anÁlisis de una red de distribuciÓn de agua para...
TRANSCRIPT
ISSN 2007-1957
1 Ejemplar 13. Julio-diciembre de 2015
ANÁLISIS DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA PARA
ENFRIAMIENTO DE UN HORNO DE ARCO ELÉCTRICO EN LA
PRODUCCIÓN DE ACERO.
J. SantanaVillarreal Reyes
Instituto Politécnico Nacional-Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad
Azcapotzalco
FredyDonís Sánchez
Instituto Politécnico Nacional-Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Unidad Azcapotzalco
Juan JoséMartínez Cosgalla
Instituto Politécnico Nacional-Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad
Azcapotzalco
Abstract
The cooling in an electric arc furnace is essential for steel production, as it is cast is1567°C, is for
this high temperature furnace must be maintained at 1000° C or less. The pressures involved
affecting about this process, so it is necessary to have a good network design cooling. In this paper
we are calculated through continuity equations, energy balance and analysis of parallel pipes Flow
Distribution and charge pump in order to reduce the cost of operation and maintenance of pumping
equipment. The proposal for a new team that raises the performance electromechanical and decrease
the number of accessories it allows for better conditions in the cooling system to the electric arc
furnace.
Palabras clave: Bombas, Carga Dinámica Total, Caudal Volumétrico, Rendimiento.
El análisis técnico se realiza en las
condiciones que se tienen en cuanto a gasto,
carga, potencia de accionamiento,rendimiento
y NPSH de la planta de bombeo, para el
sistema de enfriamiento al horno de arco
eléctrico para la producción de acero, con los
datos arrojados por la memoria de cálculo es
posible presentar una propuesta que eleva el
rendimiento electromecánico delsistema de
bombeo, utilizando reingeniería, para que el
proyecto tenga un costo lo menor posible,
además el consumo de energía eléctrica
disminuye al 50%.El incrementar el
rendimiento electromecánico hace posible
disminuir los costos de operación y
mantenimiento de la planta en términos
ISSN 2007-1957
2 Ejemplar 13. Julio-diciembre de 2015
económicos y de mejoras en el sistema
hidráulico. Apoyados en conocimientos
teóricos de hidráulica dinámica se desarrollan
los cálculos para mejorar el sistema de
bombeo.
ANALISIS DEL SISTEMA ACTUAL.
En el sistema hidráulico de enfriamiento del
horno por arco eléctrico, el equipo de bombeo
y le red de tuberías existente no está
conforme a normas de diseño lo que ha
generado problemas como son variaciones de
presión, el exceso de accesorios figura 1, trae
mayor pérdidas de energía, esto hace que la
bomba requiera mayor potencia y se generen
vibraciones.
Fig. 1 Tuberías de conducción de agua de
enfriamiento actuales.
Equipo actual en operación.
Tabla 1 Datos de las bombas
Ident
ifica
ción
Descripci
ón
Especific
aciones
técnicas
Modelo Marc
a
A21WP
U/01,02
y 03
3 Bombas
Verticales tipo
turbiana
Q=500m3/hr;
H=7bar
Motor
trifásico
,
200HP,
440 V,
1800
RPM.
14 MC-3-
12 x 1
11/16 x 10
Peerless
Tisa
La figura 2 muestran la instalación de las
bombas que actualmente están operando y la
tabla 1 son las condiciones técnicas en que
trabajan.
Fig. 2 Bombas verticales en operación.
El punto de operación de cada bomba que
trabaja en paralelo, es el que nos muestra la
figura 3.
Fig. 3 Curva característica de las bombas. Fuente:
Catálogo de bombas Peerless Tisa.
En la planta se tienen muchas variaciones de
caudal debido a que hay horarios en los que la
planta está a su máxima capacidad y horarios
en los que no, para esto se consideran 2 casos.
Caudales que se toman a consideración para
los cálculos pertinentes.
.
ISSN 2007-1957
3 Ejemplar 13. Julio-diciembre de 2015
Caudal de trabajo (Q) de 500 m3/hr, carga
dinámica total (H) de 86 psig, tubería de acero
al carbón oxidado cédula 40 soldable,
diámetro nominal 12 pulgadas, longitud de
110 m. Líquido de bombeo agua a 20°C,
viscosidad cinemática de 1.0038x10-6
m2/s,
densidad de 998.2 kg/m3.
