente
coordinacioacuten del Proyecto la Armada del Ecuador seraacute informado
continuamente de todas las acciones a tomar
ERMARLO SA dispondraacute de todos los equipos y herramientas
necesarios para enfrentar adecuadamente los trabajos
incluyendo gruacuteas compresores generadores soldadoras equipo
para prueba hidrostaacutetica etc
El montaje del sistema de enfriamiento obedece a una secuencia establecida en los
procedimientos y normas aplicables para este tipo de trabajos
En resumen las actividades principales que es necesario cumplir son las siguientes
Revisioacuten de la fundacioacuten de las estructuras deslizantes y la torre de enfriamiento
Antes del montaje del sistema de guiacuteas para la estructura
deslizante y para la torre de enfriamiento se verificaraacuten
260
cuidadosamente la topografiacutea e integridad estructural de las
fundaciones Tambieacuten se comprobaraacute que el terreno esteacute
adecuado para los diferentes movimientos de los equipos de
montaje
FIGURA 53 ALINEACION DE PISO DONDE SE ASENTARA LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Montaje de la estructura de soporte del sistema deslizante
Una vez revisada y aprobada las estructuras donde se va a montar el sistema
deslizante la cual llevara las tuberiacuteas de agua destilada a las bateriacuteas por parte de
ERMARLO SA se procederaacute a la instalacioacuten de cada una de las vigas transversales
donde se delizara el sistema de tuberiacuteas
261
FIGURA 52 SISTEMA DE DESLIZAMIENTO
Soldadura en obra
Las vigas del sistema de deslizamiento la torre y sus estructuras seraacuten soldados por
cualquiera de los procesos SMAW y SAW utilizando los equipos adecuados La
soldadura puede ser manual semi-automaacutetica o automaacutetica de conformidad a lo que
establezca del procedimiento de soldadura correspondiente
Se tendraacute una revisioacuten estricta de las condiciones de los biseles eliminacioacuten de escoria
antes de efectuar el siguiente cordoacuten inspecciones visuales de la soldadura
inspecciones radiograacuteficas de acuerdo al Coacutedigo se es necesario
Las laacuteminas del cuerpo en juntas de tope seraacuten alineadas en su posicioacuten antes de
soldar las mismas
514 Preparacioacuten de Superficie y Pintura en Sitio
262
Con el fin de asegurar la culminacioacuten del proyecto dentro del tiempo especificado asiacute
como para minimizar los dantildeos ambientales y proteger los materiales prefabricados
durante su transporte se ha considerado realizar la preparacioacuten y pre pintura de
superficies exterior e interior de las estructuras en taller
Las capas finales de pintura seraacuten aplicadas en el campo de acuerdo a las
especificaciones establecidas propuestas por ERMARLO SA Las aacutereas de pintura que
deban reparase o terminarse en se las repararaacute en obra
515 Prueba Hidrostaacutetica del Sistema de Tuberiacuteas e Intercambiador de Calor
Una vez instalado y pintado la torre de enfriamiento con el intercambiador de calor
sumergido en la piscina recolectora de la torre se procederaacute a realizar la prueba
hidrostaacutetica y la posterior desinfeccioacuten del mismo de acuerdo a lo especificaciones en
las bases de licitacioacuten entregada por la Armada del Ecuador
516 Bombas de agua
Existen dos bombas a ser montadas veacutease la figura 53 La bomba 1 para el sistema
de agua destilada de circulacioacuten por las bateriacuteas y al intercambiador de calor la bomba
2 figura 54 para la recirculacioacuten del agua en la torre de enfriamiento Las
caracteriacutesticas de todas ellas han sido ya establecidas en capiacutetulos anteriores
263
FIGURA 53 BOMBA PARA AGUA DESTILADA QUE ENTRA EN LAS BATERIA
FIGURA 54 BOMBA DE AGUA PARA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Para el montaje se deben respetar las especificaciones dadas ya sea por las normas
respectivas o seguir recomendaciones teacutecnicas En este caso se haraacute lo posible por
cumplir las recomendaciones dadas[12] Para el caso de la tuberiacutea de succioacuten se da la
figura 55
264
FIGURA 55 TUBERIA DE SUCCION [12]
Otra recomendacioacuten dada radica en que se debe evitar para el transporte el uso de
tuberiacuteas de igual diaacutemetro al de ingreso o salida del agua de la bomba deben ser
las inmediatas superiores Esto se cumple con los caacutelculos solo cuando la bomba
estaacute bien dimensionada pero no en el caso de la bomba 2 debido a que esta se
encuentra sobredimensionada Por ello el diaacutemetro de la tuberiacutea de salida es igual
diaacutemetro de la tuberiacutea de transporte de agua en el ingreso caso igual se usa una
tuberiacutea de 2rdquo
516 Instalacioacuten Eleacutectrica
Se ha contemplado el disentildeo instalacioacuten suministro y pruebas de
un sistema eleacutectrico el mismo que tendraacute los controles y mandos
para activar ventilador de la torre activacioacuten de las bombas de
agua control de ventiladores del cuarto de activacioacuten
265
FIGURA 56TABLERO DE CONTROL ELECTRICO
Toda tuberiacutea eleacutectrica se aseguraraacute con abrazaderas o soportes
de acero a la estructura de la torre o a las paredes por donde
crucen los cables
517 Graficas Representativas del Montaje de la Torre de
Enfriamiento
266
FIGURA 57 INTERCAMBIADOR SUMERGIDO EN COLECTOR
DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
FIGURA 58 BANDEJAS PERFORADAS INSTALADAS EN LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
267
FIGURA 59 TORRE DE ENFRIAMIENTO INSTALADA
52 Lista de materiales y equipos requeridos para el montaje
En las siguientes tablas se listan los materiales y equipos requeridos para el montaje
realizado adicionalmente se indica si se empleoacute algo usado o nuevo asiacute como su cantidad
268
EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
Equipoherramienta Tamantildeoespecificacioacuten Condicioacuten
01 Arco para sierra Estaacutendar de 12rdquo En bodega
02 Broca para acero HSS Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
03 Broca para cemento Percusioacuten Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
04 Broca para cemento Percusioacuten Oslash frac12 rdquo x 6rdquo En bodega
06 Cepillo de acero 6 hileras En bodega
07 Destornillador plano 5 mm x 150 mm En bodega
08 Emulsioacuten lubricante Proporcioacuten 120 En bodega
09 Flexoacutemetro 8 m x 25 mm En bodega
10 Guantes de cuero Par manga corta (10rdquo) En bodega
11 Hoja de sierra 12rdquo x frac12rdquo x 132rdquo Comprada
12 Hoja de sierra 24rdquo x 1frac14rdquo x 116rdquo Comprada
13 Llave mixta ⅜rdquo En bodega
14 Llave mixta 916rdquo En bodega
15 Llave mixta 58rdquo En bodega
16 Llave para tubo Largo 12rdquo abre hasta 2rdquo En bodega
17 Llave para tubo Largo 24rdquo abre hasta 3frac12rdquo En bodega
18 Llave para tubo Largo 36rdquo abre hasta 5rdquo En bodega
19 Nivel Aluminio largo 24rdquo En bodega
20 Pie de amigo De 24rdquo de aacutengulo de frac34rdquo Construido
21 Piola de algodoacuten Rollo de 50 gramos Comprado
22 Prensa para tubo De tornillo para Oslash 4rdquo En bodega
23 Sierra alternativa Para aserrar acero En taller
269
24 Taladro de mano Capacidad frac12rdquo asymp 13 mm En bodega
25 Taco Fisher F10 Comprado
26 Tarraja para tubo Manual para Oslash frac12rdquo a 2rdquo En bodega
27 Tefloacuten Rollo 19mmx15mx02mm Comprado
29 EPP Comprado
30 Material de aporte E6011 E6013 etc Comprado
31 Equipo de oxicorte Acetileno oxigeno manom En bodega
32 extintores Polvo quiacutemico seco En taller
33 tecle 2 Ton En bodega
34 Maq De soldar En bodega
TABLA 51 LISTA DE EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
53 RESUMEN DE COSTOS
ITEM MATERIALES Cantidad unid mater peso V Unitario V Venta
Soportariacutea fija y estructura moacutevil
Correa G 125 x 50 x 15 x 3 6 unid 3324 3291 19745
plancha 4 1 unid 9334 9241 9241
aacutengulo laminado 40 x 3 9 unid 1100 1089 9801
aacutengulo laminado 50 x 4 3 unid 2355 2331 6994
Correa G 80 x 50 x 15 x 3 9 unid 2406 2382 21437
malla electro ARMEX R- 131 (515) 52 mc 100 200 10400
perno expansioacuten 58 x 3 24 unid 012 060 1440
270
Pintura 4 galoacuten 100 1500 6000
ruedas para correas 12 unid 100 2500 30000
aacutengulo laminado 25 x 3 6 unid 706 699 4194
Materiales estructura 119252
Mano de obra estructura 71551
Total estructura 190803
Sistema de tuberiacuteas y accesorios
tubo PVC 2 20 unid 100 1400 28000
accesorio T 2 2 unid 030 240 480
tapoacuten 2 4 unid 020 160 640
unioacuten 2 10 unid 020 160 1600
bushing 2 x 14 4 unid 020 160 640
manguera 2 6 m 100 3500 21000
acople para manguera 2 x 2 4 unid 200 1600 6400
abrazaderas 2 8 unid 100 600 4800
manguera 14 300 m 100 250 75000
abrazadera 14 480 unid 100 030 14400
tubo galvanizado 1 14 7 unid 100 3360 23520
codo pvc 2 4 unid 020 160 640
codo galvanizado 1 14 4 Unid 020 180 720
nudo 2 4 unid 030 240 960
acoples para manguera 14 240 unid 100 24000
Materiales sistema distribucioacuten agua
enfriamiento aire 202800
Mano de obra sistema distribucioacuten agua 81120
271
enfriamiento
Total sistema distribucioacuten 283920
Torre de enfriamiento
tubo cuadrado 80 x 3 4 unid 4521 4476 17903
aacutengulo laminado 50 x 3 8 unid 1430 1416 11326
ventilador axial para torre enfriamiento 1 unid 120000 120000
plancha 3 para deposito de agua torre 2 unid 7040 6970 13939
control nivel de agua torre 1 global 1500 1500
plancha galvanizada para bandejas 8 unid 4224 5914 47309
plancha galvanizada para paredes 8 unid 3285 4599 36792
bomba de circulacioacuten 80 gpm ndash 30 psi 1 unid 120000 120000
arrancador para bomba de circulacioacuten y
ventilador 1 global 32000 32000
difusores y encausadores de torre 1 global 35000 35000
tuberiacutea y vaacutelvulas de control de circulacioacuten 1 global 23500 23500
Material torre 459269
Mano de obra torre 156151
Total torre 615420
EQUIPOS SUMINISTRADOS POR ARMADA DEL ECUADOR
Intercambiador de calor de haz tubular 000
Bomba PN 50 ndash 32 ndash 145 para agua des-ionizada 000
NOTA no se encuentra agregado el valor del IVA
272
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
61 Conclusiones
1 El meacutetodo usado por el texto de Procesos de transferencia de calor de Kern y al
comparar con el programa computacional para la seleccioacuten del intercambiador de calor
son similares concluyendo que el programa funciona correctamente y este caso el
intercambiador disponible cumple con los requerimientos para reducir la temperatura
requerida para el sistema
2 El equipo disentildeado cumple con lo establecido en el anaacutelisis del problema y las
restricciones
3 El meacutetodo de construccioacuten utilizado especialmente los procesos de soldadura garantizan
el buen funcionamiento del equipo
4 Se ha adquirido mas conocimientos sobre las torres de enfriamiento y sobre su valor
caracteriacutestico KaVL A mayor valor mayor dificultad para lograr el enfriamiento deseado
Adicionalmente se ratifico los conocimientos adquiridos
273
5 Se ha utilizado varios sistemas computacionales para comprobar los resultados
adquiridos e implementar estos programas en el trabajo diario dentro del departamento de
proyectos de ERMARLO SA
6 Se ha utilizado tablas normas y coacutedigos de seleccioacuten y disentildeo de esta manera logrando
un meacutetodo de seleccioacuten maacutes raacutepida para la ejecucioacuten de un proyecto
7 El control de calidad dentro del proceso de construccioacuten y montaje es muy importante en
la entrega final del trabajo para la satisfaccioacuten del cliente y realzar el nombre de la
empresa constructora
8 Una gran experiencia de trabajo en equipo tanto con el personal encargado de la
construccioacuten como la interaccioacuten con el personal de la Armada del Ecuador
62 Recomendaciones
1 Cuando se desee realizar la evaluacioacuten de un intercambiador de calor o una torre de
enfriamiento se debe seguir un sin nuacutemero de especificaciones para tenerlas a mano
Personalmente me parecioacute muy buena la guiacutea del texto Procesos de Transferencia de
Calor
2 Se requiere implementar un estudio detallado para el manejo de todos los desechos
generados
3 Se tendriacutea que hacer un plan de mantenimiento para los equipos constitutivos del sistema
de enfriamiento
4 Revisar permanentemente las instalaciones eleacutectricas ya que se tiene un ambiente
explosivo por las emanaciones de hidrogeno de las bateriacuteas al estar activaacutendose
274
5 La pintura de la torre de enfriamiento deberiacutea estar en control para evitar corrosioacuten en la
estructura
6 En la construccioacuten y el montaje se recomienda el correcto uso del Equipo de Proteccioacuten
Personal asiacute como los implementos para realizar trabajos en altura trabajos en caliente o
lugares confinados para evitar lesiones por parte de los integrantes del proyecto
7 Tener en consideracioacuten todas las normas de seguridad que tiene la institucioacuten (Armada
del Ecuador) para evitar sanciones al personal que estaacute ejecutando el proyecto
8 Implementar un mejor sistema de ventilacioacuten en el cuarto de activacioacuten de bateriacuteas ya que
este tiene demasiados contaminantes en el ambiente
275
BIBLIOGRAFIA
1 Gonzalez Jorge ldquoAplicacioacuten de la Investigacion de Operaciones al
Diseno Optimo de un Intercambiador de Calorrdquo (Tesis Facultad de
Ingenieria en Mecanica y Ciencias de la Produccion Escuela Superior
Politecnica del Litoral 1970)
2 Kern Donald Procesos de Transferencia de Calor Editorial CECSA
1995
3 Hickstyler Manual de Calculos para las Ingenierias Tercera Edicion
Tomo II McGraw Hill 1998
4 Torres Alberto ldquoDiseno de una Torre de Enfriamiento de Agua para Uso
Industrialrdquo (Tesis Facultad de Ingenieria Mecanica y Ciencias de la
Produccion Escuela Superior Politecnica del Litoral 1973)
5 Andrade Francisco Ing Ventilacioacuten Industrial Diplomado en Manejo
Ambiental ESPOL julio 2001
6 Manual Praacutectico de Ventilacioacuten Catalogo Teacutecnico Salvador Escoda
SA
7 Perry Robert-Green Don PERRY Manual del Ingeniero Quiacutemico
Seacuteptima Edicioacuten Volumen II Mc Graw Hill
8 Load amp Resistance Factor Design Manual of Steel Construction AISC
First Edition
9 Incropera P Frank-De Witt P David Fundamentos de Transferencia de
Calor Cuarta Edicioacuten Prentice Hall
10 Granet Irving Termodinaacutemica Tercera Edicioacuten Editorial Prentice Hall
1998
11 Goulds Pump Manual Sexta Edicioacuten Goulds Pumps Inc 1995
276
12 McNaughton Kenneth Bombas Seleccioacuten Uso y Mantenimiento
Editorial Mc Graw Hill 1992
13 David Linden Thomas B Reddy Handbook of Batteries McGraw Hill
Third Edition 1995
14 Pedro Fernaacutendez Diez Bombas Centrifugas y Volumeacutetricas 2002
15 Eugene F Megyesy Pressure Vessel Handbook Publishing Inc Sexta
edicioacuten
16 Holman J P Transferencia de Calor Octava edicioacuten Prentice Hall
2001
17 Dpto Ingenieria Quiacutemica y Textil Disentildeo de Equipos e Instalaciones
(Facultad de Ciencias Quiacutemicas Universidad de Salamanca)
18 Peters and Timmerhaus Plant Design and Economics For Chemical
Engineers McGraw Hill
19 Introduccioacuten al Programa ANSYS
20 Avallone Eugene A Baumeister III Theodore MARKS Manual del
Ingeniero Mecaacutenico Novena Edicioacuten Tomos I y II Mc Graw Hill
21 httpwwwipacesacerofabricacionasp
22 httpwwwevapcocom
23 httpwwwcasalscom
24 httpwwwamcotcom
25 httpwwwmonografiastrabajos10toentoenzip
277
116
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 11 Partes constitutivas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
Figura 12 Estado de descarga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Figura 13 Estado de carga de un acumuladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
117
Figura 14 Variacioacuten de la capacidad seguacuten reacutegimen de descargahelliphellip 17
Figura 15 Variacioacuten de la capacidad seguacuten la temperaturahelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Variacioacuten de la capacidad seguacuten nuacutemero de cicloshelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Variacioacuten de la vida uacutetil en funcioacuten de la descargahelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Variacioacuten de la capacidad por autodescarga 22
Figura 19 Reaccioacuten exoteacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 21 Trabajos preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 22 Esquema de enfriamiento de bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 23 Sistema de enfriamiento directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Figura 24 Enfriamiento utilizando intercambiador enfriado por aire 43
Figura 25 Sistema de enfriamiento utilizando un chiller 44
Figura 26 Sistema de enfriamiento utilizando torre de enfriamiento e intercambiador de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
Figura 27 Torre de enfriamiento de tiro forzadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
Figura 28 Torre de flujo a contracorriente y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
Figura 29 Torre de flujo cruzado y tiro inducidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
Figura 31 Disposicioacuten de las bateriacuteas en el cuarto de activacioacutenhelliphelliphellip 61
Figura 32 Disposicioacuten de tuberiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
Figura 33 Sistema de desplazamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 34 Bateriacuteas en cuarto de activacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
Figura 35 Sistema moacutevil para llevar el fluido de enfriamiento a las
bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
Figura 36 Disentildeo de forma del sistema de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
Figura 37 Distribucioacuten de temperaturas en un intercambiador de calor de doble tubo en
paralelohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 69
Figura 38 Ventana de inicio del programahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
Figura 39 Ventana de seleccioacuten de tipo de intercambiador a utilizarse y definicioacuten de
fluidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
Figura 310 Datos del material del intercambiadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 80
118
Figura 311 Ventana de ingreso de datos de intercambiador de calorhellip 81
Figura 312 Ventana de resultados en la presioacuten de disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphellip 82
Figura 313 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 83
Figura 314 Ventana de resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 84
Figura 315 Disposiciones del haz de tuboshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
Figura 316 Idealizacioacuten del fenoacutemeno de transferenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
