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Casa abierta al tiempo
Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa
'Ciencia Básicas e Ingeniería
/ Ingeniería en Energía
Seminario de Proyectos
J FACTIBILIDAD TECNICO ECONOMICA DE LA INSTALACI~N DE UN
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE
J' Alumna: Castilla Juárez Melody Karolina
Matrícula:92319621
Asesor: Dr. Hernando Romero Paredes
'I1 de Noviembre de 1998 /
INDICE
INTRODUCCI~N.
CAPITULO I. MARCO TE~RICO.
1.1. FUNCIONAMIENTO DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO.
1.2. TIPOS DE TORRES DE ENFRIAMIENTO.
1.3. VARIABLES RELEVANTES.
1.4. ACCESORIOS DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO.
1.4.1. SISTEMA DE DISTRIBUCI~N DE AGUA.
1.4.2. RELLENO.
1.4.3. DEFLECTORES DE AIRE.
1.4.4. ELIMINADORES DE GOTAS.
1.4.5. CHIMENEAS.
1.4.6. VENTILADORES.
1.4.7. BOMBAS.
1.4.8. MOTORES ELÉCTRICOS.
A. PERDIDAS.
1.4.9. CONTROL.
1.5. BALANCE DE CALOR.
1.6. CURVA CARACTER~STICA.
1.7. CARTA PSICOMÉTRICA
1.8. CONSUMO DE ENERGÍA EN LA TORRE.
1.9. MEDIDAS DE SEGURIDAD.
CAPITULO 2. CARACTERISTICAS DEL EQUIPO
CAPITULO 3. CARACTER~STICAS DEL SITIO
CAPITULO 4. DATOS EXPERIMENTALES.
CAPITULO 5. RESULTADOS.
5.1 MOTORES ELECTRICOS.
5.2 VARIADORES DE VELOCIDAD.
CAPITULO 6. ANÁLISIS ECONóMICO.
6.1 MOTORES ELECTRICOS.
6.2 VARIADORES DE VELOCIDAD.
CONCLUSIONES.
BIBLIOGRAF~A.
APENDICE 1. CALCULO DEL FLUJO DE AIRE.
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La central termoeléctrica de ciclo combinado Tula, ubicada en el Estado de Hidalgo (a 83 Km. De la Cuidad de México y a 8 al sur de la Cuidad de Tula), tiene una capacidad instalada de 482 MW repartidos en 2 paquetes Westinhouse de la siguiente manera:
PAQUETE NORTE: 2 Turbinas de gas,cada una 72 MW. 1 Turbina de vapor de 100 MW
PAQUETE SUR: 2 Turbinas de gas, cada una de 69 MW. 1 Turbina de vapor de 100 MW
Para el buen funcionamiento de estos paquetes, es indispensable que el equipo en el que se lleva a cabo el enfriamiento del agua de circulación y servicios para condensación de vapor en el condensador principal y extraer el calor del agua de enfriamiento del circuito cerrado, en este caso 1 torre de enfriamiento por paquete.
Las torres de enfriamiento son sistemas de enfriamiento de tipo cerrado: el agua que sale del condensador, pasa a través de la torre de enfriamiento, donde se le extrae calor mediante la evaporación en el aire de enfriamiento de una pequeña cantidad de agua y regresa al condensador.
Debido a la importancia de las Torres de enfriamiento, y a que es uno de los sectores de mayor consumo de energía eléctrica de la central, es necesario evaluar su funcionamiento actual y determinar medidas de ahorro de energía que se pueden implementar. Una de ellas sería la implantación de un PLC (Controlador Lógico Programable) que regule el flujo de aire de la torre de acuerdo a las características termofísicas del aire ambiente, además de la sustitución de los motores actuales por motores de alta eficiencia.
En este trabajo se estudia la factibilidad técnico-económica de la instalación de un PLC a la torre de enfriamiento norte de la central termoeléctrica, así como la sustitución de los motores convencionales con que actualmente opera por motores de alta eficiencia.
Para esta evaluación fue necesario realizar una inspección visual y tomar mediciones de variables de la torre de enfriamiento tales como temperatura de entrada y salida del agua, humedad del aire a la entrada y a la salida, flujo de vapor y agua, así como de voltaje, corriente, F.P., etc. en los motores de las torres. Además se recopilaron las temperaturas de entrada y salida al condensador durante todo el año.
Con base en lo anterior se realizó una simulación para determinar los ahorros de energía y económico obtenidos a partir de la instalación del sistema de control, que regule la velocidad de los ventiladores y por lo tanto el flujo de aire dentro de la torre.
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CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
1.1. FUNCIONAMIENTO DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO
Las torres de enfriamiento ponen en contacto el agua caliente que proviene de la atmósfera, con el fin de que el agua se enfríe y se reutilice posteriormente en el proceso. La operación de las torres de enfriamiento se basa en la evaporación de una pequeña parte del agua que proveniente del proceso y en el intercambio de calor sensible entre el agua y el aire.
En las torres de enfriamiento se presentan de manera simultanea la transferencia de masa (difusión del agua dentro del aire) y la transferencia de calor (calor de vaporización y calor sensible).
La mezcla de agua y el aire provoca la difusión de la primera en el aire (promovida por una diferencia de concentraciones), debido a lo cual, el agua cambia de estado líquido a vapor, debido al correspondiente calor de vaporización. El agua no evaporada (debido a que pierde dicho calor de vaporización), sufre una disminución en su temperatura. La perdida de calor latente representa aproximadamente un 80% del calor total transferido, siendo el otro porcentaje la transferencia de calor sensible.
Podemos decir básicamente que las torres de enfriamiento son intercambiadores de calor de mezcla, en los que el agua cede calor al aire por evaporación y convección. Cuando el aire ambiente es frío y la diferencia de temperaturas entre el aire y el agua es más marcada el calor que se disipa por convección es mayor.
En este caso el agua entra por la parte superior y es distribuida de tal forma que establezca el mejor contacto posible con el aire atmosférico que asciende procedente de la parte inferior de la torre. Para lograr este efecto el agua se reparte uniformemente, con ayuda generalmente de distribuidores; sobre un relleno que aumenta el tiempo y la superficie de contacto entre ambos fluidos.
AI disminuir la temperatura de bulbo húmedo exterior y/o la carga a disipar, si se mantienen los ventiladores funcionando a su máxima potencia y no se modifica el caudal de agua, disminuye la temperatura del agua fría por debajo del valor de diseño.
AI entrar el agua al condensador más fría, se reduce la presión de condensación y con ello el consumo del compresor. La potencia del compresor suele ser de 10 a15 veces superior a la de ventiladores y bombeo de agua.
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La clasificación más común de torres de enfriamiento se basa en la forma en que el aire corre dentro de esta. Tenemos de acuerdo a este criterio cuatro tipos de torres:
a) Torres atmosféricas b) Torres de tiro natural c) Torres de tiro natural asistido d) Torres de tiro mecánico
En las torres de tipo atmosférico, el agua cae en flujo cruzado con respecto al movimiento horizontal del aire, lo que produce un efecto de contracorriente debido a las corrientes de convección producidas por le agua caliente.
Dentro de este tipo de torres puede distinguirse las que no tienen ningún relleno y aquellas que contienen un relleno de goteo, que son más eficientes.
Las torres atmosféricas son cuadradas y constituyen una mínima parte de las torres existentes, a pesar de su larga vida y bajos costos de mantenimiento (debido a que no cuenta con partes mecánicas).
Algunas de sus características son:
0 No se produce recirculación del aire utilizado. Se debe colocar en un lugar despejado.
0 La torre debe ser alta y estrecha, lo cual implica gasto de bombeo elevados. 0 Debido a su altura es preciso un anclaje seguro contra viento. 0 La torre debe orientarse de acuerdo a los vientos dominantes,
En una torre de tiro natural (Figura 1) el relleno se encierra en una estructura con forma de chimenea hiperbólica, con persianas de entrada de aire en su interior. El aire es inducido a través de la torre debido a la diferencia de densidades existentes entre el aire húmedo y caliente y el aire atmosférico más denso. El relleno puede ser de goteo o de película.
Algunas de sus características son:
Bajos costos de mantenimiento. 0 Mejor rendimiento que las torres atmosféricas 0 No es adecuada para altas temperaturas de bulbo seco del aire, ya que la
temperatura de entrada debe ser mayor que la temperatura seca del aire. 0 Fuerte inversión inicial debido a la gran altura necesaria. 0 Es difícil de controlar la temperatura de salida del agua. 0 No es posible un acercamiento de temperaturas.
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I I Figura 1. Torre de enfriamiento de tiro natural.
Las torres de tiro natural asistido (Figura 2.) se incrementa la capacidad de refrigeración por unidad de superficie, al asistir el tiro natural de las torres por medio de ventiladores de tiro forzado.
Aire I I Aire
Figura 2. Torre de enfriamiento de tiro natural asistido.
AI incluir ventiladores la diferencia de altura es mayor y por lo tanto los efectos de recirculación quedan disminuidos, sin embargo, se incrementan los costos de mantenimiento y el ruido.
