tesis terminada chiroque corregida
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FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADMICO PROFESIONAL DE INGENIERA MECNICA
FACTIBILIDAD TCNICO ECONMICA DE INSTALACIN DE
UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO DEL AGUA DE
CONDENSACIN PARA MEJORAR LA OPERACIN DEL
TURBOGENERADOR N2, DE 4MW EN LA PLANTA CAA
BRAVA - PIURA.
TESIS PARA OBTENER EL TTULO PROFESIONAL DE:
Ingeniero Mecnico
AUTOR:
Chiroque Barreno, Jorge Luis.
ASESOR METODOLGICO:
DE LAROSA BOCANEGRA FELIPE EDUARDO
ASESOR ESPECIALISTA:
MG. ING. RAUL ROSALI PAREDES ROSARIO
LNEA DE INVESTIGACION:
Energa trmica
TRUJILLO PER
2013
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FACTIBILIDAD TCNICO ECONMICA DE
INSTALACIN DE UNA TORRE DE
ENFRIAMIENTO DEL AGUA DE
CONDENSACIN PARA MEJORAR LA
OPERACIN DEL TURBOGENERADOR N2,
DE 4MW EN LA PLANTA CAA BRAVA - PIURA.
Acta de sustentacin:
FACTIBILIDAD TCNICO ECONMICA DE INSTALACIN DE UNA TORRE DE
ENFRIAMIENTO DEL AGUA DE CONDENSACIN PARA MEJORAR LA
OPERACIN DEL TURBOGENERADOR N2, DE 4MW EN LA PLANTA CAA
BRAVA - PIURA.
El jurado evaluador del trabajo de investigacin para obtener el ttulo profesional de
Ingeniero Mecnico que ha presentado el bachiller en mencin, acuerdan aprobar
por unanimidad y recomiendan la publicacin y difusin del mismo para el
conocimiento de la comunidad acadmica.
TRUJILLO PER
2013
Ing. Luis Julca Verastegui
Presidente
Ing. Jorge Inciso Vsquez
Secretario
Ing. Paredes Rosario, Ral
Vocal
Chiroque Barreno, Jorge Luis.
Autor
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INSTALACIN DE UNA TORRE DE
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CONDENSACIN PARA MEJORAR LA
OPERACIN DEL TURBOGENERADOR N2,
DE 4MW EN LA PLANTA CAA BRAVA - PIURA.
Dedicatoria
A Dios. Por haberme permitido llegar hasta este punto y
haberme dado salud para lograr mis objetivos, adems de
su infinita bondad y amor
A mi madre Julia. Por haberme apoyado en todo
momento, por sus consejos, sus valores, por la
motivacin constante que me ha permitido ser una persona
de bien, pero ms que nada, por su amor
A mi padre Jorge. Por los ejemplos de perseverancia y
constancia que lo caracterizan y que me ha
infundado siempre, por el valor mostrado para salir
adelante y por su amor
A mis hermanos, juntos podemos lograrlo todo
A Estefany, por ser alguien muy especial en mi vida y por
demostrarme que en todo momento cuento con ella
El autor
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CONDENSACIN PARA MEJORAR LA
OPERACIN DEL TURBOGENERADOR N2,
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Agradecimiento
Debo agradecer de manera especial y sincera al Ing. Paredes Rosario, Ral. Por su
direccin en este trabajo de tesis. Su apoyo para guiar mis ideas en el desarrollo de
esta tesis, y en la formacin como Ingeniero Mecnico.
Quiero expresar tambin mi ms sincero agradecimiento al Ing. Felipe de la Rosa
Bocanegra. Por su importante aporte y participacin activa en el desarrollo de esta
tesis. No cabe duda que su participacin ha enriquecido el trabajo realizado.
A la UCV por su excelente plana Docente. Y a todas aquellas personas que de una u
otra forma, colaboraron o participaron en la realizacin de esta investigacin, hago
extensivo mi ms sincero agradecimiento.
Agradezco a Dios por llenar mi vida de dicha y bendiciones. A mis queridos padres por
forjarme con buenos principios, creer en m y darme la oportunidad de realizarme en
esta profesin.
El autor
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INSTALACIN DE UNA TORRE DE
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CONDENSACIN PARA MEJORAR LA
OPERACIN DEL TURBOGENERADOR N2,
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Declaracin de Autenticidad
Yo: Chiroque Barreno, Jorge Luis con DNI N 46083370, declaro que la tesis de
pregrado titulada: FACTIBILIDAD TCNICO ECONMICA DE INSTALACIN DE
UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO DEL AGUA DE CONDENSACIN PARA
MEJORAR LA OPERACIN DEL TURBOGENERADOR N2, DE 4MW EN LA
PLANTA CAA BRAVA PIURA., ha sido desarrollada con base a una
investigacin exhaustiva, respetando derechos intelectuales de terceros, conforme
las citas y bibliografa que constan al final de la tesis. Consecuentemente este
trabajo es de mi autora.
A efecto de cumplir con las disposiciones vigentes consideradas en el reglamento
de grados y ttulos de la Universidad Cesar Vallejo, Facultad de Ingeniera, Escuela
de Ingeniera Mecnica, declaro bajo juramento que toda la documentacin que
acompao es veraz y autntica.
As mismo, declaro tambin bajo juramento que todos los datos e informacin que
se presentan en la presente tesis son autnticos y veraces.
En tal sentido asumo la responsabilidad que corresponda ante cualquier falsedad,
ocultamiento u omisin tanto de los documentos como de informacin aportada por
la cual me someto a lo dispuesto en las normas acadmicas de la Universidad
Csar Vallejo.
Trujillo, diciembre del 2013
Chiroque Barreno, Jorge Luis
Autor
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ENFRIAMIENTO DEL AGUA DE
CONDENSACIN PARA MEJORAR LA
OPERACIN DEL TURBOGENERADOR N2,
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Presentacin
Seores miembros del jurado, presento ante ustedes la tesis titulada:
FACTIBILIDAD TCNICO ECONMICA DE INSTALACIN DE UNA TORRE DE
ENFRIAMIENTO DEL AGUA DE CONDENSACIN PARA MEJORAR LA
OPERACIN DEL TURBOGENERADOR N2, DE 4MW EN LA PLANTA CAA
BRAVA - PIURA., con la finalidad de, determinar la factibilidad tcnica econmica
de instalacin de una torre de enfriamiento del agua de condensacin para mejorar
la operacin del turbogenerador N 2, de 4MW en la planta Caa Brava - Piura, en
cumplimiento del reglamento de grados y ttulos de la Universidad Csar Vallejo
para obtener el ttulo profesional de Ingeniero Mecnico. Esperando cumplir con los
requisitos de aprobacin.
El Autor.
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NDICE
Dedicatoria ________________________________________________________ ii
Agradecimiento ____________________________________________________ iii
Declaracin de Autenticidad ___________________________________________ iv
Presentacin ______________________________________________________ v
RESUMEN _______________________________________________________ viii
ABSTRACT _______________________________________________________ ix
CAPITULO I _______________________________________________________ 1
INTRODUCCIN ___________________________________________________ 1
Antecedentes: _____________________________ Error! Marcador no definido.
Esta investigacin se justifica de acuerdo a lo siguiente:_____________________ 6
Marco terico: ______________________________ Error! Marcador no definido.