Figura 317 Flujo Especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
Figura 318 Diagrama del sistema para el disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
Figura 319 Relaciones de agua y aire de una torre a contra flujohelliphelliphellip 93
Figura 320 Diagrama de operacioacuten de enfriamiento del aguahelliphelliphelliphelliphellip 101
Figura 41 Disentildeo de Forma de la torre de enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 108
Figura 42 Diagrama de operacioacuten de una bandeja perforadahelliphelliphelliphellip 114
Figura 43 Disposicioacuten de agujeros en las bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
Figura 44 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 45 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 46 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 120
Figura 47 Valores de alfahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
Figura 48 Dimensionamiento del depoacutesito de coleccioacuten de aguahelliphelliphellip 123
Figura 49 Cargas hidrostaacuteticashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 124
Figura 410 Distancia entre soporteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 125
Figura 412 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 413 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 414 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 128
Figura 415 Diagrama para seleccionar modelo de ventiladorhelliphelliphelliphelliphellip 131
Figura 416 Ventilador seleccionadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 132
Figura 417 Tensioacuten equivalentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 418 Deformacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 419 Factor de seguridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
Figura 51 Diagrama de Gantt 138
119
Figura 52 Sistema de deslizamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 171
Figura 53 Alineacioacuten de piso donde se asentaraacute la torrehelliphelliphelliphelliphelliphellip 172
Figura 54 Bomba de agua para torrehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 175
Figura 55 Tuberiacutea de succioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 176
Figura 56 Tablero de control eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 177
Figura 57 Intercambiador sumergido en colector de la torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 58 Bandejas perforadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 178
Figura 59 Torre de enfriamiento instaladahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 179
120
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U -209helliphelliphelliphelliphelliphellip 6
Tabla 12 Paraacutemetros de almacenamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
Tabla 21 Programa de carga eleacutectrica para la activacioacuten de las bateriacuteas de los
submarinoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
Tabla 22 Impurezas maacutes comunes en el agua que afectan los sistemas de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 23 Matriz de decisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
Tabla 24 Clasificacioacuten de las torres de enfriamiento 49
Tabla 25 Matriz de decisioacuten para seleccionar el tipo de torre de
enfriamientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
Tabla 31 Escala de presioacuten y valor U para tipos de intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Tabla 32 Aacuterea transversal de flujo y superficie para intercambiadores de
calorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Tabla 33 Valores de entalpiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 102
Tabla 34 Caracteriacutesticas de humidificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103
Tabla 41 Dimensiones de zona sin perforarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
Tabla 42 Informe de resultados del anaacutelisis de la bandeja perforadahellip 119
Tabla 43 Informe de resultados del colector de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 127
Tabla 44 Informe de resultados de la campana de extraccioacutenhelliphelliphelliphellip 133
Tabla 45 Velocidades y caiacutedas de presioacuten permisibles 135
Tabla 46 Densidad del fluido en funcioacuten de la velocidadhelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
Tabla 51 Lista de equipos y herramientashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
121
IacuteNDICE DE PLANOS
Plano 1 Torre de enfriamiento y sus partes
Plano 2 Bandejas perforadas
Plano 3 Campana de extraccioacuten
Plano 4 Tanque colector
Plano 5 Placa soporte
Plano 6 Dimensiones de estructura de torre de enfriamiento
122
ABREVIATURAS
ordmC Grados centiacutegrados
Mg Magnesio
Si Silicio
m Metros
cm Centiacutemetros
mm Miliacutemetros
kg Kilogramos
t Toneladas meacutetricas
MVA Mega voltamperios
kwh Kilovatio hora
tkwh Kilovatio hora por tonelada
Nm3
Metro cuacutebico normalizado
FeMn Ferromanganeso
MgO Oacutexido de magnesio
m Microacutemetro
NO2 Dioacutexido de nitroacutegeno
3Nmg
Gramos por metro cuacutebico de aire normalizado
ht Toneladas por hora
3mg
Gramos por metro cuacutebico
123
3mmg
Miligramos por metro cuacutebico
3pieg
Gramos por pieacute cuacutebico
min
3pie Pieacute cuacutebico por minuto
gal galoacuten
CFM Pies cuacutebicos por minuto
t
Kg Kilogramos por tonelada
hm3
Metros cuacutebicos por hora
th
m3
Metros cuacutebicos por hora por tonelada
s Densidad del soacutelido
3mg
Microgramos por metro cuacutebico
3mkg
Kilogramo por metro cuacutebico
sm Metros por segundo
OHmmCol 2 Miliacutemetros de columna de agua
atm atmoacutesferas
Pa Pascales
FPM Pies cuacutebicos por minuto
A Aacuterea
V Velocidad
Q Caudal
sm3
Metros cuacutebicos por segundo
124
SP Presioacuten estaacutetica
VP Presioacuten dinaacutemica
kPa Kilopascales
MPa Megapascales
2lgpulb Libras por pulgadas cuadradas
antildeomm Miliacutemetro por antildeo
hmm
2
3
Metros cuacutebicos por metro cuadrado por hora
psi Libras por pulgada cuadrada
diaacutemetro
ppm Partes por milloacuten
M Momento
mpy Mileacutesimas de pulgada por antildeo
Mw Megavatios
T Diferencia de temperaturas
CkgJ
ordm Joules por kilogramo por grado centiacutegrado
k Conductividad
h Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
R Sumatoria de resistencias
f Factor de friccioacuten
St Nuacutemero de stanton
KmW
2 Vatios por metro cuadrado por grados kelvin
125
INTRODUCCIOacuteN
La Armada del Ecuador a cargo de la Direccioacuten de Mantenimiento de la
institucioacuten con el propoacutesito de brindar mantenimiento al escuadroacuten de
submarinos nacionales SS ndash 11 ldquoShyrirdquo y SS ndash 12 ldquoHuancavilcardquo tipo U ndash 209
de fabricacioacuten alemana considera el cambio inmediato de las bateriacuteas de
propulsioacuten instaladas en dichos submarinos por haber cumplido su ciclo de
vida
Las unidades submarinas son de propulsioacuten diesel ndash eleacutectricas las bateriacuteas
son las encargadas de suministrar la energiacutea necesaria para propulsar y
alimentar la red abordo
Las bateriacuteas operan desde el antildeo 1997 tiempo de operacioacuten hasta la fecha
de 11 antildeos que sobrepasan el tiempo de vida uacutetil que es de 10 antildeos lo que
requiere un reemplazo inmediato de las bateriacuteas
Es por eso que las bateriacuteas de propulsioacuten fueron adquiridas a traveacutes de la
Junta de Defensa Nacional a la compantildeiacutea alemana Hawker GMBH una
126
remesa de 960 bateriacuteas estas son del tipo plomo ndash aacutecido las bateriacuteas se
someten a un proceso de carga y descarga cuando estaacuten montadas en el
submarino este proceso genera calor y produccioacuten de hidroacutegeno en el
ambiente
Para controlar la generacioacuten de calor existe en el submarino un sistema de
enfriamiento utilizando agua del mar las bateriacuteas nuevas adquiridas no
vienen activadas de fabrica para evitar problemas de danos y eliminar
riesgos durante el viaje hasta las instalaciones de la Armada Nacional es por
eso que la institucioacuten a dispuesto un lugar estrateacutegico donde se va a
proceder a la construccioacuten del sistema de activacioacuten de las bateriacuteas lo que
conlleva a realizar trabajos preliminares para la puesta en marcha de estos
equipos
Como este proceso tiene que ser realizado en tierra la Armada del Ecuador
convoca a diferentes empresas para licitar en el disentildeo construccioacuten y
montaje de un sistema de enfriamiento de agua que va a ser utilizada en la
activacioacuten de 120 bateriacuteas a la vez
ERMARLO SA empresa en la cual me desenvolviacutea en el departamento de
proyectos fue adjudicada la licitacioacuten y fue asignado el proyecto de disentildeo y
construccioacuten del sistema de enfriamiento el cual es el objetivo de esta tesis
127
Se utilizaran varios programas computacionales como Inventor 10 ESP plus
con el fin de utilizarlos en la praacutectica con mayor destreza para solucionar
problemas
CAPITULO 1
1 GENERALIDADES 11 Descripcioacuten del Sistema de Poder de los Submarinos
A fin de clarificar ciertos aspectos importantes para comprender el sistema de
propulsioacuten de los submarinos se realizaraacute una breve descripcioacuten generalizada de
este tipo de buque
El submarino tipo U ndash 209 es un buque disentildeado exclusivamente para
operar bajo el agua esta afirmacioacuten puede parecer redundante pero
es necesaria para diferenciar los submarinos modernos de los usados
durante la primera y segunda guerras mundiales que era propiamente
128
ldquosumergiblesrdquo es decir los buques con capacidad de permanecer
periodos relativamente cortos bajo la superficie esto explica el disentildeo
de estos con cantildeones en cubierta para la defensa aeacuterea y de
superficie
Hasta la llegada de la propulsioacuten nuclear marina la mayoriacutea de los submarinos del
siglo XX usaron bateriacuteas eleacutectricas para la navegacioacuten subacuaacutetica y motores de
combustioacuten interna para la superficie y recargar las bateriacuteas Los primeros modelos
usaban gasolina como combustible pero pronto se sustituyoacute por parafina y luego
gasoacuteleo gracias a su menor inflamabilidad La combinacioacuten diesel-eleacutectrico se
convertiriacutea en el medio de propulsioacuten estaacutendar Inicialmente el motor diesel o gasolina
y el eleacutectrico separados por embragues estaban en el mismo eje e impulsaban el
propulsor Esto permitiacutea que el primero usase al segundo como generador para
recargar las bateriacuteas e impulsar tambieacuten al submarino si era necesario Cuando el
submarino se sumergiacutea se desembragaba el motor diesel de forma que se usase el
eleacutectrico para girar la heacutelice El motor eleacutectrico puede tener maacutes de un inducido sobre
el eje estando eleacutectricamente acoplados en serie para velocidades bajas y en
paralelo para velocidades altas
129
12 Caracteriacutesticas Principales del Submarino U ndash 209
Desplazamiento
(sumergidos)
1285 Ton
Dimensiones 559 6355 m
Propulsioacuten 4 MTU MD 12V992 Tb 90
diesel de 600 CV un
Siemens eleacutectrico de
5000 CV y 4
generadores eleacutectricos
de 405 Kw
Tipo Submarino diesel
eleacutectrico de ataque SSK
Astillero de origen Howaldtswerke Kiel
Alemania
Desplazamiento 1265 ton (superficie)
1396 ton (inmersioacuten)
Casco Acero naval reforzado
Celdas 480 de 11500 Amp ndash h y
un peso total de 257 ton
Combustible 108 ton
Profundidad
maacutexima
500 metros
Armamento 553 mm torpedos en
tubos (14) misil Sub-
130
Harpoon
Tripulacioacuten 33
TABLA 11 Caracteriacutesticas teacutecnicas del submarino U ndash 209
El submarino posee 4 bateriacuteas de 120 celdas cada una
Cada celda estaacute disentildeada para almacenar cargas con voltajes que no
exceden los 275 voltios de corriente continua Las 120 celdas estaacuten
conectadas en serie esto para cada bateriacutea
FIGURA 11 PARTES CONSTITUTIVAS DEL SUBMARINO U -209
13 Proceso de Carga y Descarga de las Bateriacuteas en el Submarino
131
Para activar las bateriacuteas antes de ser puestas en operacioacuten se
requiere que se cumpla un determinado procedimiento el cual
implica periodos de carga y descarga de acuerdo a un plan
establecido
131 Anaacutelisis del Sistema Operativo de las Bateriacuteas
El suministro de energiacutea eleacutectrica dentro del buque tiene un solo
responsable estas son las celdas del buque
Primeramente entieacutendase por celdas al elemento unitario de
energiacutea eleacutectrica del buque que baacutesicamente es un acumulador de
plomo y aacutecido o pila secundaria que puede recargarse invirtiendo
la reaccioacuten quiacutemica
La celda electroliacutetica que describiremos a continuacioacuten el
acumulador de plomo
Estos acumuladores constan de una serie de placas de plomo
dispuestas una al lado de la otra y separadas entre siacute por medio de
los separadores
Las placas son unas rejillas rectangulares en las que se efectuacutea
una transformacioacuten de energiacutea quiacutemica en eleacutectrica o viceversa
seguacuten se descargue o cargue repetidamente el acumulador
132
Existen dos clases de placas las positivas constituidas a base de
peroacutexido de plomo cuyo color es negruzco y las negativas
constituidas de plomo combinado con materiales inertes que no
intervienen en la transformacioacuten generalmente antimonio Al
peroacutexido de plomo y al plomo que componen las placas se les
denomina materia activa del acumulador
Las placas positivas estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute
mediante una barra o laacutemina metaacutelica denominada puente de
unioacuten Lo mismo ocurre para las placas negativas Sobre ambos
puentes se hallan los bornes del acumulador uno positivo y otro
negativo
El conjunto de placas positivas y negativas alternadas se
encuentran sumergidas en agua acidulada que es una mezcla de
acido sulfuacuterico y agua que hace las veces de electrolito
En las condiciones hasta ahora descritas el acumulador se halla
cargado es decir que si entre sus bornes conectamos un
consumidor por ejemplo una laacutempara por ella circula corriente y
por tanto se encenderaacute ello es debido a que entre sus placas de
peroacutexido de plomo y de plomo existe una diferencia de potencial
capaz de producir corriente eleacutectrica cuando circula esta corriente
a traveacutes de un consumidor el acumulador se estaacute descargando
133
Durante dicha descarga para la corriente desde la placa positiva a
la negativa por el por el receptor o consumidor exterior a la bateriacutea
y por el interior desde la placa negativa a traveacutes del electrolito a la
placa positiva
Al pasar la corriente por el electrolito se descompone la moleacutecula
del aacutecido sulfuacuterico en dos iones (SO4-) y (2H+) con cargas
negativas y positivas respectivamente que reaccionan formando
en la placa positiva peroacutexido de plomo (PbO2) mas agua en el
recipiente Esta agua se genera porque el oxiacutegeno liberado de la
placa positiva del peroacutexido de plomo se combina con el hidroacutegeno
descompuesto del aacutecido sulfuacuterico
De la misma manera se forma sulfato plumboso en la placa
negativa y agua en el recipiente La reaccioacuten de la descarga la
podriacuteamos resumir asiacute
134
A medida que se va descargando la concentracioacuten de aacutecido
sulfuacuterico en el electrolito va disminuyendo lo que origina que sea
menos conductor provocando este fenoacutemeno un aumento de la
resistencia interior en el elemento lo que produce una caiacuteda de
tensioacuten tan grande que deja la bateriacutea fuera del servicio uacutetil
Cuando ha sido atacado todo el peroacutexido de plomo y todo el plomo
cesa la transformacioacuten y con ella la corriente eleacutectrica el
acumulador descargado incapaz de producir maacutes corriente
eleacutectrica
Si estando el acumulador descargado aplicamos en sus bornes
una diferencia de potencial se produciraacute la electroacutelisis del agua
contenida en el recipiente y las transformaciones que habraacuten
tenido lugar durante la descarga se invertiraacuten es decir en las
placas positivas se transformara el sulfato plumboso en peroacutexido
de plomo y aacutecido sulfuacuterico y en las negativas en plomo y aacutecido
sulfuacuterico con lo que el acumulador quedara nuevamente cargado y
con la facultad de poder suministrar de nuevo corriente eleacutectrica
La reaccioacuten de carga se habraacute efectuado asiacute
135
Estos fenoacutemenos quiacutemicos se llevan a cabo en el interior del
acumulador se va intentar representarlos por una serie de figuras
Por ejemplo en la Figura 12 Se tiene una aproximacioacuten a un
esquema de reaccioacuten quiacutemica durante la descarga del acumulador
La laacutempara representa el aparato consumidor que estaacute recibiendo
energiacutea eleacutectrica en este momento En el interior del acumulador
se estaacuten descomponiendo del modo que indican las flechas las
moleacuteculas de cada uno de los componentes de las placas
conjuntamente y en colaboracioacuten con el electrolito y su
composicioacuten quiacutemica
Obseacutervese como en la parte baja de las placas se produce la
presencia del sulfato de plomo (PbSO4) que es el indicio claro de la
descarga (En este esquema se mantiene el sentido electroacutenico de
la corriente es decir el paso del negativo al positivo tal como
ocurre en la realidad aunque se ha aceptado convencionalmente la
inversa)
136
La descarga total del acumulador llegariacutea a producirse cuando
ambas placas se hallaran saturadas de sulfato de plomo y el
electrolito fuera praacutecticamente formado por agua destilada La luz
dejara de brillar en sentildeal evidente de la falta de energiacutea eleacutectrica
FIGURA 12 ESTADO DE DESCARGA DE UN ACUMULADOR
El proceso de carga podemos verlo en la Figura 13 La colocacioacuten
de un generador de corriente continua entre los bornes del
acumulador hace que la corriente circule entre placas y electrolito
Tal como puede verse en la parte alta de las placas la presencia
del sulfato plumboso (PbSO4) es general lo que indica su estado
descarga pero al paso de la corriente eleacutectrica proveniente del
generador activa una reaccioacuten quiacutemica en la que de nuevo acido
sulfuacuterico se recompone Poco a poco la placa negativa recobra su
137
plomo inicial y la positiva su peroacutexido de plomo mientras el
electrolito aumenta su densidad por encima de los valores casi del
agua que teniacutea en el estado totalmente descargado debido a su
enriquecimiento de acido sulfuacuterico [13]
Estas son pues las transformaciones quiacutemicas mediante las
cuales es posible convertir energiacutea eleacutectrica en energiacutea quiacutemica y