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Las torres de tiro mecánico utilizan ventiladores para mover el aire a través de la torre por lo que se tiene control total de la entrada de aire a la torre. Las características principales de las torres de enfriamiento de tipo tiro inducido son:
0 Necesitan poca superficie O Buen control de la temperatura de agua fría. O Menor temperatura de bombeo. O No son necesarios lugar y orientación especiales. O Con un relleno eficiente es posible lograr acercamientos de 1-2OC. O Las fallas mecánicas reducen considerablemente su confiabilidad. O Costos de operación y mantenimiento mayores que en las torres de tiro
O Los ruidos y vibraciones pueden ser un problema. natural.
Dentro de las torres de tiro mecánico se encuentran a su vez dos tipos principales:
a) Torres de tipo forzado b) Torres de tiro inducido
Alre humedo v callente
~- Agua
Aire
Figura 3. Torre de enfriamiento de tiro forzado
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En las torres de tiro forzado (Figura 3) los ventiladores se colocan a la entrada de aire de forma que lo impulsan a través del relleno.
Debido a que la presión de velocidad convertida en presión estática realiza un trabajo útil, y, el ventilador trabaja con aire frío de más densidad que en el caso de tiro inducido, estas torres son más eficientes que las torres de tiro inducido.
Por otro lado el tamaño del ventilador está muy reducido por lo cual se necesita un gran número de ventiladores pequeños o a mayores velocidades que en una torre de tiro inducido, lo cual conduce a mayores niveles de ruido y costos de mantenimiento.
En las torres de tiro inducido los ventiladores están a la salida del aire, generalmente en la parte superior de la torre. Es factible por lo tanto instalar grandes ventiladores, de forma que puedan mantenerse velocidades y niveles de ruidos bajos.
Es necesario instalar filtros de aire, ya que debido a la alta velocidad con que entra el aire, puede arrastrar cuerpos extraños.
Debido a que el ventilador está montado en una super-estructura, se pueden producir vibraciones, además de que los elementos mecánicos no son fácilmente accesibles.
Podemos hacer una segunda clasificación de las torres de enfriamiento de acuerdo al tipo de distribución de agua con el que cuentan. Existen dos tipos básicos:
a) Relleno laminar; el agua se distribuye en forma de finas gotas sobre superficies. b) Relleno por goteo; se producen gotas por partición del agua en su caída.
Una tercera clasificación se hace tomando en cuenta el flujo relativo de las corrientes de agua y aire:
Torres de flujo en contracorriente; en éstas el agua más fría se pone en contacto con el aire más seco lográndose la máxima eficiencia, existe menor riesgo de que se produzca recirculación del aire. Una torre a contraflujo puede ser de tiro forzado o inducido. Térmicamente son más eficientes que las torres de flujo cruzado.
Torres con flujo cruzado; en estas torres el agua fluye de arriba hacia abajo, como en las torres a contraflujo, mientras que el aire fluye horizontalmente, de una lado hacia otro de la torre de enfriamiento. De igual forma, puede ser de tiro forzado (estando los ventiladores del lado de la entrada de aire), o de tiro inducido (encontrándose los ventiladores del lado del cual sale el aire). Las torres de flujo cruzado son menos eficientes que las torres a contraflujo, ofrecen menor resistencia al flujo de aire (lo que reduce el consumo de energía de los ventiladores), requieren más espacio, la entrada de aire puede abarcar toda la altura de la torre, la cual es por tanto, de baja altura, lo que reduce la altura de bombeo, los elementos mecánicos y el sistema de distribución tienen un acceso más fácil.
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t Aire húmedo y
I ' ' I
I I
Agua
Figura 4. Torre de enfriamiento tiro inducido, flujo a contracorriente.
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1.3. VARIABLES RELEVANTES
En el diseño de una torre de enfriamiento se consideran variables que están previamente definidas, pues dependen de los procesos que tengamos antes y después de dicha torre de enfriamiento. Por ejemplo, la temperatura hasta la cual enfriaremos el agua en la torre, dependerá de las necesidades de temperatura de los intercambiadores de calor o condensadores. Las variables de mayor importancia para una torre de enfriamiento son:
T1 Temperatura de entrada del agua a la torre de enfriamiento. Puesto que deseamos enfriar agua de proceso, esta temperatura será igual a la temperatura de salida del agua del equipo anterior a la torre de enfriamiento.
T2 Temperatura de salida del agua de la torre de enfriamiento. Esta variable está previamente definida, como ya se mencionó dependiendo de la temperatura a la cual se requiera alimentar el agua nuevamente al proceso.
TBH Temperatura de bulbo húmedo del aire a la entrada de la torre. Esta temperatura es muy importante ya que representa la entalpía existente en el aire y de ella dependerá la transferencia de masa. Debido a las variaciones climáticas, la temperatura de bulbo húmedo es más alta durante el verano, es por ello por lo que se elige una TBH, para diseño y simulación, de manera que dicha temperatura no sea excedida más del 5% de las horas totales del verano; no es lo más conveniente elegir la TBH máxima que se presenta en el año debido a que la mayoría del tiempo estaríamos subutilizando la torre de enfriamiento. Cabe hacer notar que la TBH representa la T2 mínima a la cual se puede enfriar el agua, pues cuando ambas se igualan, se establece el equilibrio. Para llegar a este se requeriría que la torre tuviera una altura infinita, es por ello, por Io que generalmente la temperatura a la cual se enfría el agua es 10°F mayor que la TBH (se dice que existe un acercamiento de 10OC).
L La cantidad de agua que se enfriará en la torre. Está dada en unidades de masa por unidad de tiempo y por unidad de área transversal.
G Cantidad de aire que entra a la torre de enfriamiento. Las unidades en las que se expresa son iguales a la L.
Dos términos comunes, relacionados con las torres de enfriamiento, son el acercamiento y el rango. Se define como acercamiento, a la diferencia de la temperatura de bulbo húmedo de entrada del aire y la temperatura de salida del agua. El rango, es la diferencia entra la temperatura de entrada del agua y su temperatura de salida.
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En la tabla 1, es posible tener una idea de como afecta el aumento de determinadas variables en el funcionamiento general de una torre de enfriamiento.
Incremento
TBH entrada
TBS salida
Flujo de calor
Flujo de aire
Flujo de agua
T del agua caliente
Contacto
L/G Rango I Nada Nada I
Decrece
Aumenta
Nada Decrece
Aumenta Decrece I
Nada Nada
---"- Acercamiento Ka*V/L
~
Decrece
Aumenta Nada
Decrece Aumenta
Aumenta Decrece
Decrece
Decrece I Aumenta
Aumenta
Aumenta
Decrece
Decrece
Nada
Tao
Aumenta
Aumenta
Decrece
Nada
Nada
Tabla 1. Variables relevantes para el funcionamiento de una torre de enfriamiento
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1.4. ACCESORIOS DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO
Los sistemas de apoyo más importantes en las torres de enfriamiento son (figura 5):
Sistemas de distribución de agua Relleno Deflectores de aire Eliminadores de gotas Chimeneas Ventiladores Bombas Motores Control
\ / i y hurnedo i
' Alre calbente
I 1 1 1 ,Ventilador
Separador de gotas
I +-Agua caliente
A\ /[\ Pulverizador de gotas
1 ' -b Agua fria
Figura 5. . Sistema de apoyo de la torre de enfriamiento.
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1.4.1.SISTEMAS DE DISTRIBUCIóN DE AGUA
Los sistemas de distribución de agua se pueden clasificar en:
a) Tipo gravedad b) Tipo presión:
El sistema de gravedad se utiliza casi siempre con torres de flujo cruzado. Su principal ventaja consiste en la poca altura de bombeo que requiere, lo cual implica bajos costos de operación. Para lograr una eficiencia máxima es necesaria la regulación del flujo de agua por celda, que se lleva a cabo mediante la inspección visual y la consiguiente variación de agua en la balsa.
La mayor parte de las torres con flujo a contra corriente se encuentra equipadas con sistemas de distribución a presión, debido a que este sistema actúa como distribuidor de agua y contribuye directamente al rendimiento de la torre.
Las desventajas de este sistema son asociadas principalmente al mantenimiento y la regulación del flujo de agua. Esto se debe a que no es posible limpiar fácilmente la suciedad acumulada en los ramales y los pulverizadores que se encuentran por debajo de los eliminadores de gotas. Presenta dificultades también la tarea de igualar el gasto en las diferentes celdas, lo cual es imprescindible para lograr el funcionamiento correcto de la torre.
1.4.2.RELLENO
La misión del relleno es acelerar la disipación del calor, esto se consigue aumentando el tiempo de contacto entre el agua y el aire, favoreciendo una amplia superficie húmeda mediante la creación de gotas finas o finas películas.
El relleno debe ser un material de bajo precio, de fácil instalación y alta resistencia al deterioro, además de tener elevados coeficientes de transmisión de calor, debe ofrecer poca resistencia al paso del aire y proporcionar y mantener una distribución uniforme de agua y aire a lo largo de toda la vida de la torre.
Los tipos de relleno suelen clasificarse como sigue:
a) Rellenos de goteo b) Relleno de película laminar c) Relleno de tipo mixto
El propósito básico del relleno de goteo es generar gotas de agua, en cuya superficie se verifica el proceso de evaporación.