Realidad Problemtica ______________________________________________ 31
La problemtica se formula de la siguiente manera: _______________________ 33
Se plante la Hiptesis: _____________________________________________ 33
Objetivos: ________________________________________________________ 33
- Objetivo General: _____________________________________________ 33
- Objetivos Especficos: _________________________________________ 33
CAPITULO II _____________________________________________________ 35
MARCO METODOLGICO __________________________________________ 35
2.1. Variables. ____________________________________________________ 36
2.1.1. Variables independientes: ______________________________________ 36
2.1.2. Variables dependientes: ________________________________________ 36
2.2. Operacionalizacion de variables. __________________________________ 37
2.4. Metodologa. ________________________________________________ 38
2.5. Tipos de estudios. ____________________________________________ 38
2.6. Diseo de investigacin: _______________________________________ 38
2.7. Poblacin y muestra. __________________________________________ 39
2.7.1. Poblacin: _______________________________________________ 39
2.7.2. Muestra: ________________________________________________ 39
2.8. Tcnicas e instrumentos de recoleccin de datos. ___________________ 39
2.9. Mtodos de anlisis de datos: ___________________________________ 40
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CAPITULO III _____________________________________________________ 41
RESULTADOS ____________________________________________________ 41
3.1. Implementacin de la torre de enfriamiento para el turbogenerador N2 para
producir un excedente de 1.5 MW y generar en total 4MW de E.E. ___________ 42
3.2. Determinacin del flujo msico de vapor para generar 4MW en el
Turbogenerador N2. _______________________________________________ 43
3.3. Determinacin del agua de condensacin para la torre de enfriamiento: ____ 46
3.4. Capacidad de la torre de enfriamiento: ______________________________ 49
3.5. Rendimiento energtico del turbogenerador en operacin actual. _________ 50
3.6. Rendimiento energtico del turbogenerador en operacin de mejora. ______ 50
3.5. Disear el sistema de distribucin del agua de condensacin de la torre de
enfriamiento al condensador y viceversa: _______________________________ 51
3.6. Dimensionamiento y seleccin de la torre de enfriamiento _______________ 83
3.7. Anlisis econmico del proyecto: __________________________________ 95
3.8. Anlisis Financiero: _____________________________________________ 99
CAPITULO IV ____________________________________________________ 101
DISCUSIN _____________________________________________________ 101
CAPITULO V ____________________________________________________ 103
CONCLUSIONES _________________________________________________ 103
CAPITULO VI ____________________________________________________ 106
RECOMENDACIONES ____________________________________________ 106
CAPITULO VII ___________________________________________________ 108
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ___________________________________ 108
CAPITULO VIII ___________________________________________________ 110
ANEXOS _______________________________________________________ 110
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OPERACIN DEL TURBOGENERADOR N2,
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RESUMEN
El presente trabajo de tesis se trat sobre el anlisis y mejora del rendimiento de
operacin del turbogenerador N2, con la implementacin de una torre de
enfriamiento para generar un excedente de 1.5 MW de Energa Elctrica y venderla
a la red nacional, en la planta Caa Brava del departamento de Piura.
Se mejor la operacin del turbogenerador N2, aumentando el flujo msico de
vapor de 2.744 kg/seg a 4.39 kg/seg para obtener un excedente de 1.5 MW de
energa elctrica. (Lmite mximo de energa elctrica que comprara Osinergmin a
la empresa.)
Primeramente, se obtuvieron datos actuales de operacin de la turbina de
condensacin pura en operacin, presin de vapor sobrecalentado 60bar,
temperatura de sobrecalentamiento 420C, temperatura del vapor de escape de
0.4bar y potencia actual de 2.5MW de energa elctrica. Tambin se obtuvieron los
requisitos del agua caliente y fra de condensacin siendo 45C y 30C
respectivamente.
Despus de haber obtenido los datos de operacin se calcul el flujo volumtrico de
agua de condensacin para la torre de enfriamiento siendo 140 Lt/s, luego se
procedi a seleccionar la torre de enfriamiento con capacidad nominal de 2378.4
Ton-Torre de modelo: Sicrea Coolpack SR4512X2/OU-12C-70.34, con rendimiento
energtico de 71.4%.
Con la aplicacin de la ingeniera se calcul en este proyecto los siguientes puntos:
- Dimensionamiento y seleccin de la Bomba Motor del agua de condensacin y
todos los accesorios que involucra.
- Diseo del sistema de distribucion de agua de condensacion para la torre de
enfriamiento.
- Analisis economico se tubo una Inversion de 1631120.00 N.S/ao = 582542.9
$/ao, Beneficio de 1536283.00 N.S/ao = 548672.5 $/ao y PRI (Periodo Retorno
de Inversion) de 12 meses.
- Haciendo el Analisis financiero VAN (Valor Actula Neto) el resultado es de
2787496 $ y TIR (Tasa Interna Retorno) de 94% lo cual hace al proyecto factible.
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ABSTRACT
This thesis attempts to analyze and improve the performance of operation turbo
generator No. 2, with the implementation of a cooling tower to generate a surplus of
1.5 MW of EE and sell to the national grid, in Cana Brava plant department Piura.
First, current operational data of pure condensing turbine operation 60bar pressure
superheated steam, overheating temperature of 420 C, temperature of the exhaust
steam of 0.4bar and 2.5MW power current electric energy is obtained. The
requirements of hot and cold water condensation being 45 C and 30 C
respectively were also obtained.
After obtaining the operation data the volumetric flow of condensate for cooling
tower being 140 Lt / s was calculated, then proceeded to select the cooling tower
rated at 2378.4 Ton- tower model Sicrea Coolpack SR4512X2/OU-12C-70.34 with
energy efficiency of 71.4 %.
With the application of engineering the following points are calculated in this project:
- Sizing and selection of the Pump - Motor condensate.
- Design of distribution system water condensation.
- Economic analysis: Investment, profit and PRI
- Financial Analysis: VAN and TIR
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CAPITULO I
INTRODUCCIN
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CONDENSACIN PARA MEJORAR LA
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En la Tesis para optar el grado de Ingeniero Mecnico en la Universidad de
San Carlos de Guatemala : Anlisis termodinmico y propuesta de mejora de
eficiencia de torre de enfriamiento, en el rea de cogeneracin, Ingenio
Tulul(Carias, Alex; 2010), investigacin llevado a cabo por medio del programa
de EPS en el Ingenio Tulul, trata sobre el estudio y anlisis termodinmico de las
condiciones de trabajo actuales de la torre de enfriamiento, para luego poder
presentar una propuesta de mejora de eficiencia, la cual se encuentra ubicada en el
rea de cogeneracin, dicha empresa se dedica a la produccin de azcar para
exportacin y produccin de electricidad para consumo interno y venta al Mercado
Mayorista.
Debido a que en un principio se dise la torre para un consumo de potencia, y
produccin de vapor, el ingenio al entrar en una fase de expansin el equipo actual
de la torre se vio afectado, con una mayor demanda, demanda que no puede
cumplir es por ello, que se tiene la necesidad de mejorar la eficiencia de la torre, por
medio de un equipo auxiliar, equipo con el cual la empresa ya cuenta solo debe ser
adecuado para la instalacin actual.
Posteriormente se encuentra la propuesta de mejora de eficiencia, la cual se basa
en la instalacin de una torre auxiliar, que se unir a la red de enfriamiento de los
condensadores utilizados en dicha rea. Se detalla las caractersticas y diseo de la
torre auxiliar al igual que la propuesta de instalacin para mejoramiento de la
eficiencia de operacin de la torre de enfriamiento actual, abarcando instalaciones,
equipos.
Conclusiones:
Conforme el vapor se condensa, ocurre una sbita reduccin de volumen creando
un vaco de 26 pulgadas de Hg, que aumenta en un 5 % la condensacin se
beneficia en generar 541366 kWh la produccin de energa elctrica.
La torre de enfriamiento W400 que actualmente trabaja es insuficiente para enfriar
el agua que utiliza el condensador del rea de Cogeneracin, ya que el caudal para
el cual fue diseada era de 16,000 gpm se tiene un exceso de 3,600 gpm,
actualmente circula un caudal de 19,600 gpm con base en el anlisis
termodinmico efectuado.
Al utilizar la torre de enfriamiento NC8305 dentro de la red de enfriamiento actual,
la temperatura del agua se reducira de 106 F a 101 F.
Al utilizar la torre de enfriamiento NC8305 dentro de la red de enfriamiento, la
temperatura del vapor dentro del condensador se reducira de 130 F a 125 F
La razn de libras de vapor consumidas por kilovatio generado disminuye con la
operacin de la torre de enfriamiento NC8305 operando dentro del proceso, de un
valor estimado de 14.19 libras de vapor/kW a 14.06 libras de Vapor/kW que sugiere
un aumento en la eficiencia del ciclo.
El tiempo de recuperacin de la inversin en el proyecto de montaje e instalacin de
la torre NC8305 se establece en 5 meses de trabajo.
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CONDENSACIN PARA MEJORAR LA
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En la Tesis para optar el grado de Ingeniero Mecnico en la Universidad de
San Carlos de Guatemala: Clculo y diseo elctrico de una cocina industrial
y estudio de transferencia de calor en una torre de enfriamiento y su
influencia en la eficiencia del ciclo Rankine, en el Ingenio azucarero Santa
Ana(Oropin, Leo; 2006 ), s elabor el clculo y el diseo elctrico para el
montaje de una cocina industrial, en la cual se preparan los alimentos para los
cortadores de caa en poca de zafra; para este diseo se aplicaron las normas
internacionales correspondientes a las instalaciones del tipo industrial, ya que por la
capacidad instalada de la misma, se clasifica dentro de las de este tipo.
El primer paso fue realizar un estudio de las necesidades de iluminacin, con lo
cual se puede disear un correcto sistema de alumbrado para el rea de trabajo.
Luego se hizo el diseo de los circuitos que van a comprender el sistema y se
calcul para ellos el calibre del conductor y el interruptor termo magntico
adecuado.
En funcin de la capacidad del sistema se calcul los elementos de proteccin
general y la capacidad de la subestacin elctrica necesaria para alimentar la
instalacin elctrica. Por ltimo, se realiz una gua de mantenimiento preventivo
para la instalacin que abarca las acciones principales a seguir para mantener una
correcta operacin de los equipos dentro de la cocina.