viceversa
FIGURA 13 ESTADO DE CARGA DE UN ACUMULADOR [13]
132 Caracteriacutesticas de las Bateriacuteas
138
A pesar de su diversa constitucioacuten todas las bateriacuteas pueden
ser definidas mediante unas caracteriacutesticas comunes que se
consideran seguidamente
Resistencia interna- Formada por la resistencia oacutehmica
de sus componentes (terminales electrodos soportes y
electrolito) y por una resistencia virtual variable en funcioacuten
del estado de carga y de las distintas polarizaciones y
concentraciones Aumenta con las bajas temperaturas
con la descarga de la bateriacutea y con el envejecimiento
Rendimiento- Es la relacioacuten entre la energiacutea
suministrada durante la descarga y la que se necesita
para cargar plenamente la bateriacutea Las peacuterdidas en una
bateriacutea se deben sobre todo a una produccioacuten de energiacutea
caloriacutefica en los procesos quiacutemicos que tienen lugar
durante la carga y descarga
Velocidad de carga y descarga - Las corrientes de
carga y descarga a menudo se especifican con unos
teacuterminos que indican la descarga completa en un periacuteodo
continuo de una hora Estos teacuterminos son los regiacutemenes C
y sus muacuteltiples y submuacuteltiplos son un medio muy coacutemodo
para especificar las velocidades de carga y descarga Por
tanto 10C es la corriente que descarga la bateriacutea en seis
139
minutos mientras que C10 es la corriente que descarga
la bateriacutea en diez horas
Vida uacutetil - La vida uacutetil de una bateriacutea no se mide en antildeos
sino por la cantidad de ciclos de carga - descarga que es
capaz de realizar Asiacute si se la somete a un reacutegimen de
trabajo de muchos ciclos diarios probablemente soacutelo
duraraacute unos meses mientras que si el reacutegimen es de un
ciclo al diacutea o incluso maacutes lento (como ocurre en el caso de
iluminacioacuten de viviendas con energiacutea solar) la bateriacutea
puede durar al menos diez antildeos
133 Capacidad de una Bateriacutea
Es la cantidad de electricidad que puede entregar cuando se
descarga antes de que su tensioacuten disminuya por debajo de un
nivel miacutenimo Su siacutembolo es C y se expresa en A - h Otro
factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una bateriacutea
es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten quiacutemica
que tiene lugar en el acumulador se acelera demasiado y la
vida se acorta Si la temperatura es baja la vida se prolonga
pero si baja demasiado puede correr el riesgo de congelacioacuten
En este caso lo mejor seraacute mantener la bateriacutea en un nivel de
140
carga alto ya que cuanto mayor sea la concentracioacuten del
electrolito el punto de congelacioacuten seraacute maacutes bajo
La capacidad de una bateriacutea variacutea seguacuten el reacutegimen de
descarga aumenta a medida que la descarga es maacutes lenta y
disminuye cuando esta es maacutes raacutepida
Por esta razoacuten el valor de C debe venir referenciado con el
tiempo de descarga
FIGURA 14 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
REGIMEN DE DESCARGA [13]
Un incremento de la temperatura dentro de unos liacutemites
aumenta la actividad de los procesos quiacutemicos y por lo tanto
la capacidad de la bateriacutea Por el contrario a bajas
temperaturas la actividad quiacutemica es menor y la capacidad
disminuye considerablemente
141
FIGURA 15 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN LA
TEMPERATURA [13]
La historia de la bateriacutea afecta tambieacuten a la capacidad Si una
bateriacutea lleva un largo periacuteodo sin ser recargada en toda su
capacidad se produce un efecto memoria que impide que
recupere su capacidad nominal siendo necesarios varios
ciclos de carga y descarga para recuperarla El
envejecimiento de una bateriacutea merma su capacidad y va
disminuyendo a lo largo de su vida en funcioacuten del servicio de
carga - descarga a que sea sometida Para el caacutelculo de la
capacidad nominal necesaria hay que tener en cuenta la vida
uacutetil que se desea para la bateriacutea si se desea una vida uacutetil de
142
3 antildeos y el fabricante indica que al final de este periacuteodo soacutelo
se mantiene el 50 de la capacidad habraacute que utilizar una
bateriacutea de capacidad doble a la estimada necesaria
FIGURA 16 VARIACION DE LA CAPACIDAD SEGUacuteN
NUacuteMERO DE CICLOS [13]
Ademaacutes de los ciclos de carga - descarga tambieacuten hay que
considerar la profundidad de la descarga media que se
produce en cada uno de ellos Si dicha descarga es
moderada y soacutelo de vez en cuando se alcanza una
profundidad elevada el nuacutemero de ciclos que soportaraacute las
bateriacuteas seraacute elevado A medida que se la someta a
descargas maacutes profundas el nuacutemero de ciclos que podraacute
realizar y por tanto su vida uacutetil iraacute disminuyendo En
143
cualquier caso la profundidad de descarga maacutexima admisible
para un acumulador plomo - aacutecido es del 80
FIGURA 17 VARIACION DE LA VIDA UTIL EN FUNCION
DE LA DESCARGA [13]
Con un reacutegimen de descarga diaria del 25 de su capacidad
y un 80 de descarga 2 veces al antildeo (condiciones que
normalmente se dan en una instalacioacuten fotovoltaica) la
bateriacutea solar puede alcanzar una vida uacutetil de maacutes de 11 antildeos
Otro factor que tambieacuten puede influir en la vida uacutetil de una
bateriacutea es la temperatura Si es demasiado alta la reaccioacuten
quiacutemica que tiene lugar en el acumulador se acelera
demasiado y la vida se acorta Si la temperatura es baja la
144
vida se prolonga pero si baja demasiado puede correr el
riesgo de congelacioacuten En este caso lo mejor seraacute mantener
la bateriacutea en un nivel de carga alto ya que cuanto mayor sea
la concentracioacuten del electrolito el punto de congelacioacuten seraacute
maacutes bajo
Las mayores formas de acortar la vida uacutetil de un acumulador
son
someterlos a cargas y descargas violentas y repetidas
descargarlo hasta el agotamiento
trabajar a temperaturas extremas
134 Autodescarga
La autodescarga de una bateriacutea consiste en la peacuterdida de
energiacutea por reaccioacuten entre los materiales que forman los
elementos de la bateriacutea en condiciones de circuito abierto es
decir cuando no hay carga alguna conectada al circuito de la
bateriacutea Depende del tipo de bateriacutea y muy directamente de la
temperatura aumentando con esta Por ello y dado que los
valores estaacutendar suelen venir referidos a una temperatura
145
media (unos 20 oacute 25ordmC) es preciso tener en cuenta que este
factor puede alterarse en algunos casos
FIGURA 18 VARIACION DE LA CAPACIDAD POR
AUTODESCARGA [13]
La autodescarga hay que considerarla como un consumo
adicional que demanda un cierto porcentaje de energiacutea
almacenada Su valor es aproximadamente de un 05 a un
1 diario en bateriacuteas plomo - aacutecido
146
135 Almacenamiento
Los fabricantes suelen dar recomendaciones para el almacenamiento
Mostramos las condiciones recomendadas para aplicaciones solares
en la tabla siguiente
TABLA 12 PARAMETROS DE ALMACENAMIENTO [18]
Las bateriacuteas almacenadas llenas y cargadas requieren un periodo de
recarga antes de su instalacioacuten El fabricante debe proporcionar las
instrucciones acerca de los intervalos y meacutetodos en los que debe
efectuarse
La exposicioacuten a alta temperatura y humedad durante el
almacenamiento puede ocasionar una peacuterdida de capacidad La
temperatura de una bateriacutea guardada en un recipiente expuesto a la
luz directa del sol puede subir a 60 degC o maacutes durante el diacutea
147
136 Principales Meacutetodos de Carga
La vida uacutetil de una bateriacutea y sus prestaciones dependen
directamente de los procesos de carga a los que es sometida
Por esta razoacuten hay que seguir en cada caso las
recomendaciones que da el fabricante
Los principales meacutetodos de carga son
1 Tensioacuten constante
2 Corriente constante
3 Corriente descendente
4 Dos niveles de tensioacuten constante
Tensioacuten constante
El meacutetodo de carga a tensioacuten constante es el maacutes usado para
cargar bateriacuteas de plomo - aacutecido Consiste en aplicar una
tensioacuten constante de 23 24 oacute 25 Velemento limitando la
corriente inicial de carga a 01C oacute 02 C amperios siendo C la
capacidad de la bateriacutea en amperios - hora El tiempo de
carga va de 40 horas a 10 horas y la tensioacuten debe regularse
seguacuten la temperatura ambiente si la temperatura es alta la
tensioacuten de carga debe ser baja y viceversa
148
Algunos fabricantes admiten la utilizacioacuten de este meacutetodo sin
limitacioacuten de corriente pues sus bateriacuteas estaacuten
dimensionadas para fuertes corrientes En este caso si se
inicia el proceso con 23Velemento la corriente inicial
despueacutes de una descarga profunda seraacute de 3C amperios y de
un 05C durante un periacuteodo largo
Corriente constante
El meacutetodo de carga a corriente constante es recomendado
por algunos fabricantes para las bateriacuteas de niacutequel - cadmio
limitando la corriente entre 025C y 005C amperios En el
caso de carga profunda se admiten corrientes de 1C
amperios pero vigilando la tensioacuten de la bateriacutea o la
temperatura
La carga a corriente constante se utiliza como carga de
igualacioacuten en bateriacuteas plomo - aacutecido para corregir diferencias
de capacidad entre las bateriacuteas de un mismo grupo Para
evitar una sobrecarga que destruya la bateriacutea es necesario
terminar cuando la bateriacutea alcance su maacutexima capacidad
149
Corriente descendente
Es el sistema de carga maacutes econoacutemico y es utilizado por
algunos fabricantes para sus bateriacuteas niacutequel - cadmio
Consiste en una carga sin regulacioacuten limitada por una
resistencia serie que en algunos casos es la propia
resistencia del devanado del transformador de alimentacioacuten
A medida que la bateriacutea se va cargando la corriente de carga
va descendiendo gradualmente Es un meacutetodo antiguo y muy
peligroso porque la tensioacuten y corriente de carga dependen de
las fluctuaciones de la corriente de la red con lo que existe
riesgo impliacutecito de sobrecarga
Dos niveles de tensioacuten constante
Es el meacutetodo recomendado para cargar una bateriacutea de plomo
- aacutecido hermeacutetica en un periacuteodo corto de tiempo y mantener la
bateriacutea en plena carga en situacioacuten de flotacioacuten Inicialmente
se carga a un nivel alto de tensioacuten (245Velemento)
limitando la corriente A partir de que esta disminuya por
debajo de un nivel se pasa a tensioacuten constante permanente o
de flotacioacuten Este meacutetodo es el maacutes eficiente pues minimiza el
tiempo de carga y la bateriacutea queda protegida de sobrecargas
150
Despueacutes de una descarga profunda es necesario un tiempo
de carga maacutes largo de lo normal Inicialmente la corriente que
admite la bateriacutea es baja ya que la resistencia interna tiene
un valor elevado y no adquiere su valor normal hasta pasados
unos 30 minutos Por este motivo es necesario inhibir el
control durante este periacuteodo de tiempo pues el cargador
podriacutea suponer que la bateriacutea estaacute cargada y dejarla en
flotacioacuten
137 Control de Carga
Para mantener el rendimiento oacuteptimo de una bateriacutea es esencial que
su carga se controle adecuadamente Al comienzo del ciclo de carga la
corriente deberiacutea limitarse para asegurar que no se produzca
generacioacuten de gases a causa de un voltaje excesivo aplicado al vaso
mientras la capacidad se recupera la corriente de carga debe
limitarse para mantener el voltaje de los vasos en el umbral requerido
para la generacioacuten de gases o ligeramente inferior una vez
recuperada la plena capacidad se deberiacutea aplicar una carga final a
corriente constante por un periacuteodo de tiempo fijo (carga de
igualacioacuten) Aunque estas condiciones no puedan lograrse
praacutecticamente en los sistemas de energiacutea fotovoltaica hay ciertas
151
circunstancias que se necesitan para minimizar el mantenimiento y
mantener la vida de la bateriacutea Los paraacutemetros del regulador tendraacuten
en cuenta los efectos del disentildeo del generador fotovoltaico la carga
la temperatura y los valores liacutemite recomendados para proteger la
bateriacutea Las de plomo-aacutecido o de niacutequel-cadmio tendraacuten el electrolito
suficiente para cubrir el periacuteodo entre por lo menos las visitas de
mantenimiento planificadas [13]
La sobrecarga excesiva no aumenta la energiacutea almacenada en la
bateriacutea En cambio la sobrecarga afecta al intervalo de servicio
debido al consumo de agua destilada en las bateriacuteas aacutecidas como
resultado de la generacioacuten de gases Para minimizar este efecto el
voltaje de regulacioacuten de la carga debe compensarse con los cambios
en la temperatura del electrolito ya que esto afecta directamente al
umbral de voltaje de generacioacuten de gases Contrariamente a esto la
estratificacioacuten puede ocurrir en bateriacuteas de electrolito liacutequido
particularmente en sistemas fotovoltaicos doacutende la insolacioacuten es a
menudo insuficiente para proporcionar generacioacuten de gases durante
el funcionamiento normal La estratificacioacuten se produce cuando capas
menos densas de electrolito se depositan sobre capas maacutes densas
situadas en el fondo de los vasos lo que produce una reduccioacuten de
152
capacidad Esto puede corregirse con la agitacioacuten que se produce
durante el proceso de gasificacioacuten Por consiguiente el proceso de
regulacioacuten de carga debe disentildearse para promover la generacioacuten de
gases a intervalos regulares Esto puede lograrse elevando el voltaje
de control de carga durante un periacuteodo y restablecieacutendolo una vez
que se ha producido la generacioacuten de gases
138 Administracioacuten de la Temperatura en las Bateriacuteas
Limites de temperatura de operacioacuten
Todas las bateriacuteas dependen para su funcionamiento de un proceso electroquiacutemico
ya sea en carga o descarga y sabemos que estas reacciones quiacutemicas son en alguna
manera dependientes de la temperatura La capacidad nominal de una bateriacutea se
especifica usualmente en alguacuten punto dentro del rango de trabajo entre +20ordmC hasta
+30ordmC (+68ordmF ~ +86ordmF) sin embargo la capacidad real puede desviarse
substancialmente del valor nominal si la bateriacutea es forzada a trabajar a mayores o
menores temperaturas (Figura 18) La Ley de Arrhenius dice que la velocidad a la
cual una reaccioacuten quiacutemica se produce incrementa exponencialmente seguacuten la
temperatura aumenta Esto permite que se extraiga mayor potencia de la bateriacutea en
un instante a mayores temperaturas que la de trabajo Al mismo tiempo las mayores
temperaturas aumentan la movilidad de los electrones o iones reduciendo asiacute la
impedancia interna de la celda por consiguiente aumentando su capacidad Sin
embargo en el extremo superior de la escala las altas temperaturas pueden
tambieacuten iniciar reacciones quiacutemicas no deseadas o irreversibles yo peacuterdida de
electrolito lo cual puede causar un dantildeo permanente o falla completa de la bateriacutea
En el extremo inferior de la escala el electrolito se puede congelar fijando un liacutemite
153
para la capacidad a bajas temperaturas Por debajo del punto de congelamiento del
electrolito la capacidad de la bateriacutea comienza a deteriorarse seguacuten la velocidad de
la reaccioacuten quiacutemica se reduce Auacuten cuando una bateriacutea esteacute especificada para
trabajar bajo los -20ordmC oacute -30ordmC la capacidad a 0ordmC y por debajo de este punto de
disminuye considerablemente Debemos tomar en cuenta que el liacutemite inferior de
temperatura de trabajo de una bateriacutea puede depender de su estado de carga Un
sistema real puede por lo tanto necesitar ambos calentamiento y enfriamiento
ambiental forzado para mantenerlo no soacutelo dentro de los rangos liacutemite de trabajo
especificado por el fabricante sino dentro de un rango maacutes limitado para alcanzar
desempentildeo oacuteptimo
FIGURA 18 CAPACIDAD DE CARGA DE BATERIAS PLOMO ndash ACIDO A
DIFERENTES TEMPERATURAS
Efectos teacutermicos externos
154
Efectos teacutermicos externos La condicioacuten teacutermica de la bateriacutea es tambieacuten dependiente
de su ambiente Si su temperatura estaacute sobre la temperatura ambiente perderaacute calor
por efecto de la conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten Si la temperatura ambiente es
mayor la bateriacutea absorberaacute calor de sus alrededores
Cuando la temperatura ambiente es muy alta el sistema de manejo de la
temperatura debe trabajar muy duro para mantener la temperatura bajo control Una
sola celda puede trabajar muy bien a la temperatura ambiente de una sala por siacute
sola pero si es parte de un paquete de bateriacuteas rodeada de celdas similares todas
generando calor auacuten si la carga es la misma para todas podriacutea exceder sus liacutemites
de temperatura
FIGURA 19 REACCION EXOTERMICA
155
CAPITULO 2
2 DESCRIPCIOacuteN DEL PROBLEMA
Las unidades navales de la Armada del Ecuador dentro de los escenarios
en tiempo de paz y conflicto una de sus principales funciones es de
mantener los equipos y sistemas operativos como parte fundamental en
la operatividad como parte de estas funciones la Direccioacuten de
Mantenimiento de la institucioacuten es la encargada de realizar el cambio de
las bateriacuteas del Escuadroacuten de submarinos de que son las encargadas
suministrar energiacutea eleacutectrica a todo el submarino
156
Se adquiere una remesa de 960 bateriacuteas nuevas para eacutel los submarinos
a la empresa alemana Hawker GMBH ya que es necesario se efectuacutee la
remocioacuten de las bateriacuteas por cuanto su tiempo de vida uacutetil fue alcanzado
en el antildeo 2006 estos equipos vienen realizados sus pruebas de control
de calidad pero no vienen eleacutectricamente cargadas por lo que se
requiere realizar la operacioacuten de activacioacuten en tierra antes de ser puestas
en los submarinos
Para esto se requiere construir un sistema que permita la carga de 120
bateriacuteas a la vez Como se analizoacute en el Capitulo 1 existen tres
paraacutemetros que se debe controlar en el momento de carga o activacioacuten
de estos elementos que son
Voltaje
Corriente
Temperatura
El paraacutemetro de voltaje es necesario conocerlo para saber cuando las
celdas necesitan recargarse o cuando una de las celdas esta averiada y