Este efecto se logra mediante la caída del agua sobre una serie de pisos sobrepuestos de listones o rejillas, mientras el aire se mueve en sentido horizontal (flujo cruzado) o vertical (flujo contracorriente). El agua al caer se fracciona en gotas cada vez más pequeñas, rompiendo además aquellas de mayor diámetro que se hayan formando por unión de otras más pequeñas.
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\
Relleno p a goteo Relleno laminar (placas defibrccemento)
Relleno tipo mixto
Figura 6. Tipos de relleno
La altura del relleno es superior a la requerida en los sistemas laminares de arrastre de gotas es importante, Io cual obliga a usar buenos eliminadores.
Otro requerimiento de este tipo de relleno es el de una correcta nivelación de los listones, pues de otro modo el agua discurre a lo largo de éstos, desequilibrándose la distribución de la cortina de agua y perjudicando notablemente el rendimiento.
El relleno de película laminar proporciona una mayor capacidad de enfriamiento, para un mismo espacio ocupado, que el de goteo. La eficiencia de este sistema de goteo depende de su capacidad de distribuir el agua en una película fina que fluye sobre grandes superficies, el objeto es proporcionar la máxima exposición del agua a la corriente de aire.
Este tipo de relleno es más sensible a las irregularidades del gasto del aire y de la distribución del agua, por lo tanto el diseño de la torre debe garantizar su distribución uniforme a través de todo el relleno.
La principal ventaja es que al no existir gotas, las pérdidas por arrastre se reducen en gran proporción, por lo cual pueden darse velocidades elevadas de aire, disminuyendo la altura del relleno y con ella la de bombeo.
La tendencia a acumular depósitos y suciedad entre las placas paralelas muy próximas que Io constituyen es la principal desventaja de este tipo de relleno.
Los rellenos de tipo mixto se basan en la pulverización por goteo, pero con formación de película en las superficies laterales de los listones, aumentando de esta forma el efecto conseguido con la salpicadura.
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Entre los materiales más utilizados tradicionalmente en sistemas de goteo está la madera, su vida media no supera los 29 años a pesar de los procesos que le son aplicados, por este motivo su utilización se encuentra en declive.
Los rellenos de metal han sido utilizados en casos en que se requiere alta relación entre el área de contacto y el volumen. Sin embargo no son competitivos debido a su alto costo.
Los plásticos son muy duraderos y su utilización va en aumento. Son especialmente aptos para rellenos laminares en pequeñas torres en serie y para rellenos mixtos.
El fibrocemento se utiliza en los rellenos laminares de torres industriales, especialmente en las de tiro natural; tienen buena resistencia y no es atacado por la materia orgánica. Su elevado peso con relación al volumen y su elevada sensibilidad a las aguas ácidas y a los iones sulfatos son sus principales desventajas.
1.4.3.DEFLECTORES DE AIRE
Se utilizan en las torres de tiro inducido, para conducir el aire hacia el interior de una forma eficiente y para prevenir las pérdidas de agua debidas a la acción del viento. Pueden también eliminar los problemas de formación de hielo en invierno.
La inclinación, anchura y espaciamiento de los paneles están relacionados con la distribución del aire y la retención de agua. Es preciso llegar a un diseño que proporciona los mejores resultados.
1.4.4.ELIMINADORES DE GOTAS
Este componente retiene las pequeñas gotas arrastradas por el aire que abandona la torre. Todos los eliminadores provocan bruscos cambios de dirección en la corriente de aire.
La fuerza centrífuga resultante separa las gotas de agua, depositándolas en la superficie del eliminador, para caer posteriormente sobre el relleno. Con esta acción se disminuyen las pérdidas de agua, se evitan posibles daños a equipos adyacentes a la torre y limita la formación de flujo de aire niebla. Un efecto secundario en la uniformación del flujo de aire a través del relleno.
Los materiales utilizados en la construcción de eliminadores deben resistir una atmósfera corrosiva y erosiva. Pueden ser de madera tratada, chapa galvanizada, aluminio. Actualmente, la tendencia más común consiste en utilizar láminas de fibrocemento o plástico.
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f f
Figura 7. Tipos de eliminadores de gotas
1.4.5.CHIMENEAS .
En las torres de tipo inducido se utilizan chimeneas para proporcionar al ventilador una cámara, y que su funcionamiento sea más efectivo, al mismo tiempo que protege al ventilador y lanza más lejos el aire húmedo evitando problemas de recirculación.
Se utilizan chimeneas con difusor en el lado de la descarga del aire húmedo, para facilitar el tiro de la torre, permitiendo una recuperación de energía cinética. Un aumento gradual en la sección transversal al flujo produce un decremento progresivo en la velocidad. Lo que conduce a aumentos en el aire suministrado sin variar la potencia consumida por el ventilador.
1.4.6.VENTILADORES
Existen dos tipos fundamentales de ventiladores utilizados en las torres de enfriamiento: axiales y centrífugos.
Los ventiladores axiales, en los que el aire mantiene la dirección del eje antes y después de su paso por el ventilador, son apropiados para mover grandes volúmenes de aire con una contrapresión estática pequeña y su uso es más frecuente en instalaciones industriales. Son relativamente baratos y pueden ser utilizados para torres de cualquier tamaño. Los diámetros pueden alcanzar hasta 9 m, aunque generalmente oscilan entre 3 y 6 m. En ciertos casos se puede modificar el ángulo de ataque de las aspas, mediante abrazaderas de unión central. En su construcción se utilizan generalmente materiales mecánicos o plásticos, estos últimos tienen menos costo y peso y mayor resistencia al ataque químico.
Los ventiladores centrífugos, donde el aire descarga en dirección normal a la entrada están constituidos por una carcasa y un rodete. Son adecuados para impulsar flujo relativamente pequeños, pero venciendo mayores resistencias que los de tipo axial.
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Existen tres tipos de ventiladores centrífugos: de palas radiales, de palas inclinadas hacia delante y de palas inclinadas hacia tras. El más utilizado en torres de enfriamiento es el de palas inclinadas hacia adelante debido al relativamente alta velocidad del aire que abandona el rodete, este puede girar a una velocidad más baja, con mayor nivel de ruido. Resulta más económico y necesita menores tamaños para un funcionamiento dado.
1.4.7.BOMBAS
Los sistemas de bombeo del agua recirculada por la torre consumen una fracción importante de la potencia requerida por el sistema de refrigeración. Se emplean casi siempre bombas centrífugas de una o varias etapas, dependiendo de los gastos y alturas requeridas.
1.4.8.MOTORES ELECTRICOS
Los motores eléctricos utilizados para mover los ventiladores en las torres de tiro mecánico deben operar en unas condiciones muy duras, ya que se encuentran expuestos a las inclemencias del tiempo, la atmósfera contaminada y la alta humedad consecuencia del funcionamiento de la torre.
Los motores eléctricos consumen mucha de la energía utilizada en la torre.
La función primordial de un motor eléctrico es la de convertir energía eléctrica en energía mecánica que se transfiere a la carga cualquiera que esta sea.
Los motores más utilizados son los de corriente alterna que están constituidos por una parte fija, estator; que está formada por varios anillos de chapas al silicio unidos entre si, en cuyas acanaladuras se colocan arrollamientos, uno por fase, por los que circula corriente procedente de la línea de alimentación. Las tres corrientes, regularmente defasadas entre si en 120 grados eléctricos, dan origen a un campo magnético cuyo módulo se mantiene constante, pero cuya dirección gira describiendo 360 grados eléctricos cada periodo. Si el arrollamiento está subdividido en tres bobinas de fase, el campo giratorio, en un periodo, efectúa una rotación completa (técnicamente el motor se llama de dos polos). Mientras que si el arrollamiento está subdividido en dos ternas que se suceden a lo largo de la periferia del estator, a cada periodo el campo magnético describe solamente media vuelta (motor de cuatro polos), y así sucesivamente se puede tener el motor de seis, ocho, doce polos. En el interior del estator está colocado el rotor, que constituye la parte móvil, cuyo eje geométrico coincide con el estator. Está constituido por un núcleo cilíndrico de chapas magnéticas, sobre cuya periferia, entre apropiadas acanaladuras, van dispuestas barras conductoras, de cobre o de aluminio, o bien envolturas formadas de madeja, oportunamente unidas unas con otras, de modo que formen un circuito cerrado el cual, una vez accionado el interruptor que una la envoltura de estator con la línea de distribución, se induce el campo magnético generado por este último.
En los primeros instantes de arranque, o sea, cuando el rotor aún está en reposo, sus espiras de envoltura experimentan la máxima variación de flujo y por tanto, se genera en ellas una fuerza electromotriz que por la ley de Lennz, tiende a hacer circular por los arrollamientos
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una corriente dirigida en tal sentido que la acción dinámica debida a la presencia del campo magnético haga girar el rotor en sentido tendiente a oponerse a la variación del flujo inducido que ha determinado la aparición de dicha fuerza electromotriz. En otras palabras, la parte móvil del motor entra en rotación en el mismo sentido del campo giratorio; si, en el límite el rotor pudiese alcanzar la velocidad del sincronismo, por tanto girase junto con el campo, en los arrollamientos no se manifiestan variaciones del flujo inducido. En las condiciones normales de funcionamiento esto no se verifica y el rotor, mientras proporciona energía mecánica al exterior, gira a una velocidad siempre inferior a la de sincronismo, por lo cual por estos arrollamientos circula en cada instante una corriente, de forma que se manifieste la acción dinámica. Los arrollamientos del estator son alimentados por la línea, mientras que los del rotor forman un circuito integral al mismo, al que no debe ser aportada corriente del exterior y que durante el funcionamiento se mantienen cerrados en corto circuito.