Determinando el área de la tubería:
De la ecuación de continuidad se obtiene
la velocidad del sistema:
𝑄 = 𝑉1 ∗𝐴1 ---------------------- (1)
Rugosidad relativa:
Determinación del número de Reynolds:
6100038.1
3048.0/90.1Re
msmvD
=
Re = 577,387.78 ≈ 5.8510 (régimen
turbulento).
Del diagrama de moody se lee el coeficiente
de rozamiento (λ).
λ = 0.018
Cálculo de pérdidas primarias y
secundarias:
Tabla 2. Longitudes equivalentes.
Accesorio
No.
Acc.
Le (m) ∑ Le
(m)
Codo 90°x 304.8
mm
18 6 108
Codo 45°x 304.8
mm
10 4.3 43
Vál de compuerta
½ abierta de
304.8 mm
1 60 60
Longitud equivalente = 211 m.
Longitud de tubería recta = 110 m.
g
v
D
LLH e
r2
2 =
gHr
2
9.1
3048.0
211110018.0
2 = 3.48
m.c.agua.
Los resultados anteriores solo abarcan la
primera sección, antes de entrar al HAE
(fig. 4).
Fig. 4 Sección antes de entrar al HAE.
En esta parte del proyecto se calculan las
pérdidas en el anillo de la red de
enfriamiento del horno de Arco Eléctrico
(HAE.), figura 5.
ISSN 2007-1957
4 Ejemplar 13. Julio-diciembre de 2015
Fig. 5 Anillo de enfriamiento𝐻𝐴𝐸 red en
paralelo.
La tabla 3 muestra los datos de caudal
de las tuberías en paralelo y las
propiedades del líquido a bombear.
Tabla 3 Datos del proyecto y longitud de
tuberías en paralelo.
Rugosidad relativa
Se propone λ aleatoriamente para
cada una de las secciones de tubería y
con esto empezar el cálculo. De la
ecuación 2. Se de terminan las pérdidas
de la red en paralelo.
2---
)/(
8 2
22
1g
Q
kDH
ii
n
i
r
5
2
54
2
43
2
3
2
2
21
2
1
1
2
kDkDkD
kDkDk
Dn
i i
i
6
51
2
5
4
44
2
4
3
33
2
3
2
22
2
2
1
11
2
1
1
2
D
LD
D
LD
D
LD
D
LD
D
LD
k
Dn
i i
i
Para determinar las velocidades en las
tuberías se utiliza la ecuación 3.
-------------3
De la ecuación 1 se determina el
caudal de cada tubería.
Tabla 4 Distribución de velocidades en las
tuberías en paralelo.
Tubería. Velocidades Áreas Q = VA
N° m/s m2 m3/s
Tubería 0.369 0.0730 0.0269
Q 0.14 m3/s
L1 30 m
L2 28 m
L3 25 m
L4 28 m
L5 30 m
Dint 0.3048 m
δ 998 kg/m3
VISC-DIN 1.00E-03 kg/ms
ISSN 2007-1957
5 Ejemplar 13. Julio-diciembre de 2015
1
Tubería
2
0.385 0.0730 0.0281
Tubería
3
0.411 0.0730 0.0300
De la salida del horno en donde se
encuentran las tuberías en paralelo hasta
el cárcamo de la descarga figura 6, se
determina la caída de presión por
separado.
Fig. 6 Descarga de agua caliente al cárcamo.
En esta parte de la tubería se tienen
los siguientes datos:
k/D = 0.000656.
Re =VD/ν = 1.05x010-6
.
Calculando la carga dinámica total de la
bomba que opera en el sistema (H).
H = 58.71 m.c.agua.
Potencia hidráulica.
P = Q H ρ g -----------------------------------6
P = 0.14 X 58.71X1000 X 9.81 = 80.63 KW
P = 107 HP.
En la figura 7 se muestra la carga que la
bomba entrega al sistema de tuberías
para el enfriamiento del horno.
Fig. 7 Cárcamo de succión y descarga.
El rendimiento que se lee en la curva de
operación de la bomba es del 77%, con
este rendimiento se calcula la potencia de
accionamiento, conocida también como
potencia al freno.
Pa = 138.96 HP.