tomar las acciones necesarias para continuar con el procedimiento de
activacioacuten de los elementos
157
El paraacutemetro de la corriente es necesario conocerlo para saber queacute
cantidad de energiacutea eleacutectrica estaacute entregando o recibiendo las celdas y
de esta manera conocer los amperios ndash hora que estaacute recibiendo las
celdas
El paraacutemetro de temperatura es criacutetico y es el paraacutemetro que esta tesis
estaacute encargada de controlar en este proceso de activacioacuten ya que se
desprende hidrogeno y sabiendo que el hidrogeno es un gas inflamable y
que al combinarse con el oxigeno en un determinado porcentaje es
detonante por este motivo se debe tener estricto control en la
temperatura de las celdas y de la concentracioacuten de hidrogeno en el aacuterea
de activacioacuten
El resultado de los efectos termo-eleacutectricos y termo-quiacutemicos posiblemente aumentados por las
condiciones ambientales es generalmente un aumento en la temperatura y como se dijo
anteriormente esto provocaraacute un incremento exponencial en la velocidad a la cual la reaccioacuten
quiacutemica se da Tambieacuten sabemos que si el aumento de temperatura es excesivo muchas cosas
desagradables pueden suceder
Los quiacutemicos activos se expanden causando que la celda se
ldquohincherdquo
Distorsiones mecaacutenicas en los componentes de la celda pueden
provocar corto circuitos o circuitos abiertos
158
Pueden darse reacciones quiacutemicas irreversibles las cuales
causaraacuten una reduccioacuten permanente en los quiacutemicos activos y por
lo tanto en la capacidad de la celda
Operacioacuten prolongada a altas temperaturas puede causar roturas
en partes plaacutesticas de la celda
Se expeleraacuten muchos gases de la celda debido a lo cual aumenta
la presioacuten dentro de esta lo que puede llevar eventualmente a una
ruptura o explosioacuten de la misma
Se podriacutean liberar quiacutemicos toacutexicos o inflamables
21 Requerimientos para el Proceso de Enfriamiento de las
Bateriacuteas de los Submarinos
Las bateriacuteas son colocadas en un cuarto de activacioacuten designado por la Armada del
Ecuador este cuarto debe ser adecuado para colocar 240 bateriacuteas colocadas sobre
plataformas de carga 4 unidades por plataforma en fila cada bateriacutea debe ser enfriada
de acuerdo a los paraacutemetros especificados por el fabricante
159
FIGURA 21 TRABAJOS PRELIMINARES
El enfriamiento de los elementos de la bateriacutea se consigue haciendo pasar el agua
destilada a traveacutes de los polos negativos y positivos que son huecos pasando desde
aquiacute a traveacutes de tuberiacuteas de salida hacia la tuberiacutea principal
Salida de agua
destilada caliente
Ingreso de agua
destilada friacutea
Salida de agua
destilada caliente
160
FIGURA 22 ESQUEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIA POR MEDIO DE AGUA
DESTILADA
22 Condiciones Teacutecnicas para la Activacioacuten de las Bateriacuteas de
Los Submarinos
Por lo que debe cumplirse con los programas de carga y descarga
siendo la temperatura un paraacutemetro a controlar principalmente en
el periodo de carga
Carga 10 h 590 A 5900 A-h
40 h 435 A 17400 A-h
Ingreso de agua
destilada friacutea
161
4 h Pausa
18 h 200 A 3600 A-h
Descarga 16 h 564 A
Carga aprox 31 h Carga Factor carga 125
27 Cargar 2h 200 A1h pausa
Descarga 20 h 564 A
Carga aprox 36 h Cargar IUI
TABLA 21 PROGRAMA DE CARGA ELECTRICA PARA LA ACTIVACION DE LAS
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
23 Alternativas de Solucioacuten
Los procesos de enfriamiento del agua se cuentan entre los maacutes antiguos que haya
desarrollado el hombre Por lo comuacuten el agua se enfriacutea exponiendo la superficie al aire
Algunos de estos procesos son lentos como el enfriamiento del agua en la superficie
de un estanque otros son comparativamente raacutepidos por ejemplo el rociado de agua
hacia el aire todos estos procesos implican la exposicioacuten de la superficie del agua al
aire en diferentes grados
Al enfriar agua es importante tener en cuenta consideraciones que mejoraran al modo
de enfriamiento del agua y que pueden significar un mayor rendimiento en el proceso
industrial Por esta razoacuten los meacutetodos de enfriamiento pueden ser mejorados en base a
estudios preliminares que cumplen con las normas existentes
162
El agua en estado puro no existe y dependiendo de la fuente de donde provenga
contiene un sin nuacutemero de impurezas a continuacioacuten enlistaremos solo las que nos
afectan en el tratamiento interno de los sistemas de enfriamiento
Constituyente Formula Quiacutemica
Dificultad de causa
Dureza Sales de Ca y Mg Fuente principal de incrustaciones en tuberiacuteas
Acidez mineral H2SO4
Libre HCl Corrosioacuten
Dioacutexido de carbono CO2 Corrosioacuten en las liacuteneas de agua
Sulfatos
SO4
Aumenta el contenido de soacutelidos en el agua Se combina con calcio para formar sales incrustantes de sulfato de calcio
Cloruros
Cl como NaCl
Aumento el contenido de soacutelidos e incrementa el caraacutecter corrosivo del agua
Siacutelice
SiO2
Incrustacioacuten en sistemas de agua de enfriamiento
Hierro Fe +2 ferroso
Fe +3 feacuterrico
Fuente de depoacutesitos en las tuberiacuteas
Oxigeno O2 Oxidacioacuten en tuberiacuteas
Sulfuro de hidrogeno H2S Corrosioacuten
Soacutelidos disueltos Elevadas concentraciones de soacutelidos son indeseables debido a que originan formacioacuten de lodos
Soacutelidos suspendidos Originan depoacutesitos en equipos intercambiadores de calor y tuberiacuteas ocasionan formacioacuten de lodos o incrustaciones
Microorganismos Algas limo y hongos
Formacioacuten de adherencia suciedad bioloacutegica corrosioacuten olores desagradables
TABLA 22 IMPUREZAS MAS COMUNES EN EL AGUA QUE AFECTAN LOS
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
De acuerdo a las especificaciones indicadas anteriormente
principalmente se requiere remocioacuten de calor de las bateriacuteas
163
mientras estas se encuentran en el proceso de activacioacuten en tierra
para la cual se plantea algunas alternativas de varios sistemas de
enfriamiento para posteriormente escoger la maacutes oacuteptima
231 Sistema de enfriamiento directo
Las instalaciones donde se van a colocar las bateriacuteas para ser
activadas estaacuten cerca del estero para lo cual se analizaran
ventajas y desventajas de utilizar este sistema
E-1
Agua de mar
Cuarto de
activacion de
baterias
FIGURA 23 ESQUEMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
DIRECTO
Ventajas
Se tiene agua permanente y en gran cantidad tomada desde
el estero
164
No se requiere instalaciones hidraacuteulicas complicadas
Desventajas
El agua que debe ingresar al sistema de enfriamiento de las
bateriacuteas debe ser esteacuteril pero el agua del estero contiene
cantidades apreciables de sales disueltas lo que implica el
que se tendriacutea que pensar en una planta de tratamiento de
agua
El agua caliente que sale como producto de la remocioacuten de
calor retorna al estero se presenta el problema de
contaminacioacuten teacutermica que puede ser tan grave como
cualquier otra forma de contaminacioacuten ya que el agua tibia
estimula el crecimiento anormal de algas que en cierto modo
consume el oxigeno de uso animal
232 Sistema de enfriamiento para Bateriacuteas de Submarino
utilizando Intercambiadores Enfriados por Aire
Consiste en una serie de tubos situados en una corriente de
aire que puede ser forzada con ayuda de un ventilador
Ventajas
Los tubos suelen tener aletas para aumentar el aacuterea de
transferencia de calor
165
Pueden ser de hasta 12 m de largo y 25 a 5 m de ancho
Un intercambiador de aire tiene una diferencia de
temperatura de unos 12 oC
Desventajas
En un intercambiador de calor enfriado por aire hay que
considerar gastos de enfriamiento del agua es
relativamente caro
E-1
Cuarto de activacion de
baterias
E-2
FIGURA 24 ESQUEMA DE SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
UTILIZANDO INTERCAMBIADORES ENFRIADOS POR AIRE
233 Sistema de Enfriamiento de Bateriacuteas de Submarino
Utilizando Chiller
Un Chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea
para el enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor
generado en un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que
el proceso finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su
temperatura y el agua durante el paso por el proceso la eleva
El agua ahora caliente retorna al chiller donde nuevamente se reduce su
temperatura para ser enviada nuevamente al proceso
166
Ventajas
El chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten
Alimentacioacuten al sistema con diferentes caudales y presiones y temperaturas
de agua
Alto rango de enfriamiento inclusive temperaturas de congelacioacuten con
adicioacuten de anticongelantes
Desventajas
Mantenimiento costoso ya que incluye un compresor un condensador
evaporador vaacutelvula de expansioacuten refrigerante y tuberiacuteas
Consumo de energiacutea
CHILLER
ENFRIADOR DE AGUA
DESTILADA
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
FIGURA 25 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE BATERIAS PARA
SUBMARINO UTILIZANDO UN CHILLER
234 Sistema de Enfriamiento Utilizando Intercambiador de
Calor y Torre de Enfriamiento
167
Ventajas
Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para
enfriar un fluido que esta maacutes caliente de lo deseado
transfiriendo este calor a otro fluido que esta frio y
necesita ser calentado
La transferencia de calor se realiza a traveacutes de una
pared metaacutelica o de un tubo que separa ambos fluidos
Las torres para enfriamiento de agua son dispositivos
cuya finalidad es extraer calor del agua a traveacutes del
contacto directo con el aire
Las torres tienen muacuteltiples aplicaciones desde
pequentildeas instalaciones de aire acondicionado hasta en
grandes complejos de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
Se puede decir que su uso estaacute justificado en sistemas
que utilizan agua como medio refrigerante donde sea
necesario disipar grandes cantidades de calor a bajo
costo y el salto de temperatura requerido sea del orden
de 10degC
La Armada del Ecuador proporcionara el banco de
tubos de un Intercambiador de Calor en desuso
Desventajas
Sistema ocupa mayor espacio fiacutesico
168
Tiempo de montaje relativamente largo
Sistemas sujetos a mayor corrosioacuten
Alcanza diferenciales de temperatura bajos en relacioacuten
a los otros sistemas
TANQUE DE
AGUA
DESTILADA
CUARTO DE
ACTIVACION DE LAS
BATERIAS
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
INTERCAMBIADOR
DE CALOR
AGUA DE TORRE CALIENTE (SALE
DEL INTERCAMBIADOR)
AGUA DESTILADA
CALIENTE SALE DE
BANCO DE BATERIAS
AGUA FRIA DE
TORRE ENTRA AL
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA FRIA
SALE DE
INTERCAMBIADOR
AGUA DESTILADA A
TEMPERATURA
ADECUADA (FRIA)
ENTRA A LAS BATERIAS
FIGURA 26 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO UTILIZANDO
INTERCAMBIADOR DE CALOR Y TORRE DE
ENFRIAMIENTO
24 Seleccioacuten de la Mejor Alternativa para el Sistema de
Enfriamiento de las Bateriacuteas
169
Para la seleccioacuten del sistema de enfriamiento para las bateriacuteas
de los submarinos se utilizaraacute una matriz de decisioacuten de
acuerdo a los paraacutemetros descritos anteriormente tomando en
cuenta las ventajas y las desventajas de cada sistema se ha
tomado en cuenta para esta operacioacuten los paraacutemetros maacutes
significativos en el proceso de la solucioacuten del problema
asignando a cada uno un porcentaje de acuerdo a la
importancia que este brinda para escoger la solucioacuten
Para ingresar a la matriz a las alternativas se les reconoceraacute
con sus iniciales
Sistema de enfriamiento directo SED
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador
enfriado por aire
SEIEA
Sistema de enfriamiento utilizando chiller SECh
Sistema de enfriamiento utilizando Intercambiador de
calor y Torre de enfriamiento
SEICTE
170
Paraacutemetros
1 Costos de los sistemas de enfriamiento 3
2 Mantenimiento de equipos 4
3 Cumple con especificaciones y requerimientos de la
propuesta 2
4 Facilidad para adquisicioacuten de equipos 3
5 Durabilidad del sistema 1
1 2 3 4 5 Total
3 4 2 3 1
SED 25 2 0 15 05 65
SEIEA 15 10 10 10 05 50
SECh 05 10 10 10 10 45
SEICTE 15 15 15 15 10 70
TABLA 23 MATRIZ DE DECISION
De acuerdo a la matriz de decisioacuten planteada la solucioacuten maacutes
adecuada es la propuesta del sistema de enfriamiento con
intercambiador de calor y torre de enfriamiento
Existen varias torres de enfriamiento que se podriacutean adaptar al
sistema a continuacioacuten se mencionaran cada una de estas para
seleccionarla de por medio de otra matriz de decisioacuten
171
25 Torres de Enfriamiento y su Clasificacioacuten
251 Torres de circulacioacuten natural
Estas no hacen uso de ventiladores para la circulacioacuten de aire se clasifican en
torres atmosfeacutericas
torres de tiro natural
Torres atmosfeacutericas
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Utilizan las corrientes de aire de la atmoacutesfera (son de flujo cruzado)
2 Son abiertas
3 Deben instalarse en lugares muy despejados de forma que ninguacuten obstaacuteculo
pueda impedir la libre circulacioacuten de aire a traveacutes de la torre
4 Tienen un costo inicial alto debido a su gran tamantildeo pero el costo de
mantenimiento es reducido al no existir partes mecaacutenicas moacuteviles
5 Se debe garantizar que funcionaraacute habitualmente expuesta a vientos de
velocidades iguales o superiores a los 8 kmh
6 Si la velocidad promedio del viento es baja los costos fijos y de bombeo
aumentan mucho en relacioacuten a una torre de tiro mecaacutenico y no compensan el
ahorro del costo de ventilacioacuten Actualmente las torres atmosfeacutericas estaacuten en
desuso
172
Torres de tiro natural
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno
2 La diferencia de densidades entre el aire huacutemedo caliente y el aire atmosfeacuterico
es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a traveacutes de la torre
3 La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el
viento que circula por la parte superior de la chimenea tambieacuten ayuda a
establecer el flujo de aire
4 Son altas y deben tener una seccioacuten transversal grande para facilitar el
movimiento del aire ascendente
5 Tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes
caudales de agua
6 Al igual que las torres atmosfeacutericas no tienen partes mecaacutenicas
7 La velocidad media del aire a traveacutes de la torre suele estar comprendida entre 1
y 2 ms
8 No es posible conseguir un valor de acercamiento pequentildeo y es muy difiacutecil
controlar exactamente la temperatura del agua
9 En las torres de tiro -natural no se pueden utilizar rellenos de gran compacidad
debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo maacutes pequentildea posible
10 Estas torres son muy utilizadas en centrales teacutermicas muy pocas veces son
aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversioacuten inicial necesaria
252 Torres de tiro mecaacutenico
1 Proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado
2 Son torres compactas con una seccioacuten transversal y una altura de bombeo
pequentildeas en comparacioacuten con las torres de tiro natural
3 Valores de acercamiento muy pequentildeos (hasta de 1 a 2 ordmC aunque en la
praacutectica acostumbra a ser de 3 a 4 ordmC)
4 Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire el tiro es forzado
173
5 Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire se habla de tiro
inducido
Torres de tiro forzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 El aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre
2 Son casi siempre de flujo a contracorriente
3 Son maacutes eficientes que las torres de tiro inducido puesto
que la presioacuten dinaacutemica convertida a estaacutetica realiza un
trabajo uacutetil El aire que se mueve es aire friacuteo de mayor
densidad que en el caso de tiro inducido
4 El ventilador trabaja con aire friacuteo y no saturado
5 El equipo mecaacutenico tendraacute una duracioacuten mayor que en el caso de tiro inducido
6 El inconveniente radica en la posibilidad de recirculacioacuten del
aire de salida hacia la zona de baja presioacuten creada por el
ventilador en la entrada de aire En la siguiente figura se
puede observar la distribucioacuten de sus partes constituyentes
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
174
Flujo de aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 27 TORRE DE ENFRIAMIENTO DE TIRO FORZADO
Torres de tiro inducido
Estas torres son de gran importancia a nivel industrial son solucioacuten econoacutemica
a los requerimientos de enfriamiento pueden ser de dos tipos
De flujo a contracorriente
De flujo cruzado
Torres de tiro inducido y flujo a contracorriente
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
1 Tanto el agua como el aire van en la misma direccioacuten pero en
sentidos opuestos
2 El agua maacutes friacutea se pone en contacto con el aire maacutes seco
lograacutendose un maacuteximo rendimiento
3 El aire puede entrar a traveacutes de una o maacutes paredes de la torre
4 Altura de entrada de aire reducida en comparacioacuten con las de tiro
inducido y flujo cruzado Existe el riesgo de arrastre de suciedad y
cuerpos extrantildeos dentro de la torre debido a la velocidad de
entrada de aire
5 La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se
traduce en un aumento de la potencia de ventilacioacuten en
comparacioacuten con otras torres En la siguiente figura se observa la
distribucioacuten de las partes constituyentes de este tipo de torre
175
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Ducto de salida de aire
Ventilador
Separador de gotas
Agua caliente
Relleno
Bandeja colectora de agua friacutea
Agua friacutea
Acceso de aire friacuteo no saturado
FIGURA 28 TORRE DE FLUJO A CONTRACORRIENTE Y TIRO
INDUCIDO
Torres de tiro inducido y flujo cruzado
Sus caracteriacutesticas son las siguientes
176
1 El aire circula en direccioacuten perpendicular respecto al
agua que desciende
2 Tienen una altura menor que las torres de flujo a
contracorriente ya que la altura total de la torre es
praacutecticamente igual a la del relleno Pero su
diaacutemetro o seccioacuten transversal es relativamente
mayor a las de tiro inducido y flujo a contracorriente
3 El mantenimiento de estas torres es menos
complicado que en el caso de las torres a
contracorriente
4 Facilidad de inspeccioacuten de los distintos
componentes internos de la torre
5 La principal desventaja de estas torres es que no
son recomendables para aquellos casos en los que