Los motores de pequeña y media potencia se construyen de forma que se realice el tipo particular de arrollamiento llamado jaula de ardilla; En núcleo cilíndrico laminado del rotor lleva a su periferia apropiadas acanaladuras en las que se colocan barritas de cobre o de aluminio, reunidas entre si en corto circuito, en correspondencia con las bases del cilindro, por dos anillos metálicos, a los que se fijan, en general, también, las aletas de ventilación por medio de las cuales se hace circular aire de refrigeración. El arrollamiento de jaula de ardilla es del tipo cerrado y puede realizarse también con una sola operación tecnológica. Cuando la potencia del motor supera algunos KW, es necesario cambiar el tipo de construcción y adoptar el arrollamiento abierto o de anillos. Efectivamente en el arranque de los motores síncronos de jaula de ardilla se produce un fuerte golpe de corriente y por tanto se requiere de la línea, durante un breve instante, una corriente muy superior a la del régimen. Esto es soportable para motores de potencia modesta, pero no para los otros casos, por lo que es necesario adaptar artificios especiales capaces de limitar el incremento de la corriente.
La regulación de la velocidad de rotación en los motores síncronos, que pueden ser considerados como máquinas de velocidad casi constante, puede obtenerse diferentes formas, que por otra parte no son sencillas, por lo cual en definitiva, el motor síncrono debe ser juzgado como poco apto al funcionamiento de regímenes variables. En instalaciones que requieren frecuentes inversiones de marcha, como en el caso de grúas, elevadores y ascensores, se utilizan apropiados controles, los cuales, además de efectuar la conexión y desconexión de las resistencias de arranque.
De los motores de corriente alterna, los motores de inducción son los más utilizados debido a su sencillez de operación, por carecer de conmutador y por que sus características de operación permiten que se adapte con facilidad a trabajos donde se requiera velocidad constante.
Los motores de inducción de acuerdo a su diseño mecánico, es decir su tipo de construcción o protección mecánica, se clasifican como:
a) A pruebe de goteo. Están construidos para impedir que líquidos que goteen con un ángulo menor de 150 con respecto a la vertical, penetren en el interior; sin embargo el aire del medio ambiente tiene libre acceso al interior con lo cual se logra una excelente
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disipación de calor. Estos motores tienen aplicación en lugares donde el medio ambiente no es perjudicial para partes internas del motor y además no haya salpicaduras de líquidos.
b) Totalmente cerrado con ventilación exterior (TCCVE). Son motores totalmente herméticos por Io que el aire del medio ambiente nunca penetra. La disipación de calor se hace por radiación a través de las carcazas o armazón. Este calor es barrido por la acción de un ventilador que va montado sobre la extensión frontal de la flecha. Se les encuentra en lugares donde el medio ambiente puede ser perjudicial para las partes internas del motor (ambientes polvosos, húmedos, abrasivos, ligeramente corrosivos).
c) Protegidos contra la intemperie tipo Y (WPI). Son máquinas abiertas cuyas entradas para ventilación están construidas de tal manera que le abertura de la rejilla sea tal que por ejemplo impeda la entrada de una barra cilíndrica de 19mm de diámetro.
d) Motores protegidos contra la intemperie tipo I1 (WPII). Son motores abiertos, en los que la trayectoria normal del aire de ventilación que entra a las partes eléctricas de la máquina, debe ser constituida por medio de deflectores o cuerpos separados, de manera que produzcan por lo menos tras cambios de dirección, siendo ninguno de ellos menor de 90°, para minimizar la posibilidad de que se transporte hacia adentro de las partes eléctricas de la máquina humedad y suciedad.
e) Motores a prueba de explosión. Deberá tener paredes y un espesor mínimo adecuado para impedir que una explosión interna deteriore la carcaza o tapas, también las distancias de fuga deberán tener una longitud tal que los gases calientes que se producen internamente por una explosión o corto circuito, se deben enfriar para que al salir al medio ambiente no presenten un foco de principio de ignición.
De acuerdo a su diseño eléctrico, los motores de inducción se clasifican de la siguiente manera:
a) Motores diseño A. Similar a los motores de diseño B a excepción de que en estos la corriente de arranque no tiene límites de acuerdo con NEMA.
b) Motores diseño B. Motores cuya corriente y pares de arranque son normales. Es decir el valor de la corriente de arranque se encuentra entre 5 y 6 veces la corriente a plena carga y el deslizamiento a plena carga debe ser de 1 a 5 %. c) Motores de diseño C. Son motores que teniendo una corriente de arranque normal desarrollan pares de arranque superiores a los de los que desarrolla el diseño B. El par de arranque mínimo es de 200%. El deslizamiento de estos motores a plena carga debe ser de 2 a 5 O/O. Estos motores se aplican en casos en los que por naturaleza de la carga se requiere un par inicial alto para vencer la inercia.
d) Motor diseño D. Desarrollan un par de arranque siempre mayor a 275% del par a plena carga con corriente de arranque normal y deslizamiento en tres grupos de 5 a 8%, de 8 a 13% y de 13 a 18%.
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1.4.9.CONTROL
En algunos caso se tienen sistemas de control que mediante pequeños circuitos regulan algunos procesos como la adición de productos químicos y la adición de inhibidores. Algunos sistemas más complejos miden y controlan la purga y la calidad del agua.
Podemos también controlar la velocidad de los ventiladores mediante sistemas de control con lo que se asegura el uso eficiente de la energía.
El convertidor de frecuencia variable es un control para el motor de inducción tipo jaula de ardilla, es el Único control que suministra la potencia, permite la variación de velocidad en el motor sin ningún accesorio extra entre el motor y la carga, además es una excelente protección al mismo.
Una de las serias limitaciones del motor de inducción es la de tener velocidades fijas sin posibilidad de variación como lo sería un motor de corriente continua.
Entre las ventajas que se obtienen al utilizar un variador de velocidad tenemos las siguientes:
0 Posibilidad de disminuir los consumos de energía eléctrica, dando resultado
0 Sustitución de acoplamientos hidráulicos o mecánicos. 0 Sustitución de sistemas de control: válvulas, retornos, mamparas y otros. 0 Arranque suave del motor eliminando los picos de demanda máxima de corriente.
considerables disminuciones en los costos de operacion.
Los sistemas convencionales de control basan su principio de operación en el aumento o disminución de la resistencia al paso del fluido. AI cerrar una válvula se adicionan pérdidas por fricción a través de la misma, que se reflejan en una mayor carga a vencer por la bomba o ventilador. Con eso el flujo varía pero el motor sigue trabajando a plena carga y aún más se fuerza al cerrar la válvula de paso o compuerta.
La manera como un convertidr de frecuencia variable convierte voltaje y frecuencia constante en voltaje y frecuencia variable es un proceso de dos pasos principales. Primero la corriente alterna es rectificada y convertida a voltaje de corriente continua, después la invierte y vuelve a entregar corriente alterna pero con valores de frecuencia y voltaje variables.
La parte rectificadora en el convertidor de frecuencia variable convierte el voltaje en c.a. en voltaje de c.d. que es más fácil internamente para el CFV para generar la frecuencia variable de salida necesaria de una fuente no alterna de voltaje, dependiendo del tipo de convertidor este tipo de voltaje de c.d. puede ser suavizada o variable. La mayoría de los convertidores usados hoy son del tipo de modulación del ancho del pulso que operan con un voltaje c.d. suavizado. Los diodos de potencia son usados para el diseño de voltaje suavizado y los rectificadores de silicio son usados para el voltaje de c.d. variable. Es importante hacer notar que el voltaje del bus de c.d. es 1.41 veces mayor al voltaje de c.a. pues toma el valor del pico de voltaje y no el voltaje rms, por lo que el voltaje en bus de c.d. de un del variador de 460 volts será de 648 volts de c.d.
21
El voltaje en c.d. se invierte y vuelve a tomar la forma alterna por medio de rectificadores controlados de silicio o transistores de potencia conectados directamente al bus de voltaje de c.d. y controlados por microprocesadores pero esta vez con una frecuencia y voltaje variable. Esta generación trifásica de c.a. al hacerse a través de aperturas instantáneas de los transistores aunque tiene ciclos positivos y negativos toma una forma cuadrática e interrumpida similar a la alimentación de entrada simulando la onda senoidal, según las necesidades de frecuencia pero que mantiene la misma relación volts/frecuencia para el motor, a esta tecnología se le llama ancho de pulsos. Una tarjeta lógica de microprocesadores determina la frecuencia de conmutación de la sección de inversión permitiendo un rango amplio de frecuencias que van desde O hasta 400 Hz típicamente.
Los principales tipos de convertidores de frecuencia son:
O Modulación del ancho del pulso. O Inversión de la corriente de alimentación. O Inversión de voltaje regulado.
Flujo vectorial.