Como se puede deducir de esta memoria
de cálculo el motor que se tiene operando
de 200HP a un para el sistema actual está
muy sobrado.
DEPO
SITO
∆P=58.7
1mca
422
22
22
21
11 tHr
g
vZ
g
pH
g
vZ
g
p
tHrg
v
g
vZZ
g
p
g
pH )
22()()(
21
22
1212
93.3)62.19
9.1()5.40()
9810
0.101325
9810
2.592944(
2
H
ISSN 2007-1957
6 Ejemplar 13. Julio-diciembre de 2015
SELECCIÓN DE LA VÀLVULA
REGULADORA DE CAUDAL Y
PRESIÒN.
El objetivo principal es regular el caudal
y la presión en el horno de arco eléctrico,
por lo tanto se seleccionó la válvula
teniendo en cuenta los siguientes
criterios:
• Tipo de fluido del sistema;
• Condiciones de operación del
sistema;
• Sistema de servicio crítico.
Teniendo en cuenta dichos criterios se
compararon válvulas y se seleccionó la
que mejor se adapta a nuestra necesidad.
Por cumplir las necesidades que se tienen
de regular el caudal y la presión
(Automáticamente).Marca: Vamex,
Modelo 1550C, flujo máximo 325 lps,
velocidad máxima 4.5 m/s, Diámetro
12”, Presión Máxima figura 8
Fig.8 Válvula reguladora de presión.Fuente:
Catálogo de Vemex.
ANALISÌS DE LA RED
PROPUESTA.
La figura 9 es la red hidráulica propuesta
disminuyendo el número de accesorios,
para mejorar el sistema de enfriamiento
en cuanto al consumo de energía
eléctrica.
Fig. 9 Red propuesta.
En la red hidráulica propuesta se
mantiene el mismo diámetro de la
tubería, el mismo material dando el
mismo caudal, en la red propuesta la
longitud equivalente por los accesorios
disminuye a 172.3 m.
Realizando nuevamente la memoria de
cálculo como se hiso anteriormente con
la ecuación 2 para tuberías en paralelo,
utilizando la ecuación 4 se valora
nuevamente la carga dinámica total de la
bomba de la red propuesta.
H = 56.1 m.c.agua.
Con la carga de 56.71 m. c. agua., y el
caudal requerido de 0.14 m3/s equivale
a 2219 GPM y 186 pies columna de agua
se selecciona una bomba que me
proporcione mayor rendimiento como la
curva característica de la bomba figura
10, marca BNJ vertical de 2 pasos
diámetro del impulsor 12 pulgadas.
tHrg
v
g
vZZ
g
p
g
pH )
22()()(
2
1
2
212
12
tHrg
vZ
g
pH
g
vZ
g
p
22
2
22
2
2
11
1
879.1)62.19
9.1(5.4)
9810
101325
9810
592944(
2
H
ISSN 2007-1957
7 Ejemplar 13. Julio-diciembre de 2015
Fig. 10 Curva caracteristica. Fuente: Catàlogo
bombas BNJ.
La bomba opera con un rendimiento del
82.5% proporcionando un caudal de
2300 gpm y una carga 186 pies de carga
total, para este punto de operación
requiere una potencia de accionamiento
de 130.9 HP.
Como se observa la potencia de
accionamiento de la bomba propuesta es
por mucho menor de 200 HP que tiene
actualmente a 130.9 HP una disminución
de 70 HP.
La curva característica de la figura 11 es
otra opción que se tiene para resolver
este problema es marca BNJ, pero sin
duda que hay otras bombas de otras
marcas que podrán proporcionarnos el
caudal y carga de diseño que la empresa
requiere en el sistema de enfriamiento al
horno de arco eléctrico pera la
producción de acero.
Fig.11 Curva característica bomba turbina.
Fuente: Catálogo de bombas BNJ.
COTIZACIÓN DE MATERIALES
Y EQUIPO Precios de materiales necesarios que
conformarán el tren de regulación y
motor que reemplazará al actualmente
usado en la bomba tabla 5.
Tabla 5 Costo materiales y equipo.