se requiera un gran salto teacutermico y un valor de
acercamiento pequentildeo puesto que ello significaraacute
maacutes superficie transversal y maacutes potencia de
ventilacioacuten que en el caso de una torre de flujo a
contracorriente
En la siguiente figura se observan sus partes
177
Flujo de aire caliente y huacutemedo
Depoacutesito
surtidor de agua caliente
Aire friacuteo no saturado
Bandeja colectora
Agua friacutea
FIGURA 29 TORRE DE FLUJO CRUZADO Y TIRO INDUCIDO
253 Especificacioacuten del Tipo de Torre de Enfriamiento a Usarse
Para seleccionar el tipo de torre de enfriamiento adecuado empleo una matriz de
decisioacuten en la que en la primera fila pondero al costo inicial costo de operacioacuten
tamantildeo compacto facilidad de mantenimiento y sobre todo al espacio requerido
para el montaje como las caracteriacutesticas requeridas para solucionar el problema
Las alternativas de solucioacuten son las 5 clases de torre de enfriamiento a las que
asigno una jerarquiacutea del 1 al 10 en funcioacuten de las caracteriacutesticas dadas en la
anterior clasificacioacuten de las torres de enfriamiento
De la sumatoria de los valores resultantes de la multiplicacioacuten de ponderacioacuten y
jerarquiacutea de cada tipo de torre se elegiraacute al tipo que posea mayor resultado
178
TABLA 25 MATRIZ DE DECISION PARA SELECCIONAR EL TIPO DE TORRE
Es evidente que la mejor opcioacuten es el tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico
y flujo a contracorriente Esto debido a que comparativamente tiene menor tamantildeo
y aacuterea de montaje requerido aunque no posea los menores costos iniciales y de
operacioacuten tal es el caso del tipo de torre de enfriamiento de tiro mecaacutenico forzado
Esta es relativamente maacutes difiacutecil de limpiar y realizar su montaje razoacuten por la que
se descarta
179
CAPITULO 3
3 ANALISIS TEacuteRMICO
31 Descripcioacuten del Sistema
A partir de la figura 26 implica algunos anaacutelisis para el disentildeo del sistema de enfriamiento y es asiacute
que
Las bateriacuteas como se indico en los requerimientos del sistema van a ser cargadas 120 a la vez esto se
lo va a realizar en el galpoacuten asignado por el personal encargado del proyecto por parte de la Armada
del Ecuador
En este sitio tiene capacidad para almacenar 240 bateriacuteas como se vio en los requerimientos
eleacutectricos las bateriacuteas tienen periodos de tiempo de carga y descarga por lo que se requiere realizar
primeramente un disentildeo de un sistema que permita enfriar primeramente a 120 bateriacuteas por un tiempo
y en el periodo de descarga llevar a cargar las 120 bateriacuteas que se encuentran a continuacioacuten
180
FIGURA 31 DISPOCISION DE LAS BATERIAS EN EL CUARTO DE ACTIVACION
Para ello se disentildeo un sistema moacutevil que consta de parrillas suspendidas en ruedas en esta parrilla se
colocara las tuberiacuteas de circulacioacuten de agua destilada friacutea y saldraacute de las bateriacuteas agua destilada
caliente se indica esta disposicioacuten en el Plano 1 la parte del disentildeo de la estructura moacutevil no seraacute
parte de esta tesis
FI
GURA 32 DISPOSICION DE TUBERIA
FIGURA 33 SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO
181
FIGURA 34 DISPOSICION DE BATERIAS EN CUARTO DE ACTIVACION CON SISTEMA DE
DESPLAZAMIENTO
FIGURA 35 SISTEMA MOVIL PARA LLEVAR FLUIDO DE ENFRIAMIENTO A LAS BATERIAS
CONSTRUIDO
182
Una vez que se ha descrito el sistema el cual va a llevar el agua destilada para el enfriamiento de las
bateriacuteas se tiene que describir el sistema de enfriamiento en si del agua destilada para ello la Armada
del Ecuador doto de un intercambiador de calor que por el interior circulara agua destilada caliente para
que por su exterior circule agua friacutea proveniente de la torre de enfriamiento cerrando de esta manera el
circuito cabe notar que el intercambiador de calor es del tipo tubo coraza pero el intercambiador
adquirido no posee su coraza
Antes de hacer el disentildeo se hizo un anaacutelisis de la factibilidad de construir este sistema en nuestro
medio se consulto en el mercado el costo de una torre de enfriamiento adquirida en una empresa
importadora de estos equipos frente al anaacutelisis de una torre que se pueda construir en ERMARLO SA
resultando maacutes conveniente la construccioacuten de la torre y el acondicionamiento en el sistema de
enfriamiento este anaacutelisis se demostrara en el capiacutetulo de costos
32 Datos de Operacioacuten
A) FLUJO
1) Agua destilada
15 m3h
2) Agua de mar
15 m3h
B) PRESION
1) Agua destilada
25 kgcm2
2) Agua de mar
de la torre
C) TEMPERATURA DE
ENTRADA
183
1) Agua destilada
38 0C
2) Agua de mar
28 0C
D) TEMPERATURA DE
SALIDA
1) Agua destilada
3310C
2) Agua de mar
329 0C
E) DATOS DEL AIRE
1) Temperatura de bulbo seco
322 0C
2) Temperatura de bulbo
huacutemedo 788
33 Consideraciones del
Sistema
El sistema se instalara en un
patio al aire libre
El intercambiador de calor
debe permitir facilidades de limpieza y mantenimiento
El agua a usarse para la
torre seraacute agua potable
184
La velocidad del viento en Guayaquil es variable asiacute que el disentildeo de la torre no debe
depender de la velocidad del viento
El intercambiador de calor
dotado por parte de la Armada del Ecuador del tipo de haz de tubos y coraza este
dispositivo no posee la coraza
Para lo cual el
intercambiador de calor se analizara sumergiendo eacutel en la piscina de la torre de
enfriamiento esta disposicioacuten arrancara calor de los tubos del intercambiador para por el
meacutetodo de conduccioacuten teacutermica pasar calor al agua de la torre y hacerla circular
El agua destilada y el agua
de la torre no deben mezclarse
FIGURA 36 DISENO DE FORMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
185
34 Seleccioacuten del
Intercambiador de Calor
Un intercambiador de calor es un dispositivo que efectuacutea la transferencia de calor de un fluido a otro
que se encuentran a diferentes temperaturas y separados por una frontera solida
En forma muy general se pueden clasificar los intercambiadores de calor de acuerdo al tipo de
superficie
FIGURA 36 INTERCAMBIADOR DE HAZ DE TUBOS
186
En la primera etapa se toman en cuenta consideraciones referidas al tipo de intercambio de calor que
se produce En la segunda etapa se obtienen las propiedades de los fluidos en funcioacuten de las variables
conocidas y se calcula el coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A En la tercera etapa se elige
un intercambiador adecuado para este servicio teniendo en cuenta el coeficiente global U el aacuterea de
intercambio A y las caracteriacutesticas de los fluidos y de las corrientes En la cuarta se vuelve a calcular el
coeficiente global U y el aacuterea de intercambio A Si no coinciden con el intercambiador previamente
elegido se vuelve al paso tres Si coinciden se da por terminado el proceso [2]
341 Meacutetodo F ndash LMTD para Seleccionar el Intercambiador de Calor
El balance de energiacutea da como resultado
[Energiacutea perdida por el flujo caliente]= [Energiacutea ganada por el flujo friacuteo]
O bien
mh ch(Thi ndash Th0) =mc cc(Tci ndash Tc0) Ec1
Donde
m h Flujo maacutesico del fluido caliente
c h Calor especiacutefico del fluido caliente
Thi Temperatura de entrada del fluido caliente
T h0 Temperatura de salida del fluido caliente
m c Flujo maacutesico del fluido friacuteo
c c Calor especiacutefico del fluido friacuteo
T c i Temperatura de entrada del fluido friacuteo
T c0 Temperatura de salida del fluido friacuteo
El producto (mc) aparece con frecuencia en el anaacutelisis de intercambiadores de calor y
es denominado Capacidad caloriacutefica C
C (mc)
Existen dos metodologiacuteas de anaacutelisis teacutermico de intercambiadores de calor
187
1 Meacutetodo F-LMTD
2 Meacutetodo - NTU
A continuacioacuten se presentara el anaacutelisis F-LMTD para la seleccioacuten del intercambiador de
calor
FIGURA 37 DISTRIBUCION DE TEMPERATURAS EN UN INTERCAMBIADOR DE
DOBLE TUBO EN TUBO PARALELO[1]
Se propone calcular el flujo de calor mediante
Ec 2
Donde
q Flujo de calor [W]
U Coeficiente global de transferencia de calor [Wm2K]
A Aacuterea de transferencia de calor consistente con U
Diferencia de temperatura media
188
En la figura 37 se muestra la historia de las temperaturas de los fluidos friacuteos y calientes
de este modo un balance de energiacutea nos da como resultado
Ec 3
Incorporando la capacidad caloriacutefica y arreglando la ecuacioacuten tenemos
= Ec4
Ec5
Restando ambas ecuaciones
Ec6
Sustituyendo la expresioacuten de calor expresada por
Ec7
Se obtiene la siguiente ecuacioacuten diferencial
Ec8
Integrando la ecuacioacuten anterior entre el punto 1 y el 2 se obtiene
Ec9
Si
Ec10
Ec 11
De manera que sustituyendo las ecuaciones anteriores en la ecuacioacuten previamente
integrada S
189
Ec12
Que al despejar de la ecuacioacuten anterior q se tiene
Ec13
De la uacuteltima ecuacioacuten se reconoce
Donde LMTD son las siglas en ingles de Logarithm Mean Temperature Difference
(Diferencia de temperatura logariacutetmica media)
Esta ecuacioacuten se aplica la misma expresioacuten para LMTD tanto en flujo paralelo como en
contra corriente[1]
Asignacioacuten de flujos
Las reglas aplicables para determinar que fluido va por el casco y cual por los tubos son
1- El fluido a mayor presioacuten va en los tubos
2- El fluido maacutes corrosivo va en los tubos
3- Los fluidos maacutes sucios van en los tubos
4- El fluido con menor peacuterdida de presioacuten va en el casco
5- El fluido a condensar en el casco
Diagramas Teacutermicos
Un diagrama teacutermico es la representacioacuten de la temperatura de las corrientes en funcioacuten
del calor transferido o de la longitud Si existe cruce de temperaturas seraacute necesario
utilizar varios intercambiadores en serie
Diferencia de temperatura media corregida
La diferencia media de temperaturas MTD en un intercambiador de calor de tubo coraza
es la diferencia media logariacutetmica de temperaturas multiplicada por un factor F
MTD = F LMTD Ec 14
De la ecuacioacuten 13 tenemos que
190
= Ec15
Siendo T temperatura de fluido caliente t temperatura de fluido frio
1 entrada 2 salida
El factor F se obtiene de las graficas que se daraacuten en el apeacutendice 1 Un valor de F lt 08
no es admisible por disentildeo hay que calcular P y R seguacuten las condiciones
Ec 16
Ec17
SELECCIOacuteN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Se tiene que obtener primeramente el calor removido por el intercambiador de calor para
lo cual se utilizara la ec1
q=mhch∆T Ec 11
Ch=1BTUlb 0F
∆T=88 0F
mh=Qρ Ec 12
donde
Q=15 m3h = 5297 ft
3h
ρ=6199 lbft3 Para 100
oF (ver anexo 1)
Sustituyendo en la ec12
mh=5297 ft3h6199 lbft
3 = 32836103 lbh
por lo tanto sustituyendo valores en la ec 12
q=27182539 BTUh
q=796599 W
191
Con los datos suministrados se seleccionara el intercambiador de calor adecuado
Thi = 1004
T h0 = 9158
m c = 15 h = 6605 GPM
T c i = 824
T c0 = 912
q = 27182539 BTUh
U = 150 BTUpie2
obtenido de la tabla 31
TABLA 31 ESCALA DE PRESION Y VALOR U PARA TIPOS DE
INTERCAMBIADORES DE CALOR[16]
De la Ec 2 obtenemos el aacuterea de transferencia del intercambiador
Ec 18
192
MTD = LMTD F diferencia de temperaturas medias corregidas
LMTD = 918 este valor es obtenido de la Ec 15
Para encontrar el factor de correccioacuten F utilizamos el Apeacutendice C Ingresando los valores
P y R dadas en las ecuaciones 16 y 17 obtenemos
P = 055
R = 117
F = 09
Por lo tanto
MTD = 918 09 = 82
Por la Ec 18 el aacuterea de transferencia de calor es
A = 2209 pie2 = 2052 m
2
Para calcular el nuacutemero de tubos del intercambiador tubo coraza se plantea la siguiente
ecuacioacuten
Ec 19
ardquo es un factor obtenido para el tubo frac34 obtenido del Apeacutendice E y es 0193 piepie2
por
el aacuterea de disponibilidad donde se construiraacute el sistema tiene una longitud de 8 pie
Por lo tanto el nuacutemero de tubos requeridos para el intercambiador de calor es
Nt = 14072 tubos de frac34rdquo
193
TABLA 32 AREA TRANSVERSAL DE FLUJO Y SUPERFICIE PARA
INTERCAMBIADORES DE CALOR [16]
35 Uso de Software para
Seleccioacuten de Intercambiador de Calor
En este punto se pretende realizar un anaacutelisis comparativo de los resultados obtenidos
mediante el meacutetodo analiacutetico frente al uso de un software mediante el cual se
seleccionara el intercambiador de calor requerido para el sistema de enfriamiento que se
trata
El software que se utilizara es el ESP ndash PLUS V 20 HEAT EXCAHANGER este software
daraacute como resultados el tipo de intercambiador de calor que existe comercialmente
FIGURA 38 VENTANA DE INICIO DEL PROGRAMA
194
FIGURA 38 VENTANA DE SELECCIOacuteN DE TIPO DE INTERCAMBIADOR A UTILIZARSE Y LOS
TIPOS DE FLUIDOS
195
FIGURA 39 VENTANA INGRESO DE DATOS TANTO PARA INTERCAMBIADOR COMO PARA EL
FLUIDO CIRCUNDANTE DA COMO RESULTADO LA TAZA DE FLUJO EN GPM
196
FIGURA 310 SE INTRODUCE LOS DATOS DE MATERIALES DEL INTERCAMBIADOR DE
CALOR
197
FIGURA 311 VENTADA EN LA QUE SE INTRODUCE DATOS DE LONGITUD DEL
INTERCAMBIADOR PRESION INTERNA EN LOS TUBOS Y FACTOR DE FRICCION DENTRO DE
LOS TUBOS
198
FIGURA 312 VENTANA RESULTADOS EN LA PRESION DE DISENO MATERIAL DE TAPAS
DEL INTERCAMBIADOR MATERIAL DE LOS TUBOS Y TUBERIA DE INGRESO AL MATERIAL
199
FIGURA 313 VENTANA DE RESULTADOS
200
FIGURA 314 VENTANA DE RESULTADOS
De acuerdo a este software el intercambiador que se va a seleccionar es el WU16 7 ndash 2 4 que es la
denominacioacuten comercial del constructor ITT Bell amp Gosset creador de este software
La denominacioacuten WU 16 7 ndash 2 4 cada letra y nuacutemero tiene su significado teacutecnico que a continuacioacuten se
detalla
WU Serie de intercambiador de calor
16 Diaacutemetro de la coraza del intercambiador en unidades inglesas
7 Longitud de tubo
2 Numero de pasos del intercambiador de calor
201
4 Espaciamiento de bafles
Al realizar el anaacutelisis comparativo con los meacutetodos de seleccioacuten se tiene que por el meacutetodo analiacutetico se
tiene un aacuterea de 221 ft2 frente al software que nos arroja un aacuterea de 274 ft
2 este valor diferencia
notoriamente a que la seleccioacuten del factor U en el meacutetodo analiacutetico se lo selecciono 150 BTUpie2
el
software utiliza y factor de 137 BTUpie2
notando este paraacutemetro relativamente la diferencia de aacuterea
de los dos anaacutelisis serian casi indiferentes con lo que estariacuteamos en capacidad de decidir si el
intercambiador dotado por la Armada Nacional esta dentro de los paraacutemetros requeridos dado que este
consta de 160 tubos en disposicioacuten triangular dando un aacuterea de transferencia de calor de 24707 ft2
certificando de esta manera que el intercambiador que se posee entra en el rango requerido para el
sistema por lo tanto se lo utilizara para el proceso requerido de enfriamiento del fluido caliente extraiacutedo
del banco de bateriacuteas que estaacuten en el proceso de activacioacuten
FIGURA 315 DISPOSICIONES DEL HAZ DE TUBOS [9]
Los resultados obtenidos del software se presentaran en el Anexo 3
36 Disentildeo de la Torre de
Enfriamiento
El proceso de termotransferencia que se produce en una torre para
enfriamiento de agua cualquiera fuese su tipo es el resultado de la
202
interaccioacuten entre el medio gaseoso refrigerante (aire) y el fluido a
enfriar (agua)
En las torres el agua se encuentra en contacto directo con el aire que
la enfriacutea y el proceso de transferencia de calor se realiza en parte por
intercambio de calor sensible entre la fase liacutequida y la gaseosa pero
en mayor medida por la formacioacuten de vapor de agua en la interfase
liacutequidogas y su posterior difusioacuten en el aire que la circunda
El proceso de transferencia de masa entre el liacutequido y el aire estaacute
iacutentimamente conectado con el de transferencia de calor En efecto
con el cambio de fase desde liacutequido a vapor se absorbe calor lo cual
da lugar a gradientes de temperatura en el aire adyacente a la
superficie liacutequida En muchos casos praacutecticos las condiciones en
que se desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse
que la difusividad teacutermica y el coeficiente de difusioacuten maacutesico son
iguales
203
FIGURA 316 IDEALIZACION DEL FENOMENO DE
TRANSFERENCIA [10]
361 Fundamento del Enfriamiento por Evaporacioacuten
El principio fundamental en que se basa el enfriamiento del
agua por evaporacioacuten es en el que el agua para transformarse
en vapor necesita calor (calor latente de vaporizacioacuten) cuyo
valor el alrededor de 1000 BTU lb de agua evaporada valor
que pone en manifiesto que pequentildeas cantidades de agua
evaporada producen altos efectos de enfriamiento
Este calor es tomado principalmente del liacutequido remanente lo
que produce un descenso de su temperatura
La evaporacioacuten se produce poniendo en contacto directo agua
caliente con aire atmosfeacuterico ambiente de humedad relativa
204
baja en dispositivos especiales que variacutean en complejidad
desde piscinas o lagunas abiertas hasta las torres de
enfriamiento de tiro mecaacutenico
Cuando se requiere enfriar raacutepidamente y continuamente
grandes cantidades de agua las torres de enfriamiento son las
teacutecnicas maacutes ventajosas y su funcioacuten principal es la de reducir
la temperatura del agua circulante a los valores maacutes
adecuados seguacuten el tipo de operacioacuten que tenga
Baacutesicamente el funcionamiento de una torre de enfriamiento
convencional es el siguiente
El agua caliente llega por tuberiacuteas a un distribuidor situado en la
parte superior de la unidad a una temperatura Tho luego es
distribuida en forma de pequentildeas gotas a traveacutes de una
instalacioacuten compleja de material de relleno de diferentes tipos y
calidades variando desde madera incorruptible materiales de
fribrocemento PVC ceraacutemica etc los cuales son ubicados en
forma de mallas o enrejados que dispersan la corriente
descendente del liquido y de esta forma obtener una aacuterea
maacutexima de transferencia con el aire atmosfeacuterico el cual entra
por parte inferior de la torre con una temperatura Tci de bulbo
205
seco y una humedad absoluta Yrsquo1 expresada en lb de vapor de
agua lb de aire seco
362 Caacutelculos
Datos para realizar el caacutelculo de la torre de enfriamiento
Flujo a ser enfriado L
66 GPM
Calor removido por el
intercambiador q 27182539 BTUh
Temperatura que
sale del intercambiador de calor para entrar en la torre tL2
9120 0F
Temperatura del
agua requerida luego del enfriamiento en la torre de
enfriamiento tL1 8240 0F
Temperatura de
bulbo huacutemedo tbh 7880 0F