Una vez conectado el motor y antes de conectar la carga se hace una identificación de los parámetros eléctricos del motor que se va a controlar el recorrer sin carga todo el rango de velocidades, secuencia ya establecida por el CN, esto dura aproximadamente un minuto; esto se debe hacer cada vez que se cambie el motor sin importar la potencia del mismo pues cada motor tienen características diferentes; una vez hecho esto se configura en la memoria del convertidor un modelo matemático del motor que se va a trabajar guardándolo inclusive cuando se desconecta totalmente.
En cualquier sistema de movimientos de fluidos por medio de impulsores centrífugos, como en este caso un ventilador o una bomba, el caudal Q, que es un valor de volumen por unidad de tiempo siempre va a estar relacionado proporcionalmente a la velocidad del impulsor. Las relaciones que permiten predecir el rendimiento de uno de estos equipos a una velocidad que no sea la normal son las leyes de afinidad:
O El flujo varía directamente con la velocidad. 0 La carga o presión varía en función directa del cuadrado de la velocidad. O La potencia varía en razón directa al cubo de la velocidad.
22
1.5. BALANCE DE CALOR
La energía cedida por el agua, en el proceso de transferencia de calor y masa que tiene lugar en la torre de enfriamiento, es igual a la ganada por el aire, de tal forma que:
LCp(tl-tz)=G(hz-h,)
Donde:
L = flujo másico de agua (kg/h) tl, t2 = temperatura de entrada y salida de la torre (“C). G = Flujo másico de aire (kg/h).
hl, h2 = entalpía del aire a la entrada y a la salida (kcal/h). Cp = calor específico del agua a presión constante (kcal-kg°C). En estas
unidades es igual a la unidad, por lo que suele suprimirse de las ecuaciones.
Para dos puntos de la torre separados por una distancia diferencial, la ecuación anterior se expresa de la siguiente forma (prescindiendo del calor específico):
L dt = G dh
En el interior de la torre existe un cierto volumen efectivo de enfriamiento V, en el cual se verifica el enfriamiento y que se compone no solo del relleno propiamente dicho, sino de todos los espacios por los que cae el agua libremente en contacto con el aire; este volumen define a su vez una superficie total de intercambio de calor, a la que se denomina “superficie de transferencia”. Realizando todos los cálculos y transformaciones termodinámicas necesarios y con algunas hipótesis simplificadoras se obtienen las ecuaciones:
L dt= Ka dV (hw-ha) = G dh (3)
Conde k es un parámetro numérico común al agua y a la película interfase, ha es la entalpía del aire a la temperatura de bulbo húmedo en cada punto, y hw es la entalpía del aire saturado a la temperatura del agua en cada punto.
En los sistemas en flujo a contracorriente la expresión anterior es identidad fundamental del proceso y comprende dos ecuaciones dependientes:
L dt= Ka dV (hw-ha)
G dh= Ka dV(hw-ha)
23
De las cuales pueden obtenerse por integración las siguientes expresiones: j ~ K a d V i L = j : : d t i h , - h ,
j ; K a d V l G = j i ; d h / h , - h a
o bien:
K a V / G = j : ; d h / h , - h a
La integral de la ecuación (8) es directamente proporcional al salto térmico (tl-t2) e inversamente proporcional al área ABCD de la Figura 8, ya que éSta es igual a la integral de (hw-ha) dt. El área ABCD depende del acercamiento (t2-th), del salto térmico (tl-t2) y de la relación agua -aire (L/G). Los mayores valores de la integral de la ecuación anterior implican, para un flujo másico de agua L determinado, mayores valores de KaV y, por Io tanto, una torre de mayor capacidad de enfriamiento.
tnta a h
Y
Aproximación termico Salto I
3
1
dh
th I
It2 t 4
t l b
Temperatura t
Figura 8. Diagrama entálpico
La línea curva en la Figura 8 representa la entalpía del aire saturado para cada temperatura, a una presión fija. La línea recta de la ecuación de la energía en su forma diferencial que representa el funcionamiento de la torre, La inclinación de la recta es función de la relación másica agua-aire empleada en dicha torre:
24
Dh/dt = tga=L/G (10)
Tener en cuenta Io anterior y observar, además, que la pendiente de la línea entalpía de saturación disminuye a temperatura más baja, se deduce que el problema de refrigeración es más complicado sí:
La temperatura húmeda th es más baja. El acercamiento (t2-th) disminuye. El salto térmico (tl-t2) aumenta. La relación agua-aire L/G aumenta.
Otra forma de expresar el balance de energía de una torre de enfriamiento es considerando el calor sensible, el calor latente y el calor total:
G(Calor sensible+calor latente)= LCpaguadTagu, (11)
Es decir la transferencia de calor total está dada por:
donde:
Awl. = AHL = Incremento de calor latente del aire. AHS = Incremento de calor sensible del aire
Que además es igual al calor total cedido por al agua:
Por otro lado tenemos una relación lineal entre AHS, AH,. de la forma:
Siendo y la ecuación de una curva que depende de las características del equipo estudiado y del medio ambiente.
Despejando y sustituyendo en la ecuación (11) obtenemos:
25
1.6. CURVA CARACTER~STICA
La curva característica relaciona la característica termodinámica de la torre, KaV / L, con la relación agua-aire L/G. Su cálculo se efectúa de forma experimental y no depende del problema termodinámico a resolver.
KaVlL
-
necesario
UG
Figura 9. Curva característica
Depende exclusivamente del problema termodinámico y expresa la característica requerida que aumenta al aumentar L/G. El valor de L/G para el que se verifica la ecuación (8) da el punto de diseño de la torre (Figura. 3.5.)
26
N Y
o
N Y O a CO I- * m (D m N r O
O O O r r r 9 9 9 9 9 O O o O O O O O 8 8 9 9 9
m a,
O o3
m I-
O I-
m co
O co
m m
O m
m d
O *
m m
O m
m N
O N
m r
O r
m
O Y
r
o O 7
o a CO r- (D m * 8 8 8 8 8 8
m
8 N
8 Y
9 O
O
8
1.7. CARTA PSICOMETRICA.
En la carta psicométrica (Figura lo), los ejes horizontales representan la temperatura de bulbo seco en la mezcla, la cual es medida con un termómetro de mercurio ordinario, en este caso en OF.
El eje vertical representa la razón de humedad (w), es decir la humedad que contiene la mezcla, expresada en libras de agua por libras de aire seco.
A cada temperatura de aire seco le corresponde una cantidad máxima de agua que puede ser absorbida. El aire en ese punto esta “saturado” con vapor de agua. Si la relación de humedad para cada temperatura de bulbo seco es representada con un punto y al unir esos puntos se forma una curva llamada “línea de saturación”.
Ahora agregamos algunas líneas de humedad relativa, la línea de 50% de humedad relativa contiene la mitad de la humedad que la línea de 100% de humedad relativa. Las líneas de 10 y 20% de humedad relativa contienen una cantidad de humedad proporcional también.
Cuando el aire saturado es calentado y el contenido de humedad en el aire no cambia, la humedad relativa desciende (por esto que se le llama humedad relativa), por lo tanto el aire caliente tiene mas humedad que el aire frío.
Se forma rocío cuando la temperatura de bulbo seco del aire esta por debajo de la temperatura de rocío o punto de rocío.
Cuando la temperatura de bulbo seco, el punto de rocío y la temperatura de bulbo húmedo se interceptan, la humedad relativa es del 100% La temperatura de bulbo seco es representada en la carta psicométrica por los ejes verticales.
El punto de rocío se encuentra siguiendo las líneas de humedad constante que cruzan horizontalmente. La temperatura de bulbo húmedo aproxima las líneas de entalpía constante (calor sensible y latente contenido en el aire).
La diferencia entre la temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo del aire ambiente es llamada “depresión de bulbo húmedo”.
Cuando el aire pasa a través de un intercambiador evaporativo, la temperatura de bulbo seco baja, pero la temperatura de bulbo húmedo permanece aproximadamente constante, debido a la humedad que se adhiere al aire por la evaporación. El funcionamiento de un intercambiador evaporativo se basa en la relación entre los grados que pueda enfriar al aire y los grados de la depresión de bulbo húmedo. Esta relación es llamada efectividad evaporativa o eficiencia del evaporador.
29
1.8. CONSUMO DE ENERGÍA EN LA TORRE
En una torre de refrigeración de tiro mecánico existen dos equipos elementales consumidores de energía: las bombas del agua de circulación y los ventiladores. Las bombas consumen energía con objeto de mover el agua de circulación y de gravedad. La potencia de bombeo en el eje puede calcularse con la siguiente ecuación:
Donde: Pb = Potencia de bombeo en el eje (kW) L = Caudal de agua de circulación (m3 /h) H= Altura de bombeo total (m). q b = Rendimiento de la bomba
El costo anual de la energía consumida por una bomba, que opera siempre en las mismas condiciones, y considerando que es accionada por un motor eléctrico, es:
Donde: Cb = Costo anual de la energía ($/año) tb= Horas anuales de funcionamiento (horas /año) e= Precio de la energía eléctrica ($/año). f(q)= Factor que contempla el recargo debido al factor de potencia de la instalación. qmb= Rendimiento del motor de la bomba.
En el caso más general, el costo anual de energía consumida en el bombeo se obtendrá integrando los costos instantáneos a lo largo del tiempo, ya que variarán el numero de bombas en funcionamiento; La potencia de bombeo de cada una de ellas e incluso el rendimiento del motor si existe alguna bomba de velocidad variable. También puede ser diferente en el tiempo el costo de la energía eléctrica.