Con el objetivo de mejorar la eficiencia en la operacin del turbogenerador de 25
MW de la planta de cogeneracin del ingenio, se adquiri una torre de enfriamiento
para el condensador dentro del ciclo de vapor. Para encontrar la eficiencia de este
sistema se hizo un estudio del mismo para comprender su funcionamiento, se tom
las mediciones necesarias dentro de un ciclo de operacin del mismo, y luego se
realiz el procedimiento necesario para el anlisis del sistema de vapor.
Con esta prueba se obtuvo informacin importante acerca del comportamiento del
sistema y de la influencia que tuvo la torre de enfriamiento dentro del mismo.
Conclusiones:
El diseo de la instalacin elctrica para la cocina industrial cumple con las
necesidades de seguridad, orden y limpieza que se trabajan dentro de la empresa,
de esta manera se puede asegurar que el sistema es confiable, seguro para el
personal que labora en el lugar, flexible para las ampliaciones y accesible para el
mantenimiento.
Los clculos realizados se hicieron siguiendo las recomendaciones hechas por las
normas correspondientes a este tipo de instalaciones elctricas, lo que permiti
hacer una correcta seleccin de los dispositivos de proteccin y conductores
elctricos que se instalaron, para que trabajen correctamente y se pueda prolongar
la vida de la instalacin.
El mantenimiento elctrico para las instalaciones de la cocina industrial incluye los
aspectos necesarios para que se mantenga el buen funcionamiento de los equipos
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y se pueda prolongar el tiempo de vida til de los mismos y en general de todos los
elementos que conforman la instalacin elctrica.
Con base en el anlisis termodinmico efectuado sobre el ciclo regenerativo de la
unidad de 25 MW, se pudo determinar que el rendimiento trmico del ciclo es del
53%, valor por encima del publicado por la CONAE (52%), lo que indica que
generacin de energa elctrica. el sistema convierte correctamente la energa del
vapor en energa mecnica para la generacin de energa elctrica.
La razn de libras de vapor consumidas por kilovatio generado disminuye con la
operacin de la torre de enfriamiento operando dentro del proceso, de un valor
estimado de 10.8 a 9.88, que sugieres un aumento en la eficiencia del ciclo
comparada con la operacin anterior, donde se utilizaba agua de enfriamiento
proveniente del ro Guacalate para la recirculacin dentro del condensador.
La correcta operacin de la torre de enfriamiento genera grandes beneficios al
proceso, como lo es un menor consumo de combustible en la caldera, una mejor
operacin del condensador y de la turbina, y un mayor aprovechamiento del vapor
generado, que se traduce en el aumento del rendimiento trmico del ciclo.
La torre de enfriamiento transfiere al ambiente el calor que extrae del agua de
recirculacin en el condensador, y enva de regreso agua fra a una temperatura
constante. Esto permite que la condensacin del vapor se realice a la misma
temperatura y se mantenga constante el valor de 27 Hg de presin de vaco en el
condensador.
En la Tesis para optar el grado de Ingeniero Mecnico en la Universidad de
San Carlos de Guatemala: Operacin y mantenimiento de la torre de
enfriamiento del ingenio Santa Ana (Axpuac, Melvin; 2008), Este trabajo fue
realizado a travs del programa EPS en el Ingenio Santa Ana, con el objetivo de
poner en prctica los conocimientos adquiridos en la carrera de ingeniera
mecnica.
Hace algunos aos, el Ingenio Santa Ana utilizaba directamente para sus procesos,
agua proveniente del ro Guacalate, en ese entonces utilizaba una serie de filtros de
arena y coladores para poder limpiar el agua que se extraa de dicho ro, no
obstante, no se lograba el objetivo con totalidad.
La suciedad que presentaba el agua, era reflejada en la obstruccin de la tubera
que la transportaba hacia los equipos que lo requeran para su funcionamiento,
principalmente en el condensador de un turbo que genera actualmente 25 MW.
Este equipo funciona con un sistema que condensa el vapor que ya fue utilizado en
el turbo, generando un vaco que es necesario para su buen funcionamiento.
Esta condensacin se logra al hacer pasar agua fra por un serpentn que hace
contacto directo con el vapor utilizado. Por esta razn, es de mucha importancia
tener limpio este serpentn.
Con el anterior sistema de suministro de agua, provocaba la obstruccin de este
serpentn y era necesaria la limpieza de ste cada semana.
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Para un mejor funcionamiento de este condensador, se necesitaba un flujo
constante de agua sin suciedad, esto se lograba mediante una torre de
enfriamiento, el cual hace circular agua limpia a travs del sistema del turbo
condensador.
Al ver todo este tipo de problemas que generaba un flujo no constante y adems
contaminado, se requiri una torre de enfriamiento.
Con este nuevo sistema, tambin fue necesario disear un plan de mantenimiento
preventivo para mantener en ptimas condiciones los equipos que lo componen.
Conclusiones:
La torre de enfriamiento transfiere al ambiente el calor que extrae del agua que re-
circula en el condensador, y enva de regreso agua fra a una temperatura
constante. Esto permite que la condensacin del vapor se realice a la misma
temperatura, y se mantenga constante el valor de 27 Hg de presin de vaco en el
condensador; al mejorar la condensacin de vapor en el condensador, se beneficia
grandemente la produccin de energa elctrica.
La correcta operacin de la torre de enfriamiento genera grandes beneficios al
proceso, como es un menor consumo de combustible en la caldera, una mejor
operacin del condensador y de la turbina, y un mayor aprovechamiento del vapor
generado, que se traduce en el aumento del rendimiento trmico del ciclo.
Al proporcionar manuales y datos tcnicos se asegura el correcto desempeo del
personal que efecta el mantenimiento de cada componente.
Con base en el anlisis termodinmico efectuado sobre el ciclo regenerativo de la
unidad de 25 MW, se pudo determinar que el rendimiento trmico del ciclo es del
52%, valor similar a lo publicado por la CONAE (52%), lo que indica que el sistema
convierte correctamente la energa del vapor en energa mecnica para la
generacin de energa elctrica.
La razn de libras de vapor consumidas por kilovatio generado disminuye con la
operacin de la torre de enfriamiento operando dentro del proceso, de un valor
estimado de 10.8 a 9.88, que sugiere un aumento en la eficiencia del ciclo
comparada con la operacin anterior, donde se utilizaba agua de enfriamiento
proveniente del ro Guacalate para la re-circulacin dentro del condensador.
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Esta investigacin se justifica de acuerdo a lo siguiente:
Relevancia tecnolgica:
Se implement un equipo Torre de enfriamiento que ayudo a optimizar la
eficiencia del turbogenerador N2 en la generacin de energa elctrica.
Relevancia institucional:
Presentar a la Universidad Cesar Vallejo, como una institucin que apoya las
diferentes investigaciones de energa trmica, como determinar la factibilidad
tcnica econmica de la instalacin de una torre de enfriamiento en la planta
industrial Caa Brava Piura.
Relevancia Econmica:
La instalacin de la torre de enfriamiento permitir un ahorro econmico debido a la
mejora del rendimiento del turbogenerador N2, y producir ms energa elctrica.
Relevancia Social:
El presente trabajo de tesis es la solucin para mejorar los rendimientos de
turbogeneradores con la implementacin de torres de enfriamientos para las
empresas por lo general ingenios azucareros y puestos de trabajos.
Relevancia ambiental:
La aplicacin de este proyecto reduce el consumo de agua y el cuidado del medio
ambiente, utilizando agua reciclada mediante la reutilizacin de esta.
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- Torre de enfriamiento:
En los sistemas de climatizacin modernos y en ciertos procesos industriales, se
generan grandes cantidades de calor que hay que disipar al ambiente, haciendo
necesario el empleo de agua para la refrigeracin del sistema. Sin embargo, se
tendran grandes prdidas al desechar el agua caliente.
Una alternativa que permite ahorrar agua y reducir los costos econmicos consiste
en enfriar el agua mediante una torre de enfriamiento y devolverla de nuevo al
circuito. Las torres de enfriamiento son por lo tanto dispositivos que se usan para
enfriar agua en grandes volmenes, extrayendo el calor del agua mediante
evaporacin o conduccin. El proceso es econmico comparado con otros equipos
de enfriamiento como los cambiadores de calor donde el enfriamiento es a travs
de una pared.