Temperatura de
bulbo seco del aire que entra tG1 7900 0F
Temperatura del
agua de la tuberiacutea de alimentacioacuten a la torre de enfriamiento
tm 8500 0F
206
Con los datos suministrados se desea obtener los siguientes valores
a Valor teoacuterico del coeficiente total de transferencia de masa Kya
b Calculo de la seccioacuten transversal de la torre A
c Calculo del flujo de aire que circula por la torre Gs
d Calculo de la zona empaquetada Z
e Calculo de agua de compensacioacuten M
Para realizar el disentildeo de la torre de enfriamiento se debe seguir
ciertos pasos que daraacuten la pauta para disentildear una torre de
enfriamiento para cualquier necesidad o requerimiento
1 Capacidad de la
Torre de Enfriamiento
q=27182539 BTUh
Este es el calor que remueve el intercambiador de calor y que
es transmitido al agua de la torre
La capacidad de la torre se mide en Toneladas de
Refrigeracioacuten TR que es una unidad de potencia
207
Es asiacute que se tiene las siguientes relaciones para poder saber
en teacuterminos de TR la capacidad de disentildeo para la torre de
enfriamiento
1TR=3517 W = 3024 Kcalh = 3024 Frigh Ec 20
De donde
27182539 BTUh 1 TR12000 BTUh = capacidad de la torre
Capacidad de la torre = 2262 TR
Flujo especifico Lrsquo
L es flujo de agua y Lrsquo es el flujo especifico de agua que se en
encuentra en la figura 318 este valor se encuentra en
funcioacuten del rango de enfriamiento del agua (Tho ndash Thi) y la
temperatura de bulbo huacutemedo Tbh
FIGURA 317 FLUJO ESPECIFICO Lrsquo [7]
208
El valor de flujo especifico de agua que nos da la figura 317
es Lrsquo=20 galmin ft2
L= 66 GPM
Datos para las condiciones de disentildeo de la torre de
enfriamiento
E-1
TORRE DE
ENFRIAMIENTO
AIREAGUA
q=27182539 BTUh
L=33000 lbh
tL2=9120 FHrsquo2=
Yrsquo2=
tL1=8240 F
Gs=
tG1=79 F
Tw1=788 F
Yrsquo1=002
Hrsquo1=
tM=85 F
M(lbh)
FIGURA 318 DIAGRAMA DEL SISTEMA PARA EL
DISENtildeO
209
Anaacutelisis de la curva de equilibrio
La teoriacutea del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento es la
que desarrolloacute el Dr Merkel Se basa en la diferencia del potencial de entalpiacutea
entonces se supone que cada partiacutecula de agua estaacute rodeada por una peliacutecula de
aire y que la diferencia de entalpiacutea entre la misma y el aire circundante
proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento
A continuacioacuten se ilustran las relaciones del agua aire y el potencial impulsor que
existe en una torre de contra flujo
FIGURA 319 RELACIONES DE AGUA Y AIRE DE UNA TORRE A
CONTRA FLUJO [25]
De la figura anterior la operacioacuten del agua estaacute representada por la liacutenea AB y se
especifica por medio de las temperaturas del agua de la torre en la entrada y
salida La liacutenea de operacioacuten del aire inicia en C verticalmente por debajo de B y
en un punto que tiene una entalpiacutea correspondiente a la temperatura de entrada
de bulbo huacutemedo La liacutenea BC representa la fuerza impulsora inicial (hrsquo- h) El
aire que sale de la torre se representa por medio del punto D y la gama de
210
enfriamiento es la longitud proyectada de la liacutenea CD sobre la escala de
temperaturas
Resumiendo la teoriacutea del Dr Merkel como se observa en la figura 319
considera el flujo de masa y energiacutea del agua a la interfase y de la interfase a la
masa gaseosa Cuando el flujo cruza estas dos fronteras cada una ofrece una
resistencia a la transferencia de materia y energiacutea que resulta en gradientes de
temperatura entalpiacutea y de humedades
El Dr Merkel demostroacute que
Q = KS(hw - ha) Ec21
S = aV Ec22
Donde
Q Calor total transferido en Btuh oacute kJh
K Coeficiente total de transferencia en lbh pie2 oacute kgh m
2
S Aacuterea de transferencia en pie2 oacute m
2 caracteriacutestica fiacutesica
a Aacuterea de transferencia equivalente por unidad de volumen 1pie oacute 1m
V Volumen efectivo de la torre pie3 oacute m
3
hw Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura del agua Btulb oacute kJkg
ha Entalpiacutea de mezcla gaseosa a la temperatura de bulbo huacutemedo Btulb oacute kJkg
Existen paraacutemetros citados en la Ec21 que no son constantes tanto entalpiacuteas
como temperaturas cambian a lo largo de la torre luego derivaacutendola
dQ = d[KS(hw-ha)] = K(hw-ha)dS Ec23
Para la transferencia de calor del lado del agua
Q = CwL(thw ndash tcw) Ec24
dQ = CwLdtw Ec25
211
donde
Cw Calor especiacutefico del agua kJ(kg ordmK) BTUlb F
L Flujo maacutesico del agua que ingresa a la torre kgs lbh
tw Temperatura del agua en contacto con el relleno ordmK 0F
thw Temperatura del agua caliente que ingresa a la torre ordmK 0F
tcw Temperatura del agua friacutea que sale de la torre ordmK 0F
Para la transferencia de calor del lado del aire
Q = G(hoa ndash hia) Ec26
dQ = Gdha Ec27
Donde
G Flujo maacutesico del aire que ingresa a la torre lbh oacute kgs
hia Entalpiacutea de mezcla gaseosa que ingresa a la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
hoa Entalpiacutea de mezcla gaseosa que sale de la torre a la temperatura de bulbo
huacutemedo kJkg BTUlb
Haciendo uso de las ecuaciones 23 25 y 27 se puede obtener el calor total por
medio de las siguientes ecuaciones
K(hw-ha)dS = CwLdtw Ec28
K(hw-ha)dS = Gdha Ec29
Que se puede rescribir de la siguiente manera
aw
a
hh
dhGdSK
Ec30
aw
ww
hh
dtC
L
dSK
Ec31
Integrando las Ecuaciones 30 y 31 se tiene
hoa
hia aw hh
dh
L
G
L
KaV
L
KS Ec32
212
thw
tcw aw
ww
hh
dtC
L
KaV
L
KS Ec33
ldquoAl teacutermino KaVL se lo denomina la caracteriacutestica de la torrerdquo
La curva caracteriacutestica es utilizada para determinar el buen funcionamiento de la
torre KaVL es una medida del grado de dificultad para los requerimientos de
enfriamiento del liquido Esta curva tambieacuten puede llamarse ldquoCurva de
Requerimientos de Disentildeordquo puesto que es una medida del grado de dificultad para
alcanzar los requerimientos de disentildeo
2 Calculo de la
humedad absoluta Yrsquo1y entalpia del aire entrando Hrsquo1
para la temperatura tbh
De la carta psicomeacutetrica que se encuentra en el Apeacutendice H
se puede construir la siguiente tabla mostrada en la tabla 33
esta tabla nos indica valores de entalpias y humedades para
mezclas de aire ndash agua a 147 lbplg2
Interpolando se obtiene valores para
Yrsquo1=0022 lb de vapor de agualb de aire seco
De las relaciones psicomeacutetricas para el sistema aire ndash agua
se obtiene que
Hrsquo1= (024+045Yrsquo1)(tG1 - 32) + 10758 Yrsquo1 Ec 34
213
Hrsquo1= 249 BTUlb de aire seco
Con los datos de las temperaturas entalpias encontradas se
puede construir el diagrama de operacioacuten para esta torre de
enfriamiento representada en la figura 320 con los valores
de entalpia de la mezcla aire ndash vapor de agua como
ordenadas y los valores de temperatura como abscisas aquiacute
se representa la curva de entalpia para el aire saturado dado
en la carta psicomeacutetrica H la cual es construida con los datos
de la tabla ubicada en el Apeacutendice H
Para obtener la liacutenea de operacioacuten sobre este diagrama se
ubica el punto N que representa las condiciones de entrada
de la torre esto es tL1=8240 0F y Hrsquo1= 249 BTUlb de aire
seco
La liacutenea de operacioacuten pasara por el punto N y terminara en
alguacuten punto sobre la ordenada trazada por el punto
tL2 = 91200F Para el miacutenimo valor de Gs la liacutenea de
operacioacuten tendraacute la mayor pendiente y tocara
tangencialmente a la curva de equilibrio por lo tanto pasara a
traveacutes del punto Orsquo en donde Hrsquo2= 52 BTU por lb de aire seco
214
Seguacuten lo anterior la pendiente de la liacutenea OrsquoN seraacute por lo
tanto
L CGs min = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1 Ec35
=
Gs min = 1071586 lb de aire seco h
Para que la torre no sea muy alta se considera 15 veces Gs
min
Gs real = 15 1071586 lb de aire seco h
Gs real = 1607380 lb de aire seco h
Una vez determinado el valor Gs real se puede hallar el valor
de la relacioacuten de flujos liacutequido ndash aire
L Gs real = 33000 lbh 1607380 lbh
L Gs real = 205
Como ya se tiene el valor de la pendiente de la liacutenea de
operacioacuten LG que se va a utilizar para el disentildeo faltariacutea
determinar el valor de la ordenada del punto de interseccioacuten
entre la liacutenea de operacioacuten y la vertical trazada por el punto
tL2=912 0F
215
Calculo de la entalpia del aire que sale Hrsquo2
De la ec22 tenemos que
L CGs real = Hrsquo2 ndash Hrsquo1 t L2 ndash t L1
Despejando el valor Hrsquo2 se tiene
Hrsquo2 = (L CGs real (t L2 ndash t L1)) + Hrsquo1
Hrsquo2 = 4294 BTUlb de aire seco
Con los valores obtenidos se puede representar el punto O y
finalmente la liacutenea de operacioacuten seraacute la liacutenea ON
representada en la figura 320
216
FIGURA 320 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE
ENFRIAMIENTO DEL AGUA
3 Calculo de la altura de la
zona empaquetada Z
Utilizando el teacutermino KaVL que nos representa la ldquoCurva de Requerimientos de
Disentildeordquo dado en al ec 33 se procede a calcular la altura de la zona empaquetada
=
Para determinar el valor del integral de la ecuacioacuten propuesta
el cual puede ser calculado por tres formas
a Analiacuteticamente si se conoce la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo
b Integracioacuten grafica
c Integracioacuten numeacuterica
Como se tiene la relacioacuten f(t) = H ndash Hrsquo dado en la figura 320 se
usara el meacutetodo de integracioacuten numeacuterica a intervalos de 2 0F
t H Hrsquo H ndash Hrsquo (H ndash Hrsquo)2 At(H ndashHrsquo)2
80 251 185 66
82 272 2217 503 58 034
84 323 2703 527 515 038
217
86 375 3109 641 584 034
88 415 3480 67 655 030
90 487 4120 75 710 028
92 542 4480 94 845 023
= 187
TABLA 33 VALORES DE ENTALPIA
= 187
El valor de kya se obtiene de la tabla 34 interpolando entre
los valores de L 500 ndash 1000 y G 250 por lo tanto tenemos un
Kya=347
Lrsquo=2GPM =`1000 lb de aguah ft2
Por lo tanto el valor de Z es
Z = 538 ft = 163 m
218
TABLA 34 CARACTERISTICAS DE HUMIDIFICACION [4]
4 Calculo de la
Cantidad de Agua de Compensacioacuten M
Realizando un balance de entalpias de acuerdo a la figura
318 se tiene
q + M Cw (tM ndash t0) = Gs (Hrsquo2 ndash Hrsquo1) Ec336
donde
q = 27182539 BTUh
Cw = 1 BTUlb 0F
tM = 85 0F
t0 = 32 0F
Hrsquo2 = 4294 BTU lb de aire seco
219
Hrsquo1 = 2490 BTUlb de aire seco
Reemplazando valores se tiene
27182539 + M (53) = Gs (1804)
De donde
M = Gs(1804) - 27182539 53 Ec 336-1
Haciendo un balance de liquido de acuerdo a la figura 318 se
tiene
M = Gs(Yrsquo2 ndash Yrsquo1) Ec337
Yrsquo2 no es conocido para determinarlo es necesario asumir
que el aire que sale de la torre estaacute saturado y su humedad
Yrsquo2 deberaacute ser la del aire saturado para Hrsquo2 = 4294 BTU lb
de aire seco
Entrando a la curva psicomeacutetrica dada en el Apeacutendice H se
tiene que
Yrsquo2 = 0024 lb de vapor de agualb de aire seco
M = Gs(0024 ndash 002) = 0004 Gs
Sustituyendo la ec 337 en la ec 336 ndash 1 se tiene que
0004 Gs 53 = Gs(1804) - 27182539
1804 Gs ndash 0004 Gs = 27182539
Gs = 1507126 lb de aireh
Reemplazando en la ec 337 el valor Gs
220
M = 6028 lb de aguah = 274 lth
CAPITULO 4
4 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN DE ELEMENTOS
CONSTITUTIVOS DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
41 Partes Componentes de las Torres de Enfriamiento
Ya se ha definido que el mejor disentildeo para el sistema de enfriamiento
requerido de acuerdo a los paraacutemetros de evaluacioacuten es una Torre de
Enfriamiento de Tiro Inducido Flujo en Contracorriente
Este tipo de elementos ademaacutes del cuerpo vertical consta de los
siguientes elementos
Empaquetaduras sistemas de distribucioacuten deposito de coleccioacuten
eliminadores de arrastre ventilador motor y estructura
221
Empaquetaduras
Su funcioacuten es generar una mayor aacuterea de contacto entre el aire y el
agua como sea posible con una miacutenima presioacuten de aire
Existe variedad de empaquetaduras que van desde soacutelidos muy
faacuteciles de adquirir como piedras botellas rotas trozos de porcelana
hasta formas geomeacutetricas complejas y de alto costo econoacutemico
Sistemas de Distribucioacuten
Tiene como funcioacuten principal distribuir el agua caliente en la parte alta
de la torre se recomienda atomizarla para facilitar el contacto con el
aire
La importancia de adecuado sistema de distribucioacuten sobre las
empaquetaduras de una torre es indispensable para una buena
eficiencia en el enfriamiento
Depoacutesito de Coleccioacuten
Se trata de un recipiente donde es colectada el agua friacutea que sale de
la torre
Su construccioacuten deberaacute ser tal que elimine el peligro de que la bomba
absorba aire cuando opera con un miacutenimo de agua y accesible para
remover la suciedad acumulada en el fondo
222
Estructura
Es el soporte de la torre de enfriamiento
Su forma y solidez dependen de las caracteriacutesticas de disentildeo de la
torre que tiene que ser con normas especificas que dependen de su
capacidad de enfriamiento
Ventilador
Tiene como objetivo mantener el flujo constante de aire atreves de la
torre Para la torre seleccionada este aditamento se encontrara en la
parte superior
Motor
Es el que impulsara el ventilador La transmisioacuten se efectuara en
forma directa
Los elementos anteriores forman parte de la construccioacuten interna de la
torre de enfriamiento
Sin embargo existen otros componentes externos a la torre que juntos
constituyen el sistema de enfriamiento deseado Estos son
Bomba de Agua
223
Es el equipo que adicionara energiacutea al agua para hacerla re circular a
traveacutes de todo el sistema
Su capacidad dependeraacute del sistema de operacioacuten en el que va a
utilizar
Tuberiacuteas y Vaacutelvulas
Son los conductos ndash reguladores por los cuales fluiraacute el agua
El material de la tuberiacutea y los tipos especiacuteficos de vaacutelvulas estaraacuten
sujetos al aspecto teacutecnico econoacutemico y esteacutetico del sistema en
cuestioacuten
224
FIGURA 41 DISENO DE FORMA DE LA TORRE DE
ENFRIAMIENTO
42 Determinacioacuten de la Seccioacuten Transversal de la Torre de
Enfriamiento
Datos
Densidad del agua ρL 6222 lbft3 = 1010 Kgm3
Densidad del aire ρa 0077 lbft3 = 125 Kgm3
Relacioacuten de flujos LG 205
Flujo de aire Greal 446 lbs = 2027 Kgs
Tensioacuten superficial del agua σ 2 dinacm
Factor liquido - vapor FLV
Caacutelculos
Una aproximacioacuten para estimar las velocidades maacuteximas permisibles
ha sido presentada por Fair la cual se basa en datos obtenidos con
platos perforados y otros tipos de contactores de etapas finitas y toma
en cuenta el efecto de la tensioacuten superficial del liquido en la columna
la razoacuten de flujo de liquido a flujo de gas las densidades del aire y el
liquido y dimensiones y arreglo del contactor En este meacutetodo la
225
ecuacioacuten baacutesica para velocidad del vapor maacutexima permisible
equivalente a la Ec (41) es
Ec 41
donde
Vrsquom = velocidad de vapor maacutexima permisible basada en aacuterea neta
para el flujo de vapor la cual usualmente es el aacuterea de seccioacuten
transversal activa en fts
Krsquov = constante empiacuterica fts
σ = tensioacuten superficial del liquido en la torre dinascm
Krsquov
226
FIGURA 41 VALORES DE Kv EN FUNCION DEL
ESPACIADO
] Ec42
Sustituyendo valores en la ec 42 se tiene que
FLV = 0090
Se asume un espaciado entre platos de 740 plg = 188 mm
A partir de la fig 41 Kv = 017 fts
De la ec 41
Vrsquom = 3047 fts
Velocidad maacutesica del vapor Gm
Gm = Vrsquom ρa = (3047)(0077) = 023 lbs pie2 Ec43
227
Aacuterea de seccioacuten transversal de la torre A
A = Greal Gm Ec 44
Sustituyendo valores en la ec 44 se tiene que el aacuterea de la seccioacuten
transversal de la torre de enfriamiento es
A = 192 ft2
A = 8ft 24ft = 2430 mm 731 mm
43 Seleccioacuten de la Columna de Contacto de la Torre de Enfriamiento
En esta seccioacuten se tratara de decidir el tipo de columna a utilizar ya
sea de bandejas perforadas o de relleno en funcioacuten de las
caracteriacutesticas de la operacioacuten deseada y de los componentes en
contacto en este caso liquido - aire tomando para la decisioacuten algunos
aspectos
La seleccioacuten entre una columna de bandejas perforadas o una de
relleno depende de conceptos econoacutemicos Sin embargo en un estudio
228
preliminar podemos basar su seleccioacuten en las siguientes ventajas e
inconvenientes de cada una de ellas
1- La eficiencia de una torre de relleno se basa en datos
experimentales para cada tipo de relleno La eficiencia variacutea no solo
por el tipo y tamantildeo del relleno sino tambieacuten por las propiedades del
fluido caudales diaacutemetro de columna etc
2- Si el flujo de liacutequido es pequentildeo comparado con el del aire es
preferible utilizar columnas de platos pues necesitan menores
factores de seguridad en el disentildeo por causa de la dispersioacuten del
liacutequido
3- Las columnas de bandejas perforadas pueden manejar un rango
maacutes amplio de caudales sin inundacioacuten
4- Si los liacutequidos tienen soacutelidos en suspensioacuten se prefieren torres de
bandejas perforadas por la facilidad de limpieza
5- Si se necesita enfriamiento intermedio de la columna es preferible
que sean de bandejas perforadas por la facilidad de la instalacioacuten
del sistema de enfriamiento
6- El peso total de una columna de bandejas perforadas es menor que
en una de relleno si estaacuten vaciacuteas en cambio llenas tienen un peso
similar
229
7- La informacioacuten de disentildeo de una columna de bandejas perforadas
es maacutes accesible que en una de relleno
8- Si hay grandes cambios de temperatura son preferibles las
columnas de bandejas perforadas pues el incremento de
temperatura puede romper el relleno
10-Las columnas de rellenos son maacutes faacuteciles de construir y mas
baratas si se trabaja con fluidos corrosivos
11-Si se tiene liacutequidos con gran tendencia a formar espuma se deben
utilizar torres empaquetadas
12-El almacenamiento de liacutequido en la columna es muy inferior para
las torres de relleno
13-Las torres de relleno tienen menos peacuterdida de carga que las
bandejas perforadas y el relleno previene contra el colapso por lo
que se utilizan en operaciones a vaciacuteo
Por lo expuesto anteriormente se utilizara en el disentildeo de la
empaquetadura de la torre de enfriamiento el sistema de bandejas
perforadas
230
FIGURA 42 DIAGRAMA DE OPERACIOacuteN DE UNA BANDEJA
PERFORADA
431 Altura de la las Paredes de la Bandeja
La altura de la bandeja determina el volumen de liacutequido sobre la
bandeja y es un importante factor para determinar la eficiencia de