La potencia consumida en ventilación puede calcularse por medio de la siguiente expresión:
Donde: Pv= Potencia de ventilación en el eje (kw). G= Caudal de aire en la torre (m3/s). pt= Presión total con la que opera el ventilador (mm de columna de agua). qt =Rendimiento total del ventilador
30
Puede calcularse así mismo el costo anual de la energía consumida por un ventilador que funcione siempre en las mismas condiciones:
Donde la nomenclatura tiene el mismo significado que en la expresión correspondiente a Cb, pero referido a ventilación (qr= rendimiento del reductor). En el caso más general, el costo anual de energía consumida en ventilación se obtendrá, como en el caso de bombeo, a partir de una integración de los costos instantáneos a lo largo del tiempo, por razones anteriormente expuestas.
31
CAPITULO 2. CARACTERISTICAS DEL EQUIPO
Las torres de enfriamiento de la central termoeléctrica de ciclo combinado de Tula son de tipo inducido a contraflujo.
Inicialmente fueron diseñadas con 5 celdas, sin embargo su capacidad era insuficiente para las condiciones de operación normal. De esta forma se la añadieron 3 celdas más.
Las características principales se encuentran en la tabla 2.
Los ventiladores son de aspas de ángulo variable que fluctua entre 11' y 17'. En la tabla 3 se muestran sus principales características.
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Tabla 2. Características principales de las torres de enfriamiento.
VENTILADORES Cantidad
diámetro 7 ~ No. de aspas Westinhouse Fabricante 8
14/ 1 Relación del reductor 127 RPM Velocidad Tiro inducido Tipo 9.15 m
Tabla 3. Características principales de los ventiladores.
En la Figura 11 se presentan las curvas de operación de los ventiladores. En ellos se puede apreciar la potencia requerida en función del ángulo de ataque de las aspas y del flujo volumétrico de aire requerido por la torre
32
CAPITULO 3. CARACTERISTICAS DEL SITIO
Como se mencionó al principio de este trabajo, la central de ciclo combinado Tula, se encuentra ubicada en el estado de Hidalgo, a 83 Km. al norte de la cuidad de México y a 8 Km de la Cuidad de Tula. Sus principales características meteorológicas se describen en las tablas 4 a 8.
LOCALIZACION Localización
Seco Condiciones Tula, Hidalqo, México
Altitud
Atmósfera agresiva Tipo de medio ambiente 590 mmHq Presión atmosférica 2116m. sobre el nivel del mar
Tabla 4. Localización de la Central termoeléctrica de ciclo combinado Tula.
TEMPERATURA AMBIENTE Bulbo húmedo Bulbo seco
Máxima (OC)
Mínima (OC)
- 31.0
13.0 15.5 Promedio (OC)
- O
Tabla 5. Temperaturas ambiente extremo y promedio
HUMEDAD RELATIVA Máxima (OC)
Mínima (OC) Promedio en 30 días (OC) 49
Tabla 6. Humedades relativas extrema y promedio.
VIENTO Máxima (km/h)
NE-SO Dirección del viento 185
Tabla 7. Velocidad y dirección del viento.
PRECIPITACION PLUVIAL Máxima en 1 hr. (mm)
35 Promedio anual (mm) 40
Tabla 8. Precipitación pluvial máxima y promedio
33
CAPITULO 4. DATOS EXPERIMENTALES
Con objeto de obtener información estadística respecto al comportamiento de la torre en función de las principales variables climáticas y de operación, se hizo un levantamiento de datos a diferentes celdas de la torre de enfriamiento norte de la central. De esta forma se tomó la temperatura de bulbo húmedo y bulbo seco del aire de entrada y salida de la torre.
Dada la dificultad de tomar información simultáneamente, la hora de levantamiento varia entre celda y celda. Así mismo, los cambios en las condiciones de entrada del aire en buenos tiempos son muy pequeñas y por lo tanto solo se tomaron al inicio y al final del levantamiento datos de la torre (Tabla 10, Figura 12 y 13).
La temperatura de entrada y salida del agua se tomo del levantamiento que realiza la planta. Por ello fue posible obtener la información de un año completo y cada hora. En la tabla 10 se presentan los datos de temperatura de entrada y salida del agua para tres días al mes durante 24 horas.
Las figuras 14 y 15 muestran el comportamiento anual de estas temperaturas. Obsérvese que la temperatura de salida de la torre mantiene una temperatura promedio de 28OC *2OC.
Sin embargo cuando la temperatura ambiente se incrementa con humedades relativas altas el gradiente de temperatura es mínimo y el trabajo de la torre de enfriamiento es despreciable. Es decir el trabajo desarrollado por los ventiladores y las bombas es inútil.
FLUJO DE AGUA Densidad del agua
0.0010034 m3/kq Volumen específico del agua 996.608 kg/m3
Velocidad promedio
34,767.4 GPM 2,193.40 L/s 2.19341 m3/s Flujo medido 1.87879 m/s
Tabla 9. Características del flujo de agua que entra a la torre de enfriamiento.
34
35
32
30
28
- 26
F
24
22
20
V A R I A C I O N D E L A T E M P E R A T U R A D E B U L B O S E C O A L A S A L I D A D E L A T O R R E A L O L A R G O D E L D I A
-CELDA I
+CELDA 2
C E L D A 3
. ..: .. C E L D A 4
--U---CELDA 5
- - e - C E L D A 6
- - -&- - -CELDA 7
"" C E L D A 8
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
H O R A
Figura 12. Temperatura de bulbo seco a la salida de la torre.
1 O 0
9 5
9 0
85
- c 80 .x
7 5
7 0
6 5
6 0
V A R I A C I O N D E L A H U M E D A D R E L A T I V A A L A S A L I D A D E L A T O R R E A L O L A R G O D E L D I A
-CELDA 1
.-=..CELDA 2
-.... C E L D A 4
C E L D A 3
+ C E L D A 5
--*.- C E L D A 6 " CELDA 7 ---..CELDA 8
7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9
H O R A
Figura 13. Humedad relativa a la salida de la torre.
36
31-DIC 20-DIC 10-DIC 30-NOV 20-NOV 10-NOV 3 1-OCT
("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) O 26 36 25 37 26 37 27 33 25 35 24 34 27 38
26 36 25 37 26 37 27 33 25 35 24 34 27 38
Hora Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida
Tabla 10,Temperaturas del aire a la entrada y salida de la torre de enfriamiento.
37
Hora
O 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14 15 13 17 18 19 20 21 22 23 24
2 8 ~ 39 ~ 28 ~ 40 30 40 29 39 29 39- 29 40 29 36 27 39 27 39 30 40 29 39 29 39 29 40 29 37 27 39 27 39 28 40 29 39 29 39 29 40 29 38 27 39 27 39 28 40 29 39 29 39 29 40 29 39
~~~~ ~~~
Tabla 11. Temperaturas de entrada y salida a la torre de enfriamiento
38
I 30-JUN I20-JUN I 10-JUN Salida I Entrada I Salida I Entrada I Salida I Entrada I Salida ("C) I ("C) I ("C) I ("C) I ("C) I ("C) I ("C) 34 I 281 391 281 391 281 34 _ . I
34 28 39 28 39 28 34
34 28 39 28 38 28 34
35 28 39 28 39 28 33
35 30 40 30 40 28 34
30 40 30 40 29 34 3s 30 40 30 40 29 34 " I I I I I 1
34 30 40 30 40 28 33
34 30 40 30 40 28 33
~~~ ~
-~
34 30 40 30 40 28 33
34 29 39 29 33 28 39
I I 1 I I 1
34 29 39 29 32 27 38- 34 29 39 29 33 28 38
34 28 38 28 33 28 38
34 29 39 29 34 28 38
Tabla 11. (continuación)
39
Tabla 11. (continuación)
40
10-MAR 29-FEB 20-FEB 10-FEB 31-ENE 20-ENE 10-ENE 1-ENE Hora Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida
("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C) ("C)
Tabla 11. (continuazon)
41
41
39
37
- E 35 I 5 +
33
31
29
VARlAClON DE LA TEMPERATURA DEL AGUA A LA SALIDA DE LA TORRE A L O L A R G O D E DIA
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
HORA
~ ~~
-31/12/96 -&"20/12/96 10/12/96 ...( 30/11/96 -$#-20/11/96 +10/11/96 ~ 3 1 / 1 0 / 9 6 -20/10/96 -.-.-..,,.-,.-..10/10/96 3110196 20109196 10/09/96 '...' . 31/08/96
-10/04/96 -30/03/96 .+&-"20/03/96 +l0/03/96 -++"29102/96 +20/02/96 10/02/96 +31/01/96 ......,.... 20/01/96 ~ 1 0 / 0 1 / 9 6 1/01/96
~~~
Figura 15. Temperatura del agua a la salida de la torre.
31
30
29
28
- 27
f 26
9 -
25
24
23
22
CAMBIO DE LA TEMPERATURA DE ENTRADA DEL AGUA A LA TORRE A LO LARGO DEL AÑO
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
HORA
-10/04/96 ~ 3 0 / 0 3 / 9 6 ".20/03/96 +10/03/96 +29/02/96 -j(t20/02/96 10/02/96 -+-"31/01/96 .......... .20/01/96 -10/01/96 1/01/96
.~
Figura 14. Temperatura del agua a la entrada de la torre.