El agua se introduce por el domo de la torre por medio de vertederos o por boquillas
para distribuir el agua en mayor superficie posible. El enfriamiento ocurre cuando el
agua, al caer a travs de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de
aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado, con una temperatura menor a la
temperatura del agua, en estas condiciones el agua se enfra por transferencia de
masa (evaporacin) originando que la temperatura del aire y su humedad aumenten
y la temperatura del agua descienda, la temperatura lmite de enfriamiento del agua
es la temperatura del aire a la entrada de la torre. Parte del agua que se evapora,
causa la emisin de ms calor, por eso se puede observar vapor de agua encima
de la torre de enfriamiento, la cantidad de masa de agua que se evapora se tiene
que reponer con agua fra de reposicin (make up).
Para crear un flujo hacia arriba, algunas torres de enfriamiento contienen aspas en
la parte superior, las cuales son similares a las de un ventilador, estas aspas
generan un flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de
enfriamiento. Adems, para conseguir una mayor eficiencia en estos aparatos se
coloca interior un empaque con el propsito de aumentar la superficie de contacto
entre el agua caliente y el aire que enfra.
Como se mencion, el enfriamiento de agua en una torre tiene su fundamento en el
fenmeno de evaporacin, la evaporacin es el paso de un lquido a estado de
vapor y solo se realiza en la superficie libre de un lquido, un ejemplo es la
evaporacin del agua de los mares.
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Las industrias utilizan agua de enfriamiento para varios procesos. Como resultado,
existen distintos tipos de torres de enfriamiento, las cuales mencionaremos a
continuacin:
Clasificacin:
En la actualidad se emplean dos tipos de torres; el de tiro natural y el de tiro
mecnico, el cual se divide en torres de tiro forzado y de tiro inducido,
subdividindose este ltimo en flujo a contracorriente y flujo cruzado.
El siguiente estudio est realizado para una torre de enfriamiento de tiro inducido y
de tipo contracorriente, la cual se utiliza para la unidad de condensacin del
turbogenerador N2.
a) Torres de tiro natural:
Estas torres son esencialmente apropiadas para cantidades muy grandes de
enfriamiento y las estructuras de concreto reforzado que se acostumbra a usar,
llegan a tener dimetros de hasta 25 pies (7.62 m) y alturas de 340 pies (103.7m).
La conveniencia de diseo obtenida gracias al flujo constante del aire de las torres
de tiro mecnico no se logra en un diseo de torre de tiro natural. El flujo de aire a
travs de la torre de tiro natural se debe en su mayor parte a la diferencia de
densidad entre el aire fresco de la entrada y el aire tibio de la salida.
El aire expulsado por la columna es ms ligero que el del ambiente y el tiro se crea
por el efecto de chimenea, eliminando con ello la necesidad de ventiladores
mecnicos. Las torres de tiro natural operan comnmente a diferencia de presin
de aire en la regin de 0.2 pulgas de manmetro de agua, cuando se someten a
una carga plena. La velocidad media del aire por encima del relleno de torre es, por
lo comn de 4 a 6 pies/s (1.83 m/s).
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En la figura 1.1. Se muestra torres de enfriamiento en tiro natural.
Figura 1.1. Torres de enfriamiento de tiro natural.
Fuente: http://mantenimientoindustrial.wikispaces.com
b) Torres de tiro mecnico:
En este tipo de torres a diferencia de los de tiro natural, se requiere una serie de
componentes, los cuales son necesarios para forzar el flujo de aire entrar al interior
de la misma.
El agua caliente que llega a la torre puede distribuirse por boquillas aspersoras o
compartimientos que dejan pasar hacia abajo el flujo de agua, a travs de unos
orificios.
El aire usado para enfriar el agua caliente es extrado de la torre, en cualquiera de
las dos formas siguientes:
b.1) Tiro mecnico inducido:
En esta tipo de torres de enfriamiento, el aire es inducido por uno o ms
ventiladores situados en la parte superior de la torre.
Los ventiladores son movidos por sistemas mecnicos que generalmente incluyen
reductores, ejes de transmisin y motor elctrico.
Este tipo de torres a su vez pueden ser de flujo a contracorriente o de flujo cruzado.
b.1.1). Torre de flujo cruzado:
En las torres de flujo cruzado, el aire circula en direccin perpendicular respecto al
agua que desciende (figura 1.2). Estas torres tienen una altura menor que las torres
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de flujo a contracorriente, ya que la altura total de la torre es prcticamente igual a
la del relleno.
El mantenimiento de estas torres es menos complicado que en el caso de las torres
a contracorriente, debido a la facilidad con la que se pueden inspeccionar los
distintos componentes internos de la torre. La principal desventaja de estas torres
es que no son recomendables para aquellos casos en los que se requiera un gran
salto trmico y un valor de acercamiento pequeo, puesto que ello significar ms
superficie transversal y ms potencia de ventilacin, que en el caso de una torre de
flujo a contracorriente.
Figura 1.2. Torre de enfriamiento en flujo cruzado
Fuente: http://www.empresaeficiente.com
b.1.2). Torres de flujo a contracorriente
El flujo a contracorriente significa que el aire se mueve verticalmente, a travs del
relleno, de manera que los flujos de agua y de aire tienen la misma direccin pero
sentido opuesto (Figura 1.3). La ventaja que tiene este tipo de torres es que el agua
ms fra se pone en contacto con el aire ms seco, logrndose un mximo
rendimiento. En stas, el aire puede entrar a travs de una o ms paredes de la
torre, con lo cual se consigue reducir en gran medida la altura de la entrada de aire.
Adems, la elevada velocidad con la que entra el aire hace que exista el riesgo de
arrastre de suciedad y cuerpos extraos dentro de la torre. La resistencia del aire
que asciende contra el agua que cae se traduce en una gran prdida de presin
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esttica y en un aumento de la potencia de ventilacin en comparacin con las
torres de flujo cruzado.
Figura 1.3. Torre de enfriamiento en flujo a contracorriente
Fuente: http://www.quiminet.com/articulos/sistemas-de-enfriamiento-del-agua-
2560810.htm
b.2) Torres de tiro forzado:
Al igual que las torres de Tiro inducido estas se caracterizan por tener los
ventiladores a la entrada de la torre con la finalidad de forzar el aire, para ser
evacuado, tal como se muestra en la figura 1.4.
Figura 1.4. Torre de enfriamiento de tiro forzado en contracorriente
Fuente: http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/torres-de-
refrigeracion
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Componentes principales de una torre de enfriamiento:
Los componentes de una torre de enfriamiento varan dependiendo del modelo de
esta, de forma general, en la figura 1.5, se mostrara los principales componentes
que la constituyen los cuales, posteriormente, sern detallados para su mayor
comprensin.
Figura 1.5. Partes de una torre de enfriamiento.
Fuente: Elaboracion propia.
Trmicos
Hidrulicos
Estructurales
Lnea de lubricacin
Motor elctrico
Reductor
Eje transmisin Mecnicos
Soporte de equipos
mecnicos
Estructura
Cerramientos
Pantallas dispersoras
de flujo
Virola
Sistema de distribucin
de agua
Pulverizadores
Separadores de gota
Balsa de agua fra
Relleno
Ventilador
Partes de una
torre de
enfriamiento
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a). Estructurales:
a.1). Estructura:
Es el elemento principal desde el punto de vista del comportamiento mecnico o
resistencia de la misma. Es el soporte del conjunto de la torre de refrigeracin que
contiene al resto de los componentes.
Existen numerosas modalidades, formas y diseos pero normalmente la eleccin de
un sistema u otro se hace a travs de la eleccin del material a emplear en ella, la
cual se realiza mediante el estudio de las necesidades estructurales que debemos
solventar.
Los materiales ms usados son: madera, hormign armado, plstico y metal.
En la figura 1.6. Se muestra una torre de enfriamiento de metal, que por lo general
son las ms usadas.
Figura 1.6. Estructura de metal
Fuente: Diseo de sistema de refrigeracin en ciclo cerrado- tesis.
a.2). Cerramientos:
Los cerramientos se forman por un conjunto de paredes o tabiques cuya funcin es
la de recubrir y proteger el conjunto de la estructura y todos los equipos y
elementos asociados que haya en el interior de la torre de enfriamiento.
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Debe ser completamente estanco para evitar que por alguna grieta o fisura se
pueda filtrar el agua que cae por el interior. Por tanto, tambin debe contar con
buenas propiedades mecnicas, evitando la posibilidad de grietas o roturas que
perjudiquen la proteccin del sistema.
Por otra parte deben utilizarse materiales completamente opacos, evitando as la
posibilidad de formacin de microorganismos dentro de la torre por la penetracin
de rayos solares al interior. Es un ambiente muy propicio para la formacin de
stos, pues es un ambiente muy hmedo y aireado. Los materiales usados para los
cerramientos son los mismos que en la estructura.
Figura 1.7. Estructura de cerramientos
Fuente: Diseo de sistema de refrigeracin en ciclo cerrado- tesis.
a.3). Pantallas divisoras de flujo:
Se utilizan para independizar las diferentes zonas de operacin de la torre., como
los tabiques que encontramos entre celda y celda, o para evitar turbulencias en las
partes en que confluyen dos flujos de aire, como los cortavientos.