la bandeja con orificios Una mayor altura incrementaraacute la
eficiencia de la bandeja pero a expensas de un alta caiacuteda de
presioacuten en la bandeja Para columnas operando alrededor de la
presioacuten atmosfeacuterica la altura de las paredes de la bandeja variacutea
entre 40 a 90 mm (15 a 35 pulg) [7]
Para el disentildeo de estos elementos se tomara una altura de 90
mm para obtener una buena eficiencia de la bandeja ya que el
231
volumen de agua colocada en la bandeja por mayor tiempo
tendraacute mayor tiempo de contacto con el aire
Aacuterea Perforada
El aacuterea disponible para perforacioacuten se deduciraacute por la obstruccioacuten
causada por las partes estructurales (tales como soportes anillos
y vigas) y por el uso de zonas libres Las zonas libres son
espacios no perforados de la bandeja en los lados de salida y
entrada El ancho de cada zona es usualmente la misma valores
recomendados son
Ancho de la columna Ancho de la zona sin perforar
lt 15 m 75 mm
gt15 m 100 mm
TABLA 41 DIMENSIONES DE ZONA SIN PERFORAR [17]
De acuerdo a la tabla 41 se tomara una franja sin perforar de 75m
Dimensiones de las perforaciones
Los platos perforados tienen perforaciones de 25 mm a 12 mm
(18 a 12 pulg) de diaacutemetro siendo el tamantildeo comuacuten de 5 mm
(316 pulg) las perforaciones se hacen siguiendo un arreglo
232
triangular o cuadrado con una distancia entre centros entre 2 a 5
veces el diaacutemetro de las perforaciones (el oacuteptimo es 38) [17]
Se toma el valor recomendado del agujero de 316rdquo por lo tanto el
espaciamiento entre centros de los agujeros seria
D= 90 mm
Se escogeraacute un arreglo triangular para los orificios
De acuerdo al aacuterea de la seccioacuten transversal de la torre 2430
mm731 mm y la disposicioacuten del disentildeo de forma se tiene unas
dimensiones en las bandejas de
Bandeja = 2000 mm 731 mm
Al dejar una franja por los cuatro lados sin perforar de 75 mm
FIGURA 43 DISPOSICION DE AGUJEROS EN LAS
BANDEJAS
Por lo planteado en el capiacutetulo 3 se obtuvo que la altura de la zona
empaquetada es de
Z = 538 ft = 2044 mm
233
Para hallar el aacuterea de la seccioacuten transversal en el inciso 42 de
este capiacutetulo se asumioacute un espaciamiento entre bandejas de
e = 740 plg = 188 mm
Por lo tanto se necesitariacutea 5 bandejas perforadas en la disposicioacuten
dada en el disentildeo de forma de la fig 41
Para calcular el nuacutemero de agujeros en la bandeja se recurre a la
ecuacioacuten siguiente
Nh = 4Ahπd2h
Nh = 112 orificios en la bandeja
Espesor de las Bandejas
Se considera un espesor del material para la bandeja de 14 mm
Se considerara la presioacuten que ejerceriacutea el agua asumiendo la
bandeja llena al 100 la carga que ejerce el agua en el volumen
de la bandeja es de 42453 N
Se utilizara el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad
234
Anaacutelisis de Resistencia mediante el Meacutetodo de Elementos
Finitos
ANSYS en INVENTOR 10 analiza concentradores de esfuerzos
mecaacutenicas de fracturas bajo cargas estaacuteticas y dinaacutemicas asiacute
como frecuencias naturales y estabilidad El programa ofrece
distintos materiales a seleccionar para el anaacutelisis con
asunciones sobre su comportamiento Lineal (la tensioacuten es
directamente proporcional a la presioacuten) Constante (la
temperatura de todas las propiedades es independiente)
Homogeacutenea (las propiedades no cambian en todo el volumen de
la pieza) Isotroacutepica (las propiedades de los materiales son
ideacutenticas en todas las direcciones) El factor de seguridad se
calcula utilizando el equivalente maacuteximo de la teoriacutea de falla de
tensioacuten para materiales duacutectiles A continuacioacuten se muestran los
informes de los anaacutelisis practicados a las bandejas perforadas
las figuras indican en su parte superior izquierda la escala
colorida con sus respectivos valores de Tensioacuten Equivalente y
Factores de seguridad mayores a 13 Aceptables [19]
235
TABLA 42 INFORME DE RESULTADOS DEL
ANALISIS DE LA BANDEJA PERFORADA
INFORME DE ANALISIS DE BANDEJA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935 Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 934e-4 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 8688 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
236
FIGURA 44 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 45 DEFORMACION
FIGURA 46 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 2 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
237
Disentildeo del Depoacutesito de Coleccioacuten de la Torre de Enfriamiento
Para determinar las dimensiones del depoacutesito de coleccioacuten de agua
para la torre de enfriamiento se debe conocer el tiempo que demora
el agua en circular a traveacutes del sistema
Se asume que el ciclo demora un minuto y se parte del dato que el
depoacutesito deberiacutea tener una capacidad mayor a la cantidad de agua
que debe fluir por el sistema en un minuto y asi evitar que esta se
quede sin liquido ademaacutes el mismo colector debe soportar el peso de
la torre con sus accesorios
Entonces el problema consiste en seleccionar dimensiones para la
piscina que provean mayor economiacutea y aseguren un buen
funcionamiento Por lo general se establece el aacuterea transversal del
depoacutesito un poco mas grande que el aacuterea transversal de la torre de
enfriamiento que permita el montaje de la tuberiacutea de succioacuten o alguacuten
otro accesorio necesario
Para el disentildeo de la piscina se basara en el coacutedigo ASME para
recipientes a presioacuten seccioacuten Div 1 para tanques rectangulares que
trabajan bajo presioacuten atmosfeacuterica [15]
Notacioacuten
238
α Factor que depende del largo y ancho del tanque HL fig47
E Modulo de elasticidad 30000000 psi para aceros al carbono
G Gravedad especifica del liacutequido Agua=1
I Momento de Inercia plg4
l Maacutexima distancia entre soportes plg
L Largo del tanque plg
R Reaccioacuten con subiacutendices indicando el lugar de aplicacioacuten lbplg
S Esfuerzo del material
t Espesor requerido de la plancha plg
w Carga por unidad de longitud lbplg
FIGURA 47 VALORES DE α
Seleccioacuten del espesor de plancha
239
Ec 45
El espesor se incrementara con el factor de corrosioacuten para este
caso se le aumentara 00645 plg o 163 mm
FIGURA 48 DIMENSIONES DEL DEPOSITO DE COLECCIOacuteN DE
AGUA
L=8 ft
H=2 ft
B=4 ft
Relacioacuten HL = 025
De la figura 47 se obtiene el valor α = 00010
S=23200 lbplg2 para el acero estructural A ndash 36
G=1 para el agua
Sustituyendo valores en la ec 45 se tiene un espesor de
plancha
240
t=000109 plg
A este valor se le suma el factor de corrosioacuten 00626 plg
Por lo tanto
t=0063 plg o t=161mm se utilizara plancha de 2mm de
espesor
Carga en las paredes del depoacutesito
FIGURA 49 CARGAS HIDROSTATICAS
Ec 46
Sustituyendo valores se tiene que
w=162 lbplg
R1=03w Ec 47
R1=03162=486
R2=07w Ec 48
241
R2=07162=1134
442 Momento de Inercia miacutenimo requerido
Ec 49
Sustituyendo valores
Imin=0003 plg4 = 12486 mm4
443 Distancia entre soportes de la piscina
FIGURA 410 DISTANCIA ENTRE SOPORTES
Ec 410
Si el numero de soportes es 4 entonces = 26 plg = 6604mm
Sustituyendo en la ecuacioacuten 410
t=0141 plg
Despejando el valor de la ecuacioacuten 410 se tiene
242
Sustituyendo valores
Por lo tanto
11968 plg 2583 plg = Numero de soportes = N
N=463 es decir se fiacutesicamente se necesitan 5 soportes con un
espaciamiento de 2583 plg
E=656 mm
El disentildeo del depoacutesito de coleccioacuten de agua se encuentra en el
Plano N 3
Se utilizaraacute el software INVENTOR 10 para su anaacutelisis de
esfuerzos y hallar el factor de seguridad del colector sometido a
toda la carga de la torre con su peso propio y la carga de agua
contenida en las bandejas
243
TABLA 43 INFORME DE RESULTADOS DEL
COLECTOR DE AGUA
INFORME DE ANALISIS DEL COLECTOR DE AGUA
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1976Kg
Volumen de la pieza 2517+007 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 47950
Elementos 26630
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Fuerza 1481 N
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 5455e-005 MPa 2437 MPa
Deformacioacuten 0 mm 0102 mm
Factor de seguridad 15 NA
244
FIGURA 412 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 413 DEFORMACION
FIGURA 414 FACTOR DE SEGURIDAD
El disentildeo de la bandeja se lo presenta en el Plano N0 3 con las
condiciones de la seccioacuten transversal de la torre
245
44 Seleccioacuten del Ventilador
Para la seleccionar el ventilador para la torre de enfriamiento es
necesario conocer los siguientes datos
1 Flujo de aire que circulara por la torre en ft3min
2 La presioacuten estaacutetica o presioacuten de resistencia contra la que debe
operar el ventilador expresada en plg de agua
Flujo de aire que circula por la torre Gs = 16056 lbh
Gs=2676 lbmin
Para determinar los pies cuacutebicos por minuto (pcm) de aire que salen
a traveacutes del extractor se divide las libras de aire seco por minuto
para la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
pcm = Gs (lbmin) densidad de la temperatura de operacioacuten Ec411
Para determinar la densidad del aire a la temperatura de operacioacuten
es necesario calcular la temperatura a la que sale el aire de la torre
Para esto conociendo el valor de la humedad absoluta Yrsquo2 lb de
vapor de agua por lb de aire seco con que sale el aire y asumiendo
que el aire se encuentra cercanamente saturado 95 se puede
246
entrar en la carta psicomeacutetrica Apeacutendice H y determinar dicha
temperatura
Yrsquo2= 0024
Con una temperatura de salida de la torre
T=84 0F
Con este valor dado en la figura se encuentra que la relacioacuten de
densidad del aire (RDA) a 84 0F y a nivel del mar es
RDA= densidad del aire en condiciones estaacutendar densidad del aire en condiciones de operacioacuten
Ec 412
RDA=105
De la ec411
105=0077lbft3 densidad del aire que opera a 84 0F
ρ84 F= 0075 lbft3
De la ec 412 se tiene
pcm=354483 ft3min = 116707 m3h
Con respecto a la caiacuteda de presioacuten estaacutetica contra la que debe
operar el ventilador se vio que en torres de este tipo era
ordinariamente menor que una pulgada de agua por lo tanto
tomando en consideracioacuten la resistencia ofrecida al paso del aire por
247
la zona empaquetada y los separadores de gotas se considera
suficiente utilizar el valor de 05 pulH20 o 127 mmH2O valores que
estaacuten dentro del rango de caiacuteda de presiones para este tipo de
ventiladores
Se ha escogido la curva del fabricante de la marca Ventiladores
Casals y sus caracteriacutesticas se indican en el Apeacutendice K
FIGURA 415 DIAGRAMA PARA SELELCCIONAR MODELO DE
VENTILADOR
Ingresando en el diagrama de la fig 415 con los datos planteados se
selecciona el ventilador modelo 56 T4 1 con las siguientes
caracteriacutesticas
Diaacutemetro = 650 mm
m3h = 12700
Peso = 36 Kg
248
RPM max = 1525
Potencia = 075 Kw
Ruido = 73 db
FIGURA 416 VENTILADOR SELECCIONADO
Con el peso del ventilador se disentildearaacute la campana de extraccioacuten de vapor de
agua se asumiraacute un espesor de 14 mm Se utilizara el programa
computacional INVENTOR 10 para analizar su deformacioacuten y el factor de
seguridad de la campana
249
TABLA 44 INFORME DE RESULTADOS DE LA
CAMPANA DE EXTRACCION
INFORME DE ANALISIS DE LA CAMPANA DE
EXTRACCION
PROPIEDADES
MATERIAL ACERO
Masa de la pieza 1935Kg
Volumen de la pieza 2465+006 mmsup3
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 12079
Elementos 6011
Moacutedulo de Young 21e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 03
Densidad de masa 785e-006 Kgmmsup3
Liacutemite de elasticidad 207 MPa
Resistencia maacutexima a traccioacuten 345 MPa
CARGAS APLICADAS
Presioacuten 9348+-5 MPa
Gravedad terrestre estaacutendar 9807 mmssup2
REACCION DE RESTRICCIOacuteN
Restriccioacuten fija 1 0 N
RESULTADOS ESTRUCTURALES Miacutenimo Maacuteximo
Tensioacuten equivalente 1042e-003 MPa 5816 MPa
Deformacioacuten 0 mm 02868 mm
Factor de seguridad 15 NA
250
FIGURA 417 TENSION EQUIVALENTE
FIGURA 418 DEFORMACION
FIGURA 419 FACTOR DE SEGURIDAD
251
45 Seleccioacuten de Diaacutemetro de la Tuberiacutea
Los criterios a utilizar para el caacutelculo del diaacutemetro de la tuberiacutea
son
1 Si la energiacutea
necesaria para el movimiento del fluido es gratis utilizar el
diaacutemetro miacutenimo que permita el caudal deseado
2 Si el fluido ha de ser
bombeado hay que calcular el tamantildeo que permita tener los
menores costes anuales (caacutelculo del diaacutemetro econoacutemico)
Velocidades tiacutepicas y caiacutedas de presioacuten permisibles que pueden
utilizarse para estimar el diaacutemetro de la tuberiacutea son
Velocidad (ms) ∆P(kPam)
Liacutequidos bombeados (no viscosos) 1 ndash 3 05
Liacutequidos flujo por gravedad - 0005
Gases y vapores 15 ndash 30 002 presioacuten de liacutenea
Flujos a alta presioacuten 30 - 60
TABLA 45 VELOCIDADES Y CAIDAS DE PRESION
PERMISIBLES [4]
Si se considera la densidad del fluido la velocidad oacuteptima es
252
Densidad del fluido
(Kgm3)
Velocidad del fluido
(ms)
1600 24
800 30
160 49
16 94
016 180
0016 340
TABLA 46 DENSIDAD DEL FLUIDO EN FUNCION DE LA
VELOCIDAD [4]
En la seleccioacuten de las tuberiacuteas se tiene que considerar el caudal
maacuteximo no el nominal (aumentar 20 a 50)
De acuerdo a la tablas 45 y 46 se tiene que
Flujo de agua = 15 m3h
Por lo tanto se escoge una velocidad
V = 2475 ms este valor es interpolado de la tabla 43 para
liacutequidos bombeados
Conocido el caudal y la velocidad se puede encontrar el
diaacutemetro
Q = A V Ec413
253
A = π4 D = QV
Donde D diaacutemetro de la tuberiacutea despejando D se tiene
D = 00508 m o tuberiacutea de 2rdquo
46 Seleccioacuten de la Bomba para la Torre de Enfriamiento
Se tiene los siguientes datos para la torre
Q = 15 m3h
Altura de la torre se la torre 12m
Considerando las tablas del Apeacutendice J del manual del
fabricante Golds Pumps se selecciona la siguiente bomba
Modelo 3196
STX 1x 1 frac12 - 6
Capacidad 70 GPM 3 frac12 ldquo 1 frac12 HP
Frecuencia 60 Hz
254
CAPITULO 5
5 MONTAJE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA
BATERIAS DE LOS SUBMARINOS
51 Diagrama de Gantt para la Ejecucioacuten del Proyecto
Diagrama de Gantt- Para la planificacioacuten de la construccioacuten montaje se contara con la
ayuda del software Microsoft Project
Que se lo muestra a continuacioacuten
255
FIGURA 51 DIAGRAMA DE GANTT
El diagrama de la figura anterior da los pasos que se siguieron describiendo todo el
proceso que se llevo a cabo en el proyecto utilizando oacuteptimamente el recurso humano
existente y el tiempo requerido para realizarlo
Levantamiento de planos del disentildeo de forma del sistema de enfriamiento- Este
procedimiento se hizo para obtener una referencia del espacio disponible y con ello ver
las posibles soluciones a implementar Este proceso no consta en el diagrama de Gantt
ya que lo hizo previo a la licitacioacuten ya que seria acreedora del contrato la empresa
participante que presente su mejor propuesta y cotizacioacuten sin embargo se tomo 5 diacuteas
para realizar este proceso
511 Preparacioacuten de Documentos Planos de Taller y Movilizacioacuten
Elaboracioacuten de planos de taller- Se procederaacute al disentildeo del sistema mas optimo en
este caso torre de enfriamiento certificacioacuten de intercambiador de calor disentildeo de
estructura moacutevil y de su estructura de soporte a ser ejecutado para la alternativa
seleccionada Asimismo se procederaacute al disentildeo eleacutectrico bajo la responsabilidad
ERMARLO SA Los planos seraacuten sometidos a la aprobacioacuten del departamento
encargado por parte de la Armada del Ecuador para iniciar los trabajos de
construccioacuten de acuerdo al cronograma presentado
256
Ninguacuten data sheet mostrado en la oferta podraacute ser utilizado como base para la
construccioacuten del sistema en mencioacuten por parte de la Armada del Ecuador o terceros si
la obra no se adjudica a ERMARLO SA con amparo a la ley de derechos de autor
Movilizacioacuten- Durante el periacuteodo de elaboracioacuten de planos se procederaacute con la
movilizacioacuten de equipos herramientas material a las instalaciones de la Armada
Nacional del Ecuador ubicada en la Base Sur Se utilizaraacuten bantildeos portaacutetiles con
mantenimiento perioacutedico Ademaacutes la logiacutestica del proyecto seraacute reforzada con el
apoyo de las oficinas e instalaciones de ERMARLO SA Ubicadas en la viacutea a Daule
Parque industrial Inmaconsa
512 Fabricacioacuten en el Taller
El disentildeo suministro de los materiales prefabricacioacuten y pre pintura interior y exterior
de las estructuras seraacuten ejecutados por ERMARLO SA En el taller se construiraacute
Rieles de movilizacioacuten para los soportes que llevaran la tuberiacutea de agua destilada
friacutea y caliente con sus respectivos acoples
Construccioacuten de la Torre de Enfriamiento y sus accesorios
Se ha contemplado la supervisioacuten de un teacutecnico de la Armada Nacional en los talleres
de ERMARLO SA asi mismo la supervisioacuten en campo de un teacutecnico durante la etapa
de montaje Para el efecto se ha considerado cubrir con todos los gastos relacionados
con esta visita salvo los honorarios de este teacutecnico los cuales correraacuten por cuenta de
la institucioacuten contratante
1 Materiales- De conformidad con los planos de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas para la construccioacuten de las rieles de deslizamiento y torre de
257
enfriamiento se selecciona el material a utilizar verificando calidad espesores y
dimensiones generales de laacuteminas y tuberiacuteas
Principalmente para laacuteminas de acero se verifican las marcas estampadas en
cada plancha contra los certificados emitidos por el fabricante de estar todo
conforme se libera el material para fabricacioacuten
2- Fabricacioacuten
21-Corte- Se posiciona la laacutemina seleccionada en la mesa de corte
procediendo al trazo y verificacioacuten conforme a medidas de plano de fabricacioacuten
Se transfieren las marcas originales de la laacutemina a cada parte y pieza a ser
cortada para mantener su identificacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten y en la
torre de enfriamiento terminada Se regulan los flujos de gases y velocidad de
avance de la maacutequina de conformidad con el procedimiento especiacutefico de cada
maacutequina y se procede a cortar el material En esta etapa se define dentro del
proceso de corte el tipo de bisel que se deja en el filo de las planchas para el
posterior proceso de soldadura todos los biseles tienen que estar detallados en