Tabla 12. Datos eléctricos de los motores de los ventiladores.
2 19:15 451 96 72.98 65.79 89 3 19:15 449 94 73.72 65.71 88 1 19:20 449 93 73.07 65.24 90
2 I 19:201 451 I 92 I 71.65 I 64.34 I 90 3 I 19:201 449 I 91 71.15 I 62.89 I 87
0.814 0.81301 0.80719 - 0.79606 0.77812 0.8599 0.86276 0.8441 0.8251 6 0.81609 0.79981 0.84555 0.85903 0.84744
- - - - 0.82709 0.8178 0.78397
~~ ~
Consumo de energia hr’año I IkWhaiio) I
I
8760 I 71 8.846 I 620,821 588,146
8760 522.797 564,932 544,960 578,072 595,242
8760 580,604 8760 548.026
8760 I 563,618 8760 I 550,916 8760 608,820 8760 61 0,844 ‘8760 597,633 8760 584,222 8760 577,801 8760 566,273 8760 598,658 8760 608,207 8760 599,999 8760 585.588 8760 I 579,010 8760 I 555.060 I
52
CAPITULO 5. RESULTADOS.
5.1 MOTORES DE ALTA EFICIENCIA
Acción Recomendada Se pueden adquirir motores de alta eficiencia para reemplazar a los existentes, que son estándar, conforme van saliendo de operación.
Antecedentes Los motores de alta eficiencia se construyen con mejores cojinetes y embobinados para reducir las pérdidas por fricción y resistencia eléctricas. Dependiendo de la potencia de un motor dado de alta eficiencia, las eficiencias de operación pueden ser de 1% a 10% superiores a las de los motores estándar existentes. En general, entre más grande sea el motor, el incremento en eficiencia es menor. Normalmente, el bono en costos (o costo diferencial del motor) resulta en inversiones rentables para los motores de alta eficiencia.
Ahorros Previstos Las características de operación, la eficiencia estimada y los consumos de energía de los motores actuales, se resumen en la tabla 1. Estos datos junto con los que se reportan en la tabla 2 respecto a las características de los motores propuestos de alta eficiencia, se usan para calcular el potencial de incremento en eficiencia, los ahorros de energía y demanda y sus respectivos costos. El ahorro de energía anual, ES, y el ahorro en costos por energía, ECS, que pudieran ser obtenidos al instalar motores de alta eficiencia sobre la base de remplazo de los motores quemados, se puede calcular como sigue:
ES=HPXNXC,XLFXUFXHX [ ic - ip 1 donde:
N = c1 = LF =
UF = H = E, = E, =
número de motores de un tamaño dado, sin unidades constante de conversión, 0.746 kW/hp fracción de la carga a la cual el motor opera normalmente, se supone que es de
fracción de tiempo en el que motor opera actualmente, sin unidades tiempo de operación del equipo accionado por el motor, hrlaño eficiencia estimada del motor existente (a 75% de carga, sin unidades eficiencia estimada del motor propuesto (a 75% de carga, sin unidades
75%
En este caso, los ahorros de energía en una base anual para los motores de 100 hp de los ventiladores de la torre de enfriamiento se calculan como sigue:
ES = (1 00)(8)(0.746)(0.81)(1)(8760) ( 0.&53 - 0.952 ' ) = 139,758.20kWh/aiio
53
Los ahorros de demanda, DS, resultantes de la instalación de motores de alta eficiencia puede estimares como sigue:
donde: HP = potencia del motor considerado, hp CF = factor de coincidencia (probabilidad de que el equipo contribuya al pico de la
demanda en la empresa), por mes DUF = fracción del año en cual el equipo contribuye al pico de demanda, sin unidades
Cz = constante de conversión, 12 meseslañ0
Por lo tanto de los motores de 100 hp de los ventiladores, se encuentran operando de manera cercana al 65% de su carga, cuando se produce el pico de demanda mensual, por lo tanto, CF = .65/mes. Los ventiladores operan todo el año, por lo que DUF = 100%. Entonces, los ahorros por demanda y sus costos respectivos se calcula como sigue:
DS = (100)(1)(0.746)(0.81)(1)(1)(12)
A partir de los cálculos anteriores, los ahorros de energía son de 139,758 kWh/año, los ahorros totales de demanda son de 191.45 kW/año. Los ahorros totales de costos derivados de la instalación de motores de alta eficiencia son de $l39,949/año.
5.2. VARIADORES DE VELOCIDAD.
Acción Recomendada Pueden instalarse controles de velocidad variable en los motores de las torres de enfriamiento. Se recomienda emplear controladores de frecuencia variable.
Antecedentes En muchas aplicaciones comerciales e industriales, el empleo de controles de velocidad variable puede ser económicamente atractivo. Los ahorros de energía se deben a la reducción de la potencia consumida por los motores al variar la carga en el tiempo. En el caso de bombas en la actualidad el flujo se controla mediante válvulas, incrementando la pérdida de carga para reducir el flujo másico. En ese caso los requerimientos de potencia son prácticamente constantes a cualquier régimen de carga. El flujo proveniente de ventiladores se controlan también mediante mamparas, con el mismo efecto: se incrementa la pérdida de carga, la potencia permanece prácticamente igual y el flujo disminuye.
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Ahorros Previstos En los ventiladores de la torre de enfriamiento se puede instalar variadores de frecuencia por las condiciones del clima a lo largo del año. Puesto que la temperatura y la humedad cambia constantemente en el año, el proceso de intercambio térmico se lleva a cabo con mayor o menor facilidad, por consiguiente se requiere más o menos potencia en los ventiladores de la torre.
Los ahorros de energía en base anual de un equipo dado, ESn, pueden estimarse como sigue:
donde:
Pwa = Potencia actual dada por el motor en la estación ídel año, k W Pwp = Potencia propuesta para el motor en la estación idel año, k W
H = horas de operación del motor dado, h/año
Considerando los ahorros de energía para uno de los motores de los ventiladores de la torre de enfriamiento, E., se estiman como sigue:
ES,=(l00-85)(2190)+(100-100)(2190)+(100-95)(2190)+ (1 O0 - 90)(2 1 90)
ES, = 65,700.00kWh / afio Los ahorros por demanda se obtuvieron con base en la variación del factor de carga que se calculo por medio del cambio en el flujo de aire (APENDICE 1).
Los ahorros por demanda, OS, pueden ser estimados como sigue:
donde:
CF = fracción de la potencia disminuida que contribuye al pico de la demanda en la
DUF = fracción del año en el que el equipo contribuye al pico de la demanda, sin planta, por mes
unidades. = constante de conversión, 3 estaciones/año
55
(22.85 - 22.85 x 0.6)+ (22.85 - 22.85 x 1)+ (22.85 - 22.85 x 0.7)+
22.85 - 22.85 x 0.4) 1 (311x1) = 89.13kW/ aiio
DCS, = ($6.45/kWX89.13kW/aiio)= $574.89/año
CAPITULO 6. EVALUACION ECONOMICA.
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6.1 MOTORES DE ALTA EFICIENCIA. Los ahorros de costos para los 8 motores de la torre de enfriamiento están dados por:
Ahorro por energía =(139,758.20 kWh/año)($O.O40/kWh)= $5,450.6/año Ahorro por demanda= (191.45 kW/año)($6.45/ kW)=1,234.8/año Ahorro anual total= $6,685.4/año Ahorro anual por motor= $835.67
Costos de Implementación Los costos de implementación están basados en el costo de reemplazo de los motores existentes por motores de alta eficiencia, conforme los primeros se van quemando o saliendo para reparación, en vez de reemplazarlos por motores de la misma eficiencia. El costo de implementación y el período simple de retorno de todos los motores considerados en este caso se da en la Tabla 13.
De la tabla, se observa que el costo total de implementación es de $43,079.04 Los ahorros de costos de $6,835.67/año pagarán su implementación en aproximadamente 6 años, 4 meses. Si se consideran los costos diferenciales la inversión es únicamente de $4,896.00 que se pagará en 7 meses.
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Ahorros Incrementales Los ahorros totales debidos al reemplazo de los motores quemados por motores de alta eficiencia dependerán de la vida de los motores viejos. Suponiendo que una distribución homogénea de la vida de los motores en todas las áreas consideradas, la fracción actual de motores que debe ser reemplazada, f, se estima como sigue:
1 = EML
1 8
f = - = 0.1250por año
donde EML es la vida estima del motor en años. La vida estimada promedio de los motores estándar se estima en 12 años, con base en información proporcionada en la empresa y por experiencias previas en otras plantas. Sin embargo solo son 8 motores por lo tanto consideraremos el cambio de un motor por año, entonces, la fracción de motores que debe reemplazarse anualmente es: Los ahorros al final del primer año serán la fracción la fracción de motores quemados en un
año multiplicado por los ahorros anuales de todos los motores. Cada año de los siguientes serán reemplazados más motores originales por los de alta eficiencia, entonces, los ahorros incrementales en el año n, IS,, pueden ser estimados como sigue: Los ahorros incrementales de energía no pueden ser mayores que los ahorros totales calculados cuando todos los motores han sido reemplazados (Le., si f x n > 1, entonces f x n = 1). Los ahorros incrementales de energía, demanda, costos por energía, demanda y totales que pueden ser realizados se dan en la siguiente tabla 4.