En las torres con flujo en contracorriente con entradas de aire opuestas, se sitan
estos cortavientos en este caso en el eje longitudinal de la torre hasta una altura
equivalente a la entrada de aire.
a.4) Virola o chimenea:
La virola o chimenea es el elemento utilizado en las torres de refrigeracin de tipo
inducido para proporcionar al ventilador una cmara protectora del aire exterior, de
manera que aumente su efectividad puesto que eliminan las turbulencias que se
producen en la garganta de salida y en la zona de giro del ventilador, ayudando a la
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evacuacin del aire hmedo favoreciendo su dispersin. Tambin disminuyen la
presin esttica que se ha de vencer en el movimiento del aire y reducen el riesgo
de recirculacin.
Existen varios tipos de perfiles, en todos ellos se tienen en cuenta los principios
aerodinmicos para eliminar las posibles turbulencias. Los ms usados son los
siguientes:
Figura 1.8. Tipos de virolas
Fuente: Diseo de sistema de refrigeracin en ciclo cerrado- tesis.
Para aumentar la velocidad de salida en la virola, se utilizan virolas con difusor, este
hecho es beneficioso porque adems de reducir el riesgo de recirculacin (cuanto
ms rpido dispersemos el aire hmedo proveniente de la torre menos
posibilidades de recirculacin habr), se reduce sensiblemente el consumo de
energa, pues estamos produciendo un estrangulamiento de la corriente, la cual
aumenta su velocidad de salida y adquiriendo mayor energa cintica.
Figura 1.8. Virola con difusor
Fuente: Diseo de sistema de refrigeracin en ciclo cerrado- tesis
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b) Elementos hidrulicos:
b.1). Sistema de distribucin de agua:
Como su propio nombre indica es el sistema a travs del cual el agua se distribuye
por el interior de la torre. Este sistema deber estar protegido de la radiacin solar
para evitar la proliferacin de microorganismos que empeoren la calidad del agua.
Existen dos mtodos principales:
Por gravedad.
Por presin.
b.1.1). Por gravedad:
Utilizada mayormente en torres de flujo cruzado debido a la dificultad que se
presenta en el diseo y ajuste de la distribucin de agua en las torres de flujo a
contracorriente; se interfiere con el flujo de aire y es complicado mantener su
ubicacin interna.
Su principal ventaja es su bajo coste de operacin, esto es as por la necesidad de
poca altura de bombeo y por la facilidad del mantenimiento de las balsas abiertas.
Figura 17. Cada por gravedad
Figura 1.9. Sistema de distribucin de agua por gravedad.
Fuente: Diseo de sistema de refrigeracin en ciclo cerrado- tesis.
b.1.2) Por presin:
Se utiliza en las torres con flujo a contracorriente. Este mtodo de distribucin de
agua est equipado con sistemas de pulverizacin a presin dirigidos hacia abajo.
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El principal problema asociado es la dificultad de limpieza de los ramales y
distribuidores, pues ir a la presin, acumularan mucha suciedad. Tambin es
complicado el igualar el caudal para las diferentes celdas porque se utilizan
presiones bajas, conseguir esta igualdad de caudales es imprescindible para el
buen funcionamiento de la torre de enfriamiento.
Figura 1.10. Sistema de distribucin de agua por gravedad.
Fuente: Diseo de sistema de refrigeracin en ciclo cerrado- tesis.
En la figura 1.10, podemos ver un sistema de distribucin de agua a presin con
sus principales elementos, que son el colector principal (la tubera ms grande) por
ella llega el agua proveniente de la bomba y se reparte por igual entre las distintas
tuberas de distribucin (tuberas ms pequeas) y finalmente el agua desciende a
travs de los dispersores.
b.2). Pulverizadores:
Estos elementos forman parte del sistema de distribucin de agua. Su misin es la
de dividir la corriente de agua hasta conseguir un tamao lo ms pequeo posible
compatible con el arrastre del aire. La finalidad de esta divisin es la de aumentar la
superficie de contacto entre aire agua, favoreciendo la transmisin de calor. Una
vez divide el agua, esta cae al relleno.
La mayor ventaja de la utilizacin de dispersores a presin frente a la salpicadura
es el mayor fraccionamiento de gotas, aumentando la capacidad de transferencia
de calor de la torre de enfriamiento.
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Figura 1.11. Dispersores
Fuente: Diseo de sistema de refrigeracin en ciclo cerrado- tesis.
Existe una distancia de separacin entre los pulverizadores y el relleno para la
correcta dispersin y homogenizacin del reparto de agua. Esta zona, mostrada en
la imagen inferior (Figura 1.12), se llama zona de dispersin o zona de spray y
normalmente tiene una distancia de 0,8 a 1m de longitud.
Figura 1.12. Zona de dispersores.
Fuente: Diseo de sistema de refrigeracin en ciclo cerrado- tesis.
b.3) Separador de gotas:
La misin de los separadores de gotas es evitar al mximo posible el arrastre de
agua por parte del aire una vez que el agua se ha fraccionado en pequeas gotas
por la accin de los dispersores.
Bsicamente funcionan forzando al aire a un cambio brusco de direccin, en el que
la fuerza centrfuga resultante separa por su mayor inercia a las gotas de agua de
corriente de aire, las cuales se depositan sobre las ondas que forman el eliminador.
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Gracias a los dispersores se consigue la homogeneizacin del flujo de aire a la
salida del relleno ya que los separadores ejercen una presin que acta como
amortiguador entre el relleno y el ventilador.
Figura 1.13. Separador de gotas.
Fuente: Diseo de sistema de refrigeracin en ciclo cerrado- tesis.
b.4). Balsa de agua fra:
Es el recipiente a donde va a parar el agua proveniente del relleno una vez se ha
producido la transferencia de calor y est enfriada. Normalmente estn construidas
con hormign armado favoreciendo la accesibilidad para el mantenimiento y
limpieza.
Cuentan con los sistemas de admisin del agua de reposicin, sistema de
evacuacin del agua de purga y diferentes sensores como por ejemplo de nivel
(para evitar que pueda rebosar) o temperatura (para verificar la correcta
refrigeracin del agua).
c). Elementos trmicos:
c.1). Relleno:
Es uno de los elementos ms importantes en el funcionamiento del conjunto de la
torre de enfriamiento. En l es donde se produce el intercambiador de calor, su
misin es la de favorecerlo. Para ello debe proporcionar una superficie de contacto
lo ms grande posible entre el agua que cae y el aire que asciende y retardar el
tiempo de cada, para que dicho intercambio tenga una mayor duracin en el
tiempo.
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Relleno de tipo salpicadura:
En este tipo de relleno la distribucin del agua se realiza dividiendo el agua en
pequeas gotas. La superficie de stas constituir el rea de intercambio de calor.
Esta divisin se realiza mediante la cada del agua caliente por una serie de pisos
de listones o rejillas superpuestos entre s, dividindose ms a medida que ms
desciende.
La forma ms caracterstica de estos rellenos la constituyen las parrillas a base de
listones de seccin rectangular o triangular, con dimensiones que oscilan entre 1.5
y 1.8 m de largo por 0.9 m de ancho, colocadas en pisos consecutivos distanciados
unos 60 cm. Aunque funcionalmente el fabricante los distribuye en bloques de unas
medidas limitadas y la decisin estriba en el nmero que ms se acerca a nuestros
parmetros ideales.
Figura 1.14. Relleno tipo salpicadura.
Fuente: Diseo de sistema de refrigeracin en ciclo cerrado- tesis.
d). Elementos mecnicos:
d.1) Ventilador:
Es el elemento que proporciona energa al aire para su impulsin de la torre, han de
mover grandes volmenes de aire con una contrapresin esttica pequea.
Normalmente se usan ventiladores axiales, pues en estos ventiladores, el aire
mantiene la direccin del eje antes y despus de su paso por el ventilador y son
apropiados para grandes cantidades de aire.
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Son relativamente baratos y pueden ser utilizados para torres de cualquier tamao.
Con virolas correctamente diseadas, los ventiladores axiales operan con
eficiencias que alcanzan hasta el 90%.
La velocidad lineal del aspa est limitada por la resistencia mecnica del material
del que estn formadas las palas y, principalmente, por la vibracin que origina y el
nivel acstico que se produce con el movimiento de la rotacin, estando definida
para cada tipo de ventilador, para una instalacin industrial sin limitaciones estrictas
sobre niveles de ruido, llegan a los 60 m/s. Tambin deben ser ligeros, puesto que
as menos nos costar moverlos. Por esto los materiales ms empleados son el
plstico y el aluminio.
En la figura 1.15, se muestra un ventilador de tiro Inducido.