los planos de fabricacioacuten Una vez cortadas las piezas se realiza una limpieza
mecaacutenica de los bordes de la laacutemina especialmente los biseles de soldadura se
inspecciona y libera el material para el siguiente proceso
22-Conformado- Dependiendo de la parte de la torre que esteacute en proceso las
bandejas perforadas se las fabricara con este procedimiento Adicionalmente
todas las partes conformadas seraacuten pre-ensambladas en taller para verificar su
correcto dimensionamiento y agilizar el proceso de ensamble final en campo
23-Soldadura- Se realizaraacute soldadura en faacutebrica par elementos como patas
soportes de la cuba colectora de agua tuberiacuteas de carga y descarga conexiones
para instrumentacioacuten de acuerdo con el requerimiento del cliente Todas las
258
soldaduras de faacutebrica deben estar definidas en los planos de fabricacioacuten
indicando el proceso de soldadura y paraacutemetros generales que seraacuten ejecutados
Todas las soldaduras se realizaraacuten con procedimientos y soldadores calificados
de conformidad con coacutedigo ASME uacuteltima edicioacuten Los principales procesos a ser
utilizados son SAW GMAW SMAW
Toda soldadura deberaacute ser inspeccionada y verificada cumpliendo los
requerimientos del coacutedigo ASME y condiciones particulares del Cliente si
existieran
24-Tratamiento de Superficies- Tanto las laacuteminas de cuerpo como tuberiacuteas
soportes plataformas seraacuten preparadas y recubiertas de acuerdo con las
especificaciones del cliente En taller se realizaraacute aplicaraacute la primera capa de
revestimiento y en campo se completara el sistema luego del montaje
y pruebas del tanque El procedimiento a seguir es el siguiente
Se prepararaacute la superficie utilizando chorro de granalla metaacutelica hasta obtener un
acabado SSPC - SP 10 metal casi blanco con un perfil de anclaje de 2 a 3 mils
que garantice la adherencia y resistencia mecaacutenica del sistema de pintura a
aplicar Se dispone con los equipos y condiciones adecuadas para garantizar una
buena limpieza
La pintura seraacute aplicada conforme las recomendaciones y especificaciones de la
hoja teacutecnica del fabricante de pintura Durante el proceso de aplicacioacuten se
controla y registran los paraacutemetros externos y condiciones de aplicacioacuten como
temperatura ambiente temperatura de la pieza humedad relativa punto de
rociacuteo espesor huacutemedo y espesor seco
25 Factibilidad de construccioacuten- Se quiere resaltar las ventajas de la
fabricacioacuten de la torre de enfriamiento en Ecuador ya que ademaacutes del arancel
que tendraacute que pagarse sobre el tanque importado cuando se trata de proyectos
de intereacutes puacuteblico de acuerdo a la Ley la Armada del Ecuador puede requerir la
259
aprobacioacuten de la importacioacuten de bienes de capital El Ministerio encargado
certificaraacute si hay manufactura local o no para los bienes a ser importados El
producto local debe ser similar al importado debe tener la misma funcioacuten precio
competitivo igual calidad y tiempo de entrega Si los productos locales cumplen
con los estaacutendares de los productos importados deben entonces ser comprados
localmente caso contrario el Ministerio no autorizaraacute su importacioacuten
513 Montaje del Sistema de Enfriamiento
El Supervisor de montaje seraacute responsable de la eficiente
coordinacioacuten del Proyecto la Armada del Ecuador seraacute informado
continuamente de todas las acciones a tomar
ERMARLO SA dispondraacute de todos los equipos y herramientas
necesarios para enfrentar adecuadamente los trabajos
incluyendo gruacuteas compresores generadores soldadoras equipo
para prueba hidrostaacutetica etc
El montaje del sistema de enfriamiento obedece a una secuencia establecida en los
procedimientos y normas aplicables para este tipo de trabajos
En resumen las actividades principales que es necesario cumplir son las siguientes
Revisioacuten de la fundacioacuten de las estructuras deslizantes y la torre de enfriamiento
Antes del montaje del sistema de guiacuteas para la estructura
deslizante y para la torre de enfriamiento se verificaraacuten
260
cuidadosamente la topografiacutea e integridad estructural de las
fundaciones Tambieacuten se comprobaraacute que el terreno esteacute
adecuado para los diferentes movimientos de los equipos de
montaje
FIGURA 53 ALINEACION DE PISO DONDE SE ASENTARA LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Montaje de la estructura de soporte del sistema deslizante
Una vez revisada y aprobada las estructuras donde se va a montar el sistema
deslizante la cual llevara las tuberiacuteas de agua destilada a las bateriacuteas por parte de
ERMARLO SA se procederaacute a la instalacioacuten de cada una de las vigas transversales
donde se delizara el sistema de tuberiacuteas
261
FIGURA 52 SISTEMA DE DESLIZAMIENTO
Soldadura en obra
Las vigas del sistema de deslizamiento la torre y sus estructuras seraacuten soldados por
cualquiera de los procesos SMAW y SAW utilizando los equipos adecuados La
soldadura puede ser manual semi-automaacutetica o automaacutetica de conformidad a lo que
establezca del procedimiento de soldadura correspondiente
Se tendraacute una revisioacuten estricta de las condiciones de los biseles eliminacioacuten de escoria
antes de efectuar el siguiente cordoacuten inspecciones visuales de la soldadura
inspecciones radiograacuteficas de acuerdo al Coacutedigo se es necesario
Las laacuteminas del cuerpo en juntas de tope seraacuten alineadas en su posicioacuten antes de
soldar las mismas
514 Preparacioacuten de Superficie y Pintura en Sitio
262
Con el fin de asegurar la culminacioacuten del proyecto dentro del tiempo especificado asiacute
como para minimizar los dantildeos ambientales y proteger los materiales prefabricados
durante su transporte se ha considerado realizar la preparacioacuten y pre pintura de
superficies exterior e interior de las estructuras en taller
Las capas finales de pintura seraacuten aplicadas en el campo de acuerdo a las
especificaciones establecidas propuestas por ERMARLO SA Las aacutereas de pintura que
deban reparase o terminarse en se las repararaacute en obra
515 Prueba Hidrostaacutetica del Sistema de Tuberiacuteas e Intercambiador de Calor
Una vez instalado y pintado la torre de enfriamiento con el intercambiador de calor
sumergido en la piscina recolectora de la torre se procederaacute a realizar la prueba
hidrostaacutetica y la posterior desinfeccioacuten del mismo de acuerdo a lo especificaciones en
las bases de licitacioacuten entregada por la Armada del Ecuador
516 Bombas de agua
Existen dos bombas a ser montadas veacutease la figura 53 La bomba 1 para el sistema
de agua destilada de circulacioacuten por las bateriacuteas y al intercambiador de calor la bomba
2 figura 54 para la recirculacioacuten del agua en la torre de enfriamiento Las
caracteriacutesticas de todas ellas han sido ya establecidas en capiacutetulos anteriores
263
FIGURA 53 BOMBA PARA AGUA DESTILADA QUE ENTRA EN LAS BATERIA
FIGURA 54 BOMBA DE AGUA PARA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Para el montaje se deben respetar las especificaciones dadas ya sea por las normas
respectivas o seguir recomendaciones teacutecnicas En este caso se haraacute lo posible por
cumplir las recomendaciones dadas[12] Para el caso de la tuberiacutea de succioacuten se da la
figura 55
264
FIGURA 55 TUBERIA DE SUCCION [12]
Otra recomendacioacuten dada radica en que se debe evitar para el transporte el uso de
tuberiacuteas de igual diaacutemetro al de ingreso o salida del agua de la bomba deben ser
las inmediatas superiores Esto se cumple con los caacutelculos solo cuando la bomba
estaacute bien dimensionada pero no en el caso de la bomba 2 debido a que esta se
encuentra sobredimensionada Por ello el diaacutemetro de la tuberiacutea de salida es igual
diaacutemetro de la tuberiacutea de transporte de agua en el ingreso caso igual se usa una
tuberiacutea de 2rdquo
516 Instalacioacuten Eleacutectrica
Se ha contemplado el disentildeo instalacioacuten suministro y pruebas de
un sistema eleacutectrico el mismo que tendraacute los controles y mandos
para activar ventilador de la torre activacioacuten de las bombas de
agua control de ventiladores del cuarto de activacioacuten
265
FIGURA 56TABLERO DE CONTROL ELECTRICO
Toda tuberiacutea eleacutectrica se aseguraraacute con abrazaderas o soportes
de acero a la estructura de la torre o a las paredes por donde
crucen los cables
517 Graficas Representativas del Montaje de la Torre de
Enfriamiento
266
FIGURA 57 INTERCAMBIADOR SUMERGIDO EN COLECTOR
DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
FIGURA 58 BANDEJAS PERFORADAS INSTALADAS EN LA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
267
FIGURA 59 TORRE DE ENFRIAMIENTO INSTALADA
52 Lista de materiales y equipos requeridos para el montaje
En las siguientes tablas se listan los materiales y equipos requeridos para el montaje
realizado adicionalmente se indica si se empleoacute algo usado o nuevo asiacute como su cantidad
268
EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
Equipoherramienta Tamantildeoespecificacioacuten Condicioacuten
01 Arco para sierra Estaacutendar de 12rdquo En bodega
02 Broca para acero HSS Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
03 Broca para cemento Percusioacuten Oslash ⅜rdquo x 4rdquo En bodega
04 Broca para cemento Percusioacuten Oslash frac12 rdquo x 6rdquo En bodega
06 Cepillo de acero 6 hileras En bodega
07 Destornillador plano 5 mm x 150 mm En bodega
08 Emulsioacuten lubricante Proporcioacuten 120 En bodega
09 Flexoacutemetro 8 m x 25 mm En bodega
10 Guantes de cuero Par manga corta (10rdquo) En bodega
11 Hoja de sierra 12rdquo x frac12rdquo x 132rdquo Comprada
12 Hoja de sierra 24rdquo x 1frac14rdquo x 116rdquo Comprada
13 Llave mixta ⅜rdquo En bodega
14 Llave mixta 916rdquo En bodega
15 Llave mixta 58rdquo En bodega
16 Llave para tubo Largo 12rdquo abre hasta 2rdquo En bodega
17 Llave para tubo Largo 24rdquo abre hasta 3frac12rdquo En bodega
18 Llave para tubo Largo 36rdquo abre hasta 5rdquo En bodega
19 Nivel Aluminio largo 24rdquo En bodega
20 Pie de amigo De 24rdquo de aacutengulo de frac34rdquo Construido
21 Piola de algodoacuten Rollo de 50 gramos Comprado
22 Prensa para tubo De tornillo para Oslash 4rdquo En bodega
23 Sierra alternativa Para aserrar acero En taller
269
24 Taladro de mano Capacidad frac12rdquo asymp 13 mm En bodega
25 Taco Fisher F10 Comprado
26 Tarraja para tubo Manual para Oslash frac12rdquo a 2rdquo En bodega
27 Tefloacuten Rollo 19mmx15mx02mm Comprado
29 EPP Comprado
30 Material de aporte E6011 E6013 etc Comprado
31 Equipo de oxicorte Acetileno oxigeno manom En bodega
32 extintores Polvo quiacutemico seco En taller
33 tecle 2 Ton En bodega
34 Maq De soldar En bodega
TABLA 51 LISTA DE EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
53 RESUMEN DE COSTOS
ITEM MATERIALES Cantidad unid mater peso V Unitario V Venta
Soportariacutea fija y estructura moacutevil
Correa G 125 x 50 x 15 x 3 6 unid 3324 3291 19745
plancha 4 1 unid 9334 9241 9241
aacutengulo laminado 40 x 3 9 unid 1100 1089 9801
aacutengulo laminado 50 x 4 3 unid 2355 2331 6994
Correa G 80 x 50 x 15 x 3 9 unid 2406 2382 21437
malla electro ARMEX R- 131 (515) 52 mc 100 200 10400
perno expansioacuten 58 x 3 24 unid 012 060 1440
270
Pintura 4 galoacuten 100 1500 6000
ruedas para correas 12 unid 100 2500 30000
aacutengulo laminado 25 x 3 6 unid 706 699 4194
Materiales estructura 119252
Mano de obra estructura 71551
Total estructura 190803
Sistema de tuberiacuteas y accesorios
tubo PVC 2 20 unid 100 1400 28000
accesorio T 2 2 unid 030 240 480
tapoacuten 2 4 unid 020 160 640
unioacuten 2 10 unid 020 160 1600
bushing 2 x 14 4 unid 020 160 640
manguera 2 6 m 100 3500 21000
acople para manguera 2 x 2 4 unid 200 1600 6400
abrazaderas 2 8 unid 100 600 4800
manguera 14 300 m 100 250 75000
abrazadera 14 480 unid 100 030 14400
tubo galvanizado 1 14 7 unid 100 3360 23520
codo pvc 2 4 unid 020 160 640
codo galvanizado 1 14 4 Unid 020 180 720
nudo 2 4 unid 030 240 960
acoples para manguera 14 240 unid 100 24000
Materiales sistema distribucioacuten agua
enfriamiento aire 202800
Mano de obra sistema distribucioacuten agua 81120
271
enfriamiento
Total sistema distribucioacuten 283920
Torre de enfriamiento
tubo cuadrado 80 x 3 4 unid 4521 4476 17903
aacutengulo laminado 50 x 3 8 unid 1430 1416 11326
ventilador axial para torre enfriamiento 1 unid 120000 120000
plancha 3 para deposito de agua torre 2 unid 7040 6970 13939
control nivel de agua torre 1 global 1500 1500
plancha galvanizada para bandejas 8 unid 4224 5914 47309
plancha galvanizada para paredes 8 unid 3285 4599 36792
bomba de circulacioacuten 80 gpm ndash 30 psi 1 unid 120000 120000
arrancador para bomba de circulacioacuten y
ventilador 1 global 32000 32000
difusores y encausadores de torre 1 global 35000 35000
tuberiacutea y vaacutelvulas de control de circulacioacuten 1 global 23500 23500
Material torre 459269
Mano de obra torre 156151
Total torre 615420
EQUIPOS SUMINISTRADOS POR ARMADA DEL ECUADOR
Intercambiador de calor de haz tubular 000
Bomba PN 50 ndash 32 ndash 145 para agua des-ionizada 000
NOTA no se encuentra agregado el valor del IVA
272
CAPITULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
61 Conclusiones
1 El meacutetodo usado por el texto de Procesos de transferencia de calor de Kern y al
comparar con el programa computacional para la seleccioacuten del intercambiador de calor
son similares concluyendo que el programa funciona correctamente y este caso el
intercambiador disponible cumple con los requerimientos para reducir la temperatura
requerida para el sistema
2 El equipo disentildeado cumple con lo establecido en el anaacutelisis del problema y las
restricciones
3 El meacutetodo de construccioacuten utilizado especialmente los procesos de soldadura garantizan
el buen funcionamiento del equipo
4 Se ha adquirido mas conocimientos sobre las torres de enfriamiento y sobre su valor
caracteriacutestico KaVL A mayor valor mayor dificultad para lograr el enfriamiento deseado
Adicionalmente se ratifico los conocimientos adquiridos
273
5 Se ha utilizado varios sistemas computacionales para comprobar los resultados
adquiridos e implementar estos programas en el trabajo diario dentro del departamento de
proyectos de ERMARLO SA
6 Se ha utilizado tablas normas y coacutedigos de seleccioacuten y disentildeo de esta manera logrando
un meacutetodo de seleccioacuten maacutes raacutepida para la ejecucioacuten de un proyecto
7 El control de calidad dentro del proceso de construccioacuten y montaje es muy importante en
la entrega final del trabajo para la satisfaccioacuten del cliente y realzar el nombre de la
empresa constructora
8 Una gran experiencia de trabajo en equipo tanto con el personal encargado de la
construccioacuten como la interaccioacuten con el personal de la Armada del Ecuador
62 Recomendaciones
1 Cuando se desee realizar la evaluacioacuten de un intercambiador de calor o una torre de
enfriamiento se debe seguir un sin nuacutemero de especificaciones para tenerlas a mano
Personalmente me parecioacute muy buena la guiacutea del texto Procesos de Transferencia de
Calor
2 Se requiere implementar un estudio detallado para el manejo de todos los desechos
generados
3 Se tendriacutea que hacer un plan de mantenimiento para los equipos constitutivos del sistema
de enfriamiento
4 Revisar permanentemente las instalaciones eleacutectricas ya que se tiene un ambiente
explosivo por las emanaciones de hidrogeno de las bateriacuteas al estar activaacutendose
274
5 La pintura de la torre de enfriamiento deberiacutea estar en control para evitar corrosioacuten en la
estructura
6 En la construccioacuten y el montaje se recomienda el correcto uso del Equipo de Proteccioacuten
Personal asiacute como los implementos para realizar trabajos en altura trabajos en caliente o
lugares confinados para evitar lesiones por parte de los integrantes del proyecto
7 Tener en consideracioacuten todas las normas de seguridad que tiene la institucioacuten (Armada
del Ecuador) para evitar sanciones al personal que estaacute ejecutando el proyecto
8 Implementar un mejor sistema de ventilacioacuten en el cuarto de activacioacuten de bateriacuteas ya que
este tiene demasiados contaminantes en el ambiente
275
BIBLIOGRAFIA
1 Gonzalez Jorge ldquoAplicacioacuten de la Investigacion de Operaciones al
Diseno Optimo de un Intercambiador de Calorrdquo (Tesis Facultad de
Ingenieria en Mecanica y Ciencias de la Produccion Escuela Superior
Politecnica del Litoral 1970)
2 Kern Donald Procesos de Transferencia de Calor Editorial CECSA
1995
3 Hickstyler Manual de Calculos para las Ingenierias Tercera Edicion
Tomo II McGraw Hill 1998
4 Torres Alberto ldquoDiseno de una Torre de Enfriamiento de Agua para Uso
Industrialrdquo (Tesis Facultad de Ingenieria Mecanica y Ciencias de la
Produccion Escuela Superior Politecnica del Litoral 1973)
5 Andrade Francisco Ing Ventilacioacuten Industrial Diplomado en Manejo
Ambiental ESPOL julio 2001
6 Manual Praacutectico de Ventilacioacuten Catalogo Teacutecnico Salvador Escoda
SA
7 Perry Robert-Green Don PERRY Manual del Ingeniero Quiacutemico
Seacuteptima Edicioacuten Volumen II Mc Graw Hill
8 Load amp Resistance Factor Design Manual of Steel Construction AISC
First Edition
9 Incropera P Frank-De Witt P David Fundamentos de Transferencia de
Calor Cuarta Edicioacuten Prentice Hall
10 Granet Irving Termodinaacutemica Tercera Edicioacuten Editorial Prentice Hall
1998
11 Goulds Pump Manual Sexta Edicioacuten Goulds Pumps Inc 1995
276
12 McNaughton Kenneth Bombas Seleccioacuten Uso y Mantenimiento
Editorial Mc Graw Hill 1992
13 David Linden Thomas B Reddy Handbook of Batteries McGraw Hill
Third Edition 1995
14 Pedro Fernaacutendez Diez Bombas Centrifugas y Volumeacutetricas 2002
15 Eugene F Megyesy Pressure Vessel Handbook Publishing Inc Sexta
edicioacuten
16 Holman J P Transferencia de Calor Octava edicioacuten Prentice Hall
2001
17 Dpto Ingenieria Quiacutemica y Textil Disentildeo de Equipos e Instalaciones
(Facultad de Ciencias Quiacutemicas Universidad de Salamanca)
18 Peters and Timmerhaus Plant Design and Economics For Chemical
Engineers McGraw Hill
19 Introduccioacuten al Programa ANSYS
20 Avallone Eugene A Baumeister III Theodore MARKS Manual del
Ingeniero Mecaacutenico Novena Edicioacuten Tomos I y II Mc Graw Hill
21 httpwwwipacesacerofabricacionasp
22 httpwwwevapcocom
23 httpwwwcasalscom
24 httpwwwamcotcom
25 httpwwwmonografiastrabajos10toentoenzip
277