1
37.50% 3 1,896.00 1,553.00 38,818.00 343.00 53.20 25.00% 2 947.00 776.00 19,409.00 171.00 26.60 12.50%
3,791.00 3,105.00 77,636.00 686.00 106.3 50.00% 4 2,843.00 2,329.00 58,227.00 514.00 79.7
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Tasa Interna de Retorno (IRR)
IRR = ¡I+( i 2 - il) [VPJAbS (VP,) + Abs (VP2)]
VP = costo inicial + anualidad ( P/A, i=IRR, n) = O donde: VP= Valor presente n = Ciclo de vida
Por lo tanto: Tabla 5. Tasa Interna de Retorno Para la Inversión Total
Inversión 7582.47088 7582.47088 Ahorros al año 1
-4896 -43079.04 Total Diferencial
Ahorros al año 2
7582.47088 7582.47088 Ahorros al año 4 7582.47088 7582.47088 Ahorros al año 3 7582.47088 7582.47088
Ahorros al año 9 7582.47088 7582.47088 Ahorros al año 10
7582.47088 7582.47088 Ahorros al año 11 7582.47088 7582.47088
Ahorros al año 12 , , , , , 1 55O/oi TIR I , , , -+&
7582.47088 7582.47088
6.2 VARIADORES DE VELOCIDAD.
Los ahorros de costos para un motor de los ventiladores de la torre de enfriamiento con variador de velocidad, ECS;, se estiman de acuerdo a os resultados obtenidos en 5.2 y queda como sigue:
ECS = ES x cos to promedio de la electricidad
ECS = ( 43,800.00kWh/afio)($0.040/kWh) = $2,628.00/afio
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En la siguiente tabla se presenta el resumen de los ahorros de costos y energía los 8 motores considerados en el estudio.
IVent. # 8 Torre de Enfriamiento I 179.711.00 I 138.868.0 I 179.711.0 I 155.205.0 I 147,037.0 I Vent. # 9 Torre de Enfriamiento
1,176,296 1,437688 1 1,241,640 1,110,944 1,437,688 TOTAL 147,037.0 179,711.0 I 155,205.0 138,868.0 179,711.00
Vent. # 1 Torre de Enfriamiento
3,921.00 98,028.00 32,674.00 24,506.00 0.00 40,843.005 Vent. # 5 Torre de Enfriamiento 3,921.00 98,028.00 32,674.00 24,506.00 0.00 40,843.005 Vent. # 4 Torre de Enfriamiento 3,921.00 98,028.00 32,674.00 24,506.00 0.00 40,843.005 Vent. # 3 Torre de Enfriamiento 3,921.00 98,028.00 32,674.00 24,506.00 0.00 40,843.005 Vent. # 2 Torre de Enfriamiento 3,921.00 98,028.00 32,674.00 24,506.00 0.00 40,843.005
I Vent. # 6 Torre de Enfriamiento 140,843.005 I 0.00 I 24,506.00 I 32,674.00 I 98,028.00 I 3,921.00 I Vent. # 7 Torre de Enfriamiento
31,368.96 784,224.00 261,392.00 196,048,OO 0.00 ' 326,784.00 TOTAL 3,921.00 98,028.00 32,674.00 24,506.00 0.00 40,843.005 Vent. # 8 Torre de Enfriamiento 3,921.00 98,028.00 32,674.00 24,506.00 0.00 40,843.005
Como se muestra en la tabla los ahorros totales anuales de energía ascienden a 784,224 kWh/año y los ahorros anuales totales por energía ascienden a $31,368.96/año.
Los ahorros de costos por demanda, DCS, pueden ser estimados como sigue:
DCS, = DS, x costo medio de la demanda
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donde: CF = fracción de la potencia disminuida que contribuye al pico de la demanda en la
DUF = fracción del año en el que el equipo contribuye al pico de la demanda, sin planta, por mes
unidades. CZ = constante de conversión, 3 estaciones/año
Continuando con el ejemplo anterior del motor del ventilador norte de la torre de enfriamiento los ahorros por demanda y los costos asociados por demanda se calculan como sigue: En la siguiente tabla se resumen los ahorros por demanda y sus costos ara otros equipo P
DCS, = ($6.45 / kWX89.13kW / afio) = $580.50 / ail0
considerados en la planta.
Vent. # 6 Torre de Enfriamiento 300 255 300 285 270 Vent. # 7 Torre de Enfriamiento 300 255 300 285 270 Vent. # 8 Torre de Enfriamiento 300 255 300 285 270
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Enfriamiento
Enfriamiento Vent. # 6 Torre de 45 0.00 15.00 30.00 90 .o0 580.50
Vent. # 7 Torre de 45 0.00 15.00 30.00 90 .o0 580.50 Enfriamiento
Vent. # 8 Torre de 45 0.00 15.00 30.00 90.00 I 580.50
Como se muestra en la tabla, los ahorros totales de demanda son de 720.00 kW/año y el costo total ahorrado por demanda es de $4,644 /año.
62
Costos de Implementación Los costos de los controladores de velocidad variable se estimaron de la literatura de los fabricantes y proveedores. Estos costos se resumen en la siguiente tabla.
Tabla 4. Costos de Implementación y Período de Recuperación.
Enfriamiento Vent. # 2 Torre de 7.5 33,375.00 4,005.00 2670.00 26,700.00 4501.62 100.00
Enfriamiento
Enfriamiento
Enfriamiento
Enfriamiento
Enfriamiento
Vent. # 3 Torre de
7.5 33,375.00 4,005.00 2670.00 26,700.00 4501.62 100.00 Vent. # 7 Torre de
7.5 33,375.00 4,005.00 2670.00 26,700.00 4501.62 100.00 Vent. # 6 Torre de
7.5 33,375.00 4,005.00 2670.00 26,700.00 4501.62 100.00 Vent. # 5 Torre de
7.5 33,375.00 4,005.00 2670.00 26,700.00 4501.62 100.00 Vent. # 4 Torre de
7.5 33,375.00 4,005.00 2670.00 26,700.00 4501.62 100.00
Enfriamiento Vent. # 8 Torre de 7.5 33,375.00 4,005.00 2670.00 26,700.00 4501.62 100.00
Enfriamiento TOTAL 7.5 213,600.00 23,224.00 170,880.00 1 19,496.00 36,012.96
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Tasa Interna de Retorno (IRR)
IRR = ¡ I+( iz - il) [VPl/AbS (VP,) + AbS (VPJ] VP = costo inicial + anualidad ( P/A, i=IRR, n) = O
donde: VP = Valor presente n = Ciclo de vida
Por lo tanto: Tabla 5. Tasa Interna de Retorno Para la Inversión Total
IInversiÓn 1 (33,375.00) IAhorros año 1 1 4,501.62 $1 IAhorros año 2 1 4.501.62 $1
[Ahorros año 8 I 4.501.62 $1 [Ah,orros año 9 I 4,501.62 $1 Ahorros año 10 4,501.62 $- IRR 5 O/o
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8. BIBLIOGRAFÍA
1. Cooling Tower Institute. Basic concepts of cooling tower operation Cooling tower manual. Enero 1997
2. Cheremisinoff N.P., Cheremisinoff P.N., Cooling Towers, sellection, design and practice. USA Ann Arbor Sienca Publishers, Inc, 1981
3. Baker D., Performance Cooling Towers USA Chemical Publishimg Co. 1984
4. Keenan, Joseph H, Keyes, F. G. Etal, Steam Tables: Thermodinamic propieties of water, including vapor, liquid and solid phases. USA. John Willey Sons Inc.
5. Trebal, Robert E. Mass transfer Operactions Segunda Edición. International Student Edition Mc. Graw-Hill Book Company.
6. Elementos para un método de evaluación y simulación de torres de enfriamiento Instituto Mexicano del Petróleo 1996.
7. ASHRAE PSYCHOMETRIC CHART No 5. Normal Temperature - High altitude (590mmHg)
65
APENDICE 1. CALCULO DEL FLUJO DE AIRE
Para calcular el flujo de aire por celda en la torre de enfriamiento se utilizó la ecuación 15 del balance de calor con las siguientes consideraciones.
0 El decremento en la temperatura del agua debe ser de mínimo 10°C.
0 El flujo de agua por celda es de 167 m3/min.
0 El valor de la función y (relación entre calor sensible y calor total) para cada temperatura
de bulbo seco y humedad relativa de entrada a la torre, se obtuvo de las ecuaciones de
las curvas (Tabla 6) de los valores obtenidos del diagrama psicométrico para
temperatura normal y presión atmosférica de 590 mmHg (Tabla 7).
0 Las capacidades caloríficas del agua y el aire se consideraron constantes para todo el
proceso.
TABLA 7. FUNCIÓN y
TBS ("C) Función y 5 0.003(HR)+0.00255 10
0.00004(HR)+.0225 20
0.002(HR)+0.00204 15 0.0011(HR)+0.1500
25 0.0015(HR)+.0002 30 0.0025(HR)+.0018
- 35 0.0007(HR)+.0015
66
67