MATERIALES PRECIO
UNITARIO
Válvula reguladora diámetro 12” marca
VAMEX $42000.00
Válvula check diámetro 12” $27552.00
Tubo acero al carbón Ced. 40 diámetro
12” $ 2462.50
8 bridas Slip-On 150 psi $ 1125.00
60 tornillos 5/8” x 4“ grado 5 $ 10.00
Consecutivo de tabla 5
60 tuercas grado 5 5/8” estándar $ 3.05
Rondana de presión 5/8” $ 1.12
5 empaques de plomo 5” de diámetro $
349.26
ISSN 2007-1957
8 Ejemplar 13. Julio-diciembre de 2015
Cople de ¾” de diámetro 3000psi liso $ 98.33
Reducción bushing de¾ a ¼” $ 15.20
Niple sifón de ¼” $ 42.50
Válvula de esfera de 1/4” $ 47.00
Manómetro de glicerina inferior (0-11 kg
/cm2) caratula de 2 ½ $
180.12
Motor eléctrico tipo jaula de
Ardilla vertical 150 HP trifásico 440v 1800
rpm
$
71000.00
$148196.58
(M.N)
TOTAL $11577.85
USD
ANALISIS DE BENEFICIOS Las bombas actualmente están operando
con un motor de 200 HP trifásico a 440v
y 1800 rpm vertical tipo jaula de ardilla.
El objetivo de trabajar con este motor es
que las bombas puedan entregar un
caudal de 500 m3/hr. Si se realiza una
conversión para conocer cuántoskW-hr
se están consumiendo con ese motor
tenemos que:
200HP----------149.2Kw-hr
En un año tenemos un consumo de:
(149.2kw-hr)(24hr) (365 Dias) = 1 306
992 kw-hr.
Según los cálculos realizados y a
150 HP.
Analizando este motor eléctrico.
150 HP----------111.9 Kw-hr
En un año tenemos un consumo de:
(111.9 kw-hr)(24 hr.)(365 Dias) =
980244 kw-hr
Si observamos el consumo de energía del
motor con que opera el equipo de
bombeo con respecto al propuesto existe
una diferencia entre los dos consumos
de: 1306 992 kW-hr – 980 244 kW-hr =
326 748 kW-hr en un año. Tomando en
cuenta el costo por kilowatt-hora según
Luz y Fuerza del Centro de 0.86 pesos a
industrias grandes, tenemos que el ahorro
de energía de la empresa será de:
(326748kw-hr) (0.86) = $ 281003.28
pesos de ahorro al año.Si se analiza lo
anterior se puede observar que la
Empresa con el servicio de ingeniería
que se realizaría; que tiene un costo total
de 25773.31 USD, tiene un excelente
ahorro de energía al año, con lo que la
inversión podría ser recuperada en menos
de un año y tres meses, como se plantea a
continuación:
COSTO TOTAL.........25773.31 USD
(Tomando en cuenta el precio actual del
dólar de $12.86 a la venta). El costo del
proyecto sería de:
$ 329 898.36
Ahorro de energía al año de.
$ 281 003.28
Ahorro de energía mensual.
$ 23416.94
ISSN 2007-1957
9 Ejemplar 13. Julio-diciembre de 2015
Si se realiza la diferencia entre el costo
total del proyecto y el ahorro de energía
al año obtenemos lo siguiente:
$ 329 898.36 - $ 281 003.28 =
$ 48 895.08.
Por lo tanto la inversión sería recuperada
en tan solo 1 año y 2.08 meses; después
de este tiempo sería un ahorro neto para
la Empresa.
Resultados.
Las bombas actualmente operan con un
motor cuya potencia supera a la
necesaria; la identificación de este factor
nos permitió proponer un motor eléctrico
de menor capacidad que satisface las
necesidades que se requieren en la red de
distribución.
Conclusiones
Con la ingeniería aplicada se demostró
que la operatividad de la instalación de la
red de enfriamiento para el Horno de
Arco Eléctrico es mejor en aspectos
como: regular el caudal necesario, lo cual
permite operar la bomba con un motor de
menor potencia y con esto lograr un
beneficio económico en cuanto a ahorro
de energía para la empresa.
Referencias.
C. Matáix, Mecánica de fluidos y Máquinas Hidráulicas 660(1982)397.
R.L. Mott, Mecánica de fluidos 626(2006).
J. S. Villarreal, In J.J. Martínez & P.C. Nemesio, Bombas Hidráulicas Teoría Selección 278 (2012).
Catálogo de bombas BNJ.