Figura 1.15. Ventilador de tiro inducido.
Fuente: Diseo de sistema de refrigeracin en ciclo cerrado- tesis
d.2). Eje:
Transmite el giro desde el motor elctrico hasta el reductor, pueden ser ejes con
acoplamientos flexibles, que son los ms comunes puesto que las desviaciones
axiales entre el motor y el reductor son muy pequeas. Segn se muestra en la
figura 1.15.
d.3). Reductor:
Es el elemento que se encarga de reducir la velocidad de giro del ventilador con
respecto a la del motor elctrico. Desde el punto de vista operativo es el elemento
ms delicado del sistema, por lo que deber ser resistente con muy poco
mantenimiento y una vida til muy larga, puesto que para cualquier tipo de accin
no rutinaria deber pararse la celda correspondiente.
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Figura 1.16. Reductor de velocidad.
Fuente: Diseo de sistema de refrigeracin en ciclo cerrado- tesis
d.4) Lneas de lubricacin:
Todas las tuberas de lubricacin y venteo estarn tiradas desde el reductor a
travs de la virola hasta la plataforma, de modo que el servicio de inspeccin y
llenado se pueda hacer desde el exterior de la torre.
Figura 1.17. Lubricacin.
Fuente: Diseo de sistema de refrigeracin en ciclo cerrado- tesis.
d.5). Soporte del equipo mecnico
Para alinear adecuadamente el reductor y el motor se suministra un bastidor
metlico nico para cada grupo mecnico.
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Figura 1.18. Soportes de equipos mecnicos.
Fuente: Diseo de sistema de refrigeracin en ciclo cerrado- tesis.
- Balance de masa y energa en una torre de enfriamiento.
Considerando las siguientes hiptesis:
Variacin de energa de presiones despreciable.
Variacin de alturas geodsicas despreciables.
Variacin de energa cintica despreciable.
Proceso adiabtico en la torre.
Flujo msico de aire seco:
Dnde:
: Entalpia de agua caliente
: Entalpia de agua fra
: Calidad del aire fro
: Entalpia del aire frio
: Calidad del aire caliente
: Entalpia del aire caliente
: Entalpia de agua de reposicin
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El flujo msico de agua de reposicin seria:
Dnde:
: Flujo msico de agua de reposicin.
- Seleccin de una bomba hidrulica
Una bomba hidrulica es una mquina generadora que transforma la energa
(generalmente energa mecnica) con la que es accionada en energa hidrulica del
fluido incompresible que mueve.
Si se tiene el flujo volumtrico o caudal y la altura energtica se puede determinar la
potencia de accionamiento de la bomba, es decir:
Dnde:
: Potencia consumida por la bomba
: Aceleracin de la gravedad [
]
: Caudal de circulacin de agua [
]
: Altura energtica
: Rendimiento total de la bomba
- Principios bsicos para la seleccin de las bombas:
a.) Bombas centrfugas, muy extendidas, cuentan con una gran variedad de
aplicaciones. Estn especialmente indicadas para el manejo de productos de baja
viscosidad, no siendo aptas para lquidos fuertemente aireados. Este tipo de bomba
es el que se debe utilizar siempre que la aplicacin concreta lo permita, ya que es la
ms barata en cuanto a cmo operacin y mantenimiento, y tambin la ms
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adaptable a diferentes condiciones de operacin. Se recurrir a ella para el bombeo
de todo tipo de lquidos de relativamente baja viscosidad y que no requieran un
tratamiento particularmente suave.
b) Carga neta positiva de aspiracin:
Se representa por las siglas NPSH (de la expresin inglesa "Net Positive Suction
Head") y es necesario diferenciar entre dos conceptos: la NPSH requerida (NPSHr)
y la NPSH disponible (NPSH). La primera depende del diseo de la bomba y
representa la energa necesaria para llenar la parte de aspiracin de la misma y
vencer las prdidas por rozamientos y aumento de velocidad desde la conexin de
aspiracin hasta el punto donde se incrementa la energa. Es, por tanto, un valor
que depende del diseo constructivo de la bomba y que debe suministrar el
fabricante de la misma. La NPSH disponible es la diferencia entre la presin a la
entrada de la bomba y la tensin de vapor del fluido a la temperatura de
funcionamiento, medidas ambas en metros de columna de lquido. Lgicamente
siempre deber cumplirse que la (NPSH)d sea mayor o igual que la NPSHr
Para cuantificar los conceptos mencionados se aplicar la ecuacin de Energa a
las diferentes secciones que aparecen en el siguiente esquema:
Figura 1.19 zona de aspiracin y descarga de una bomba hidrulica
Fuente: Elaboracin propia.
La zona de aspiracin es la comprendida entre el tanque o reserva desde donde se
bombear el lquido y la bomba. Por su parte, el tramo situado a la salida de la
bomba es lo que se conoce como lnea o zona de impulsin. La energa que la
bomba confiere al fluido se mide en trminos de presin y es lo que se conoce
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como carga de la bomba. La unidad ms utilizada para expresar la carga de la
bomba es el metro de columna de lquido (m.c.l.). Hay que tener en cuenta que
para pasar esta unidad a bar es necesario conocer antes el lquido de que se trata.
La ecuacin de Energa (balance de energa mecnica) para la circulacin
isotrmica de un fluido incompresible de un punto "1" a otro "2", expresada en
trminos de altura (m.c.l.), es la siguiente:
Dnde:
y presiones [Pa]
y velocidades [m/s]
y altura geodsicas [m]
altura energtica de la bomba [m]
: altura de perdidas energticas [m]
Si aplicamos la ecuacin de Bernoulli entre los puntos 1 y A (zona de aspiracin),
considerando la elevacin del eje de la bomba igual a 0 (Z = 0) y que al tratarse de
un fluido incompresible y considerando una tubera de seccin constante, la
ecuacin de continuidad determina que v1= vA, de esta forma tenemos la presin
de entrada en la bomba:
Si a la expresin anterior le restamos la presin de vapor tendremos la Carga Neta
Positiva de Aspiracin Disponible (NPSH)dis.
Para evitar la cavitacin (NPSH) disponible ha de ser positiva y con un valor lo ms
alto posible.
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As cuando la bomba est en carga (Z1>0) la cavitacin es ms difcil que si se
encuentra en succin (Z1
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d.) Prdidas secundarias de carga.
Las prdidas que se dan en las transiciones de la tubera (restriccin, expansin o
cambio de direccin de la corriente de fluido), tales como codos, vlvulas,
contracciones, y en general en todos los accesorios de la tubera, se denominan
prdidas secundarias.
Dnde:
: Prdidas menores de carga [mca].
: Coeficiente de prdida de carga menores [adimensional].
: Velocidad media del fluido [m/s].
: Aceleracin de la gravedad [m/ ].
- Anlisis por pandeo:
El pandeo es un fenmeno de inestabilidad elstica que puede darse en elementos
comprimidos esbeltos, y que se manifiesta por la aparicin de desplazamientos
importantes transversales a la direccin principal de compresin.
En ingeniera estructural el fenmeno aparece principalmente en pilares y
columnas, y se traduce en la aparicin de una flexin adicional en el pilar cuando se
halla sometido a la accin de esfuerzos axiales de cierta importancia.
a). carga critica formula de Euler:
Es la mxima carga que puede soportar la viga, y se determina segn la ecuacin:
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Dnde:
: Carga critica de la viga
: Mdulo de elasticidad o Young
: Momento de inercia
: Altura de la viga
El radio de giro para una columna, se determina por la ecuacin:
Dnde:
: Radio de giro
- Valor actual neto:
El Valor actual neto cuyo acrnimo es VAN (en ingls NPV), es un procedimiento
que permite calcular el valor presente de un determinado nmero de flujos de caja
futuros, originados por una inversin. La metodologa consiste en descontar al
momento actual (es decir, actualizar mediante una tasa) todos los flujos de caja
futuros del proyecto. A este valor se le resta la inversin inicial, de tal modo que el
valor obtenido es el valor actual neto del proyecto.
Dnde:
: Valor actual neto
: Flujos de caja en cada tiempo
: Inters [%]
: Nmero de perodos considerados [aos]
: Valor del desembolso inicial de la inversin [$]
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- Tasa interna de retorno:
La tasa interna de retorno o tasa interna de rentabilidad (TIR) de una inversin, est
definida como el promedio geomtrico de los rendimientos futuros esperados de
dicha inversin, y que implica por cierto el supuesto de una oportunidad para
"reinvertir". En trminos simples en tanto, diversos autores la conceptualizan como
la tasa de inters (o la tasa de descuento) con la cual el valor actual neto o valor
presente neto (VAN o VPN) es igual a cero. El VAN o VPN es calculado a partir del
flujo de caja anual, trasladando todas las cantidades futuras al presente. Es un
indicador de la rentabilidad de un proyecto: a mayor TIR, mayor rentabilidad.
Cuando el VAN=0, pasa a llamarse tasa interna de retorno TIR, es decir:
Dnde:
: Tasa interna de retorno
: Valor actual neto
: Flujos de caja en cada tiempo
: Inters [%]
: Nmero de perodos considerados [aos]
: Valor del desembolso inicial de la inversin [$]
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INSTALACIN DE UNA TORRE DE
ENFRIAMIENTO DEL AGUA DE
CONDENSACIN PARA MEJORAR LA
OPERACIN DEL TURBOGENERADOR N2,
DE 4MW EN LA PLANTA CAA BRAVA - PIURA.
Realidad Problemtica
La empresa agroindustrial CAA BRAVA, se encuentra ubicada en el valle del ro
Chira, departamento de Piura en la costa norte peruana.
Esta planta destiladora se dedica especialmente a la produccin de etanol, producto
que se obtiene a partir del jugo de la caa de azcar que se utiliza para consumo
interno del pas y exportacin hacia Europa.
Actualmente la empresa cuenta con una caldera Acuotubular, la cual alimenta dos
lneas de trabajo las cuales usan dos turbogeneradores, el N1 produce 11MW y el
N2 produce 2.5 MW de energa elctrica.
El primer turbogenerador de la primera lnea es de cogeneracin la cual es utilizada
para los distintos procesos de la planta destiladora. El segundo turbogenerador de
la segunda lnea utiliza una turbina de condensacin pura, la cual es generadora de
energa elctrica. Y alimenta de energa elctrica al sistema de bombeo de agua,
para regar todas las hectreas sembradas de caa de la empresa. Las dos lneas
de trabajo de la empresa Caa Brava, son refrigeradas por un sistema centralizado
de torres de enfriamiento el cual cubra con la demanda de agua de la planta.
Como la empresa est en expansin o crecimiento, ha aumentado ms la demanda
de agua refrigerada por la cual fue diseado el sistema de torres de enfriamiento, y
no cubre con la suficiente agua para los dos procesos. El problema es que si la
planta industrial Caa Brava tiene una demanda mayor de su producto que es el
etanol se interrumpe con el sistema de generacin de energa que es alimentado
por el turbogenerador N 2 y no cumple con la demanda requerida para el sistema
de bombeo de la empresa. Y tambin sucede por lo contrario cuando se desea
generar ms energa elctrica, se ve afectado el sistema de produccin, y la
empresa Caa Brava tienes que estar en ese dilema.
Con la finalidad de resolver el problema descrito, se plantea desarrollar la
instalacin de una torre de enfriamiento solo para la lnea N2, as mejorar la
operacin del turbogenerador, y cogenerar 1.5 MW (Lmite mximo de energa
elctrica que comprara Osinergmin a la empresa) ms y venderla al precio
preferencial que otorga el gobierno de 60 $/Mw-h. Con esta implementacin el
turbogenerador N2 producir en total 4MW de E.E.
En la figura 1.19 se muestra la situacin actual de la empresa, donde se puede
apreciar que los turbogeneradores N1 y N2 utilizan la misma torre de enfriamiento.
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ENFRIAMIENTO DEL AGUA DE
CONDENSACIN PARA MEJORAR LA
OPERACIN DEL TURBOGENERADOR N2,
DE 4MW EN LA PLANTA CAA BRAVA - PIURA.
Figura 1.19. Estado actual de la empresa Caa Brava
En la figura 1.20 se muestra a cada turbogenerador independizado con cada torre
de enfriamiento, para lo cual el turbogenerador N1 utilizara la torre de enfriamiento
ya existente y al Turbogenerador N2 se le implementara y seleccionara una torre
de enfriamiento nueva, motivo de esta tesis.
Figura 1.20. Mejora de la empresa Caa Brava
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ENFRIAMIENTO DEL AGUA DE
CONDENSACIN PARA MEJORAR LA
OPERACIN DEL TURBOGENERADOR N2,
DE 4MW EN LA PLANTA CAA BRAVA - PIURA.
La problemtica se formula de la siguiente manera:
Es factible tcnica y econmicamente la instalacin de una torre de enfriamiento
del agua de condensacin para mejorar la operacin de turbogenerador N 2 y
generar 4MW de E.E, en la planta Caa Brava - Piura?
Se plante la Hiptesis:
Si es factible tcnica y econmicamente la instalacin de una torre de enfriamiento
del agua de condensacin y mejora la operacin del turbogenerador N2 generando
un excedente de 1.5MW para producir en total 4MW de E.E, en la planta Caa
Brava - Piura.
Objetivos:
- Objetivo General:
Determinar la factibilidad tcnica econmica de instalacin de una torre de
enfriamiento del agua de condensacin para mejorar la operacin del
turbogenerador N 2 y generar 4MW de E.E en la planta Caa Brava - Piura.
- Objetivos Especficos:
Anlisis tcnico:
Determinar el flujo msico de vapor sobrecalentado consumido por el
turbogenerador N2 para generar 4MW de E.E en bornes del generador elctrico.
Determinar el flujo msico de agua de condensacin para la torre de
enfriamiento a implementar para el turbogenerador N2.
Calcular la capacidad necesaria de la torre de enfriamiento.
Disear el sistema de distribucin del agua de condensacin de la torre de
enfriamiento al condensador y viceversa para determinar el dimetro de la tubera,
seleccin de la bomba hidrulica motor elctrico, estructuras cimientos, y
sistemas de sujecin.
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ENFRIAMIENTO DEL AGUA DE
CONDENSACIN PARA MEJORAR LA
OPERACIN DEL TURBOGENERADOR N2,
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Seleccionar y dimensionar la torre de enfriamiento para el turbogenerador N2.
Anlisis econmico:
Calcular el Beneficio con la instalacin de la torre de enfriamiento para el
turbogenerador N2.
Calcular la inversin de los activos fijos para la implementacin de la torre de
enfriamiento del turbogenerador N2.
Calcular el periodo de recuperacin de la inversin PRI.
Anlisis financiero:
Determinar el valor actual neto VAN.
Determinar la tasa interna de retorno TIR.
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CAPITULO II
MARCO METODOLGICO
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OPERACIN DEL TURBOGENERADOR N2,
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2.1. Variables.
2.1.1. Variables independientes:
Presin del vapor sobrecalentado de la caldera.
Temperatura del vapor sobrecalentado de la caldera.
Presin del vapor hmedo de escape de la turbina a condensacin pura.
Prdidas mecnicas y elctricas.
Temperatura del agua fra y caliente de la torre de enfriamiento.
2.1.2. Variables dependientes:
Excedente de potencia de generacin de E.E en el turbogenerador N2.
Flujo de agua de condensacin de la torre de enfriamiento.
Dimensionamiento y seleccin de la torre de enfriamiento.
PRI, VAN y TIR
Presin del VH
Prdidas mecnicas y
elctricas
Temperatura de agua
fra y caliente
Instalacin de
la torre de
enfriamiento
para el
turbogenerador
N2 de la planta
caa brava.
Excedente de potencia
de generacin de E.E en
el turbogenerador N2
Flujo msico de agua de
condensacin.
Dimensionamiento y
seleccin de la torre de
enfriamiento.
PRI, VAN y TIR.
Temperatura del VSC
Presin del VSC
Temperatura del aire y
humedad relativa
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2.2. Operacionalizacion de variables.
Variable Definicin conceptual
Definicin operacional
Indicadores Escala de medicin
Presin del vapor
sobrecalentado
Es el vapor que se encuentra por encima de su temperatura crtica pero por debajo de su presin crtica.
Es la presin del vapor sobrecalentado que produce el caldero.
Manmetro
Cuantitativa
Temperatura de vapor
sobrecalentado
Es el vapor que se encuentra por encima de su temperatura de saturacin.
Es la temperatura de vapor sobrecalentado que produce el caldero.
Termmetro
Cuantitativa
Presin del vapor Hmedo
Es el vapor que contiene dos fases, una vapor saturado y la otra liquido saturado.
Es el vapor de evacuacin o escape de la turbina a condensacin pura
Manmetro
Cuantitativa
Prdidas
mecnicas y elctricas
Son las perdidas por friccin o rozamiento del eje y alternador elctrico en sus bornes.
Es rendimiento mecnico del eje y rendimiento del generador.
Valores
promedios
Cuantitativa
Temperatura de
agua fra y caliente
Es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o fro
Es la temperatura salida y entrada a la torre de enfriamiento.
Termmetro
Cuantitativa
Excedente de potencia de
generacin de E.E
Es la cantidad de energa entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado.
Es el exceso de generacin de energa elctrica con la implementacin de la torre de enfriamiento.
Vatmetro
Cuantitativa
Flujo msico de
agua de condensacin.
Es la magnitud que expresa la variacin de la masa en el tiempo.
Es el flujo de agua que ingresa y sale de la torre y del condensador
Flujometro
Cuantitativa
PRI
Es el retorno operacional del proyecto.
Es la relacin entre la inversin y el beneficio.
A travs del anlisis
econmico
Cuantitativa
VAN
Permite calcular el valor presente de un determinado nmero de flujos de caja futuros
Esta variable nos da la posibilidad de aceptar o rechazar el proyecto.
A travs del
anlisis financiero
Cuantitativa
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TIR
Tasa de descuento con la que el valor actual neto es igual a cero.
Se utiliza como indicador de la rentabilidad del proyecto, a mayor TIR, mayor rentabilidad.
A travs del
anlisis financiero
Cuantitativa
Humedad relativa
Se debe al vapor de agua que se encuentra presente en la atmsfera.
Es la relacin porcentual entre la cantidad de vapor de agua real que contiene el aire y la que necesitara contener para saturarse a idntica temperatura.
Higrmetro
Cuantitativa
2.4. Metodologa.
Se us el mtodo Cuantitativo
2.5. Tipos de estudios.
Estudio aplicado descriptivo.
2.6. Diseo de investigacin:
No experimental estudio descriptivo.
En la figura 2.1. Se detalla el procedimiento para el diseo de investigacin a
seguir:
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Figura 2.1. Diseo de investigacin
2.7. Poblacin y muestra.
2.7.1. Poblacin:
Turbogeneradores N1 y N2 de la empresa Caa Brava, Piura.
2.7.2. Muestra:
Turbogenerador de condensacin pura N2 de 2.5 MW.
2.8. Tcnicas e instrumentos de recoleccin de datos.
Tcnicas:
Entrevista.
Observacin de campo
Documentos de Reporte de estado de equipos.
PRI, VAN y TIR
Recoleccin de datos: presin y temperatura del vapor sobrecalentado, presin del
vapor de escape de la turbina, temperaturas de agua fra y caliente de
condensacin.
Flujo msico de agua
de condensacin
Flujo msico de vapor
para generar 4MW
Capacidad de la
torre de enfriamiento
Diseo del sistema de distribucin del agua de condensacin: dimetro
de la tubera, seleccin de la bomba hidrulica motor elctrico y
dimensionamiento de cables, estructuras cimientos, soldadura y
pernos.
Dimensionamiento y seleccin de la torre de enfriamiento
Beneficio e Inversin
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Instrumentos:
Gua de entrevista.
Cuestionario.
Fichas de observacin.
Libros.
Internet.
Procedimiento de recoleccin de datos:
- Definicin de datos:
Los datos o parmetros fundamentales son los que se va a trabajar y recolectar
para su posterior anlisis en el proceso productivo, seleccin de la torre de
enfriamiento, seleccin del ventilador, de la bomba, la medicin de presiones,
temperaturas, flujo de vapor saturado, cantidad de potencia y energa demandada,
cantidad de potencia y energa consumida.
- Recopilacin de datos:
La recopilacin de datos se har mediante la observacin participativa, es decir los
datos sern tomados de forma presencial en la empresa y en los lugares
determinados como puntos esenciales para el anlisis y evaluacin.
- Caractersticas del informante:
El rea de mantenimiento y encargada fundamental del control energtico de la
planta, permitir la recoleccin adecuada de los datos esenciales para la
evaluacin, as como tambin, la libertad de ofrecer cualquier tipo de informacin
tcnica de equipos y maquinas involucradas.
- Tiempo disponible:
Se requiere que los datos sean recolectados y almacenados cada da de
produccin, para as poder obtener datos y resultados certeros y concretos del
estado energtico en el que se encuentra el proceso industrial de la empresa.
2.9. Mtodos de anlisis de datos:
La investigacin es considerada para ser analizada cuantitativamente, y mediante el
anlisis de los datos observados y sustrados del proceso podemos tener rangos
de valores, que permitan obtener una evolucin a travs del tiempo con el uso de
ecuaciones o modelos matemticos.
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CAPITULO III
RESULTADOS
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3.1. Implementacin de la torre de enfriamiento para el turbogenerador N2 para producir un excedente de 1.5 MW y generar en
total 4MW de E.E.
En la figura 3.1. Se muestran los parmetros a los cuales trabajara el turbogenerador N2 y la nueva torre de enfriamiento.
Figura 3.1. Implementacin de torre de enfriamiento al TG N2
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3.2. Determinacin del flujo msico de vapor para generar 4MW en el
Turbogenerador N2.
a) Potencia del eje de la turbina de condensacin pura:
Despejando la potencia del eje, tenemos:
Datos:
Remplazando la potencia del eje, seria:
b) Entalpias de entrada y salida de la turbina a condensacin pura.
b.1) Entalpia del vapor sobrecalentado Entrada a la turbina:
Con la presin de 60 bar y temperatura de 420C en tablas termodinmicas. Anexo
A.1, se tiene:
b.2) Entalpia del vapor hmedo Salida de la turbina:
Tendramos que determinar la titulacin de vapor de escape a la presin de 0.4 bar,
con el siguiente procedimiento:
- Calculamos la entropa a la entrada de la turbina a la presin de 60bar y
temperatura de 420C, de tablas termodinmicas. Anexo A.1, obteniendo:
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OPERACIN DEL TURBOGENERADOR N2,
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- Segn se muestra en la figura 3.2, la entropa de entrada a la turbina es igual a
la entropa de salida, por lo tanto:
Figura 3.2. Diagrama entropa temperatura de la turbina
- Como el vapor de escape es hmedo se cumple:
Despejando la calidad:
- Las entropas de lquido saturado y evaporizacin a la presin de 0.4 bar son
respectivamente. Anexo A.2
Remplazando la titulacin seria:
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- Una vez obtenida la titulacin del vapor de escape, se calculan las entalpias de
lquido saturado y evaporizacin a la presin de 0.4 bar, Anexo A.2
- Finalmente la entalpia del vapor de escape seria:
Remplazamos los valores ya encontrados, tenemos:
El flujo msico de vapor seria:
Despejando el flujo de vapor tenemos:
Bajo la misma metodologa de clculo, podemos calcular el flujo msico de vapor
actual cuando se generan 2.5MW, es decir:
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3.3. Determinacin del agua de condensacin para la torre de enfriamiento:
a) Perdida de potencia por friccin: es la prdida de potencia mecnica en el eje de
la turbina producto del rozamiento.
b) Balance de masa y energa en el enfriador de aceite:
En la figura 3.3. Se detallan el enfriador de aceite para lubricar el eje y perder solo
3% por perdidas mecnicas (Valor promedio).
Figura 3.3. Enfriador de aceite
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Balance de energa al enfriador:
- Calores especficos a presin constante:
Del agua, del Anexo A.3.
Del aceite, del Anexo A.4
El flujo msico de aceite, seria:
El flujo de agua en el enfriador, seria:
( )
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c) Balance de masa y energa en el condensador:
En la figura 3.4. Se muestran los parmetros a los cuales trabajara el condensador
con la torre de enfriamiento.
Figura 3.4. Condensador Industrial
El balance de energa seria:
La entalpia de lquido saturado se determina de tablas termodinmicas A.2.
Obteniendo
El flujo de agua en el condensador es:
El Flujo msico total de agua para la torre de enfriamiento segn se muestra en la
figura 3.1 es:
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3.4. Capacidad de la torre de enfriamiento:
a) Calor til de la torre de enfriamiento:
( )
Condensador Industrial
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La capacidad necesaria de la torre de enfriamiento, para un factor de servicio de 1.2
seria:
En toneladas de refrigeracin:
3.5. Rendimiento energtico del turbogenerador en operacin actual.
3.6. Rendimiento energtico del turbogenerador en operacin de mejora.
Comentario:
El rendimiento del turbogenerador N2 en condicin actual y de mejora es el mismo
debido a que el presente proyecto de tesis no pretende aumentar los parmetros de
presin y temperatura de entrada a la turbina.
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3.5. Disear el sistema de distribucin del agua de condensacin de la torre de enfriamiento al condensador y viceversa:
En la figura 3.5, se detalla la instalacin de la red de tuberas, como sus accesorios. Segn el espacio disponible en la planta Caa Brava.
Figura 3.5. Diseo del sistema de distribucin del agua de condensacin.
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CONDENSACIN PARA MEJORAR LA
OPERACIN DEL TURBOGENERADOR N2,
DE 4MW EN LA PLANTA CAA BRAVA - PIURA.
a) Dimensionamiento y seleccin de la Bomba Hidrulica para el agua de
condensacin:
a.1) Flujo volumtrico o caudal:
La densidad se determina a la temperatura promedio del agua fra y agua caliente.