EN SISTEMAS ABIERTOS RECIRCULANTES EVAPORATIVOS PROGRAMA DE TRATAMIENTO INTEGRAL ®

Fernando D

NOV 2015-2016 How to optimize Costs and achieving Cooling Tower

Efficiency

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“COMO REDUCIR LOS COSTOS Y LOGRAR LA EFICIENCIA EN LA TORRE DE ENFRIAMIENTO (Guía del Usuario - Rev. NOV 2015-16)”®

Archivo Digital (español/ingles*) de 4 Módulos con Hipervínculos en rojo (links).

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1.- Boilers Feedwater 3.-Corrosion

2.- Zeolite Softening 4.-Demineralization

* En preparación y solo por pedidos.

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Consultor CEO Ingeniero Químico en el aseguramiento de la Calidad Global de los Procesos, y los Sistemas de Enfriamiento y Tratamiento de Agua. Facilitador en el Mantenimiento y Operación de Equipos Torres de Refrigeración, desde 1998 al Presente.

Autor CD-Digital: Como lograr la Eficiencia en las torres de enfriamiento, intercambiadores de calor y suavización del agua. Igualmente de un Manual y artículos sobre la selección y diseño de intercambiadores de calor carcasa y tubo.

Gerente de Procesos para la Asistencia Técnica en el mejoramiento de Plantas: De Tratamiento de Agua (Potable y Proceso) y Termoeléctricas, desde los años 1985-1990 y 1994-97.

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He´s a Senior Process Engineer with expertise in cooling systems, where the water is passing in through the softeners (ionic filters), then towards heat exchangers, and later to towers to be a water cooled after.

He has enough experience as Project Engineer and Services Manager as well. Some of his jobs are focused towards design of Heat Transfer Equipment so like in the process engineering and over the preparation of the engineering equipment specifications and the chemicals that should be injected into them.

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La ejecución de un Sistema de Enfriamiento puede ser realizada satisfactoriamente, si se hace mediante un buen Programa de Tratamiento (PT), que mantenga en forma eficiente, el control de la incrustación, corrosión, crecimiento biológico, la formación de lodos, espumas y arrastre. Combinando todo esto, con un monitoreo constante, que nos permita detectar los problemas en tiempo real, y corregirlos preferiblemente con un buen sistema de control automatizado.

Sin una Guía no hay un buen control y expone al Sistema a daños irreparables. Esta Taller enseña el PT, su aplicación y como mantenerlo con calidad global y a bajo costo.

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La incrustación, corrosión, crecimiento biológico, ensuciamiento, la formación de lodos, espumas y arrastre, todos ellos son los principales causantes de los problemas en los distintos sistemas de enfriamiento.

La corrosión en los sistemas de agua de enfriamiento, causa problemas inmediatos y posteriores. Estas dificultades se extienden como ondulaciones en el agua. Una falla en un tubo puede ocasionar innumerables problemas que van desde un paro no programado hasta comprometer la (Cont.)

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(Cont.) seguridad, aumentar los gastos en equipos, violar las normas de higiene industrial y lo más importante disminuir la productividad. Esta Guía es tan práctica como teórica. Se ha introducido información necesaria para resolver problemas de: dureza, alcalinidad, suavización, balance de materiales, diseño, termodinámica, humedad, carta psicrométrica, entalpía, descripción de algunos tipos de corrosión, y ejemplos para calcular las dosis de: inhibidores de incrustación – corrosión, biocida y todo con un concepto de la calidad global en el sistema de enfriamiento.

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Cp = Calor específico a presión cte. (Btu/lb°F) COP = Coeficiente de Rendimiento D = Dosis de inhibidor, litros/día E = Evaporación, gpm (galones por minuto ) Ek = Energía cinética, unidades del sistema Ep = Energía potencial, u.d.s. I. de R.= Índice de Ryznar (mide la tendencia a la incrustación o corrosión del agua). gph = Galones por hora H ó h = Entalpía por unidad del Sistema, Btu/lb ΔH = h₂ – h₁ = Cambio de Entalpía ΔHfg = λ = Calor latente de vaporización,

Btu/lb

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P = Presión total, psia, pulgadas de Hg Pw = Presión parcial del vapor, psia Pŵ = Presión de vapor del líquido, psia B = Purga o Blowdown, gph, gpm, m³/día ppm = Partes por millon, mg/lt, mg/Kg, gr/m³ PTI = Programa de Tratamiento Integral® PTC= Programa de Tratamiento Coordinado® Res. = Residual del inhibidor químico, ppm Q = Calor agregado o cedido (sistema), Btu/lb Qrec ó Qc = Caudal recirculación de agua, gpm m = Concentración de masa, lb, Kg M = agua de reposición o reemplazo, gpm

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T = Temperatura, ºF, ºC T,P = alcalinidad Total y Parcial, (ppm) U = Energía Interna, Btu, Joule V = Volumen, pie³, m³ v¹ = Volumen especifico, pie³/lb W = Trabajo agregado o cedido, Btu, Joule xi = Fracción molar del componente líquido yi = Fracción molar del componente gas Y = Contenido humedad, lbH²O/lb aire seco ρ = Densidad (m/V), Kg/m³, lb/pie³ o el

inverso de v¹.

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TEMA: Página en la Lámina: Presentación Principal que incluye: Introducción, Objetivos, Usuarios ..…......…….1 Problemas y Fotos de: incrustación, corrosión,

ensuciamiento (fouling) y corrosión microbiológica. Programa Integral y Beneficios.

Esquema acondicionamiento de aire…….4 y 20

1.- Química del agua: La molécula del H₂O. Propiedades-Naturaleza-Objetivo del Programa Definiciones de: Dureza-Dureza recomendada -Alcalinidad y Tabla. Índice de Ryznar y Tabla – Como calcularlo-Definiciones: Ablandamiento: Cal y Soda-Zeolitas: Operación & M. Ejs. de:

Suavización - Balance de Masas y Diseño del: Volumen Tanques de Salmuera al 26 y 10%...21

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2.-Termodinámica: Definiciones y Conceptos de: Sistema, Propiedades, Regla de Gibbs, Energía Interna: Calor, Trabajo - 1ra. Ley – Sistemas: Aislados, Cerrados o de

Conjunto, Abiertos o de Flujo - Entalpía – Ejercicios – Experimento de Joule–Thomson - Mezcla de gases ideales (aire-vapor) - Leyes de Dalton, Amagat y Raoult…………….67

3.- Humidificación: Conceptos: Mezcla: aire-vapor – Humedad: Relativa - Molar – Porcentual – Absoluta – Tablas

de Vapor - Saturación – Ejemplos cálculos Humedad Relativa y Absoluta Ejercicios……....................................................94

4.-Torres de Enfriamiento: Introducción - Descripción y Partes de la Torre. Tipos: Natural - Mecánico: tiro: Forzado – Inducido – Fotos y Criterios para la Selección de la Torre - Como Usar la Carta Psicométrica. Gráficos y Ejemplos de: Humidificación y Enfriamiento en la Torre. Aproximación Torre y Temp.: Bulbo: seco y húmedo – Criterios, Conceptos y Materiales para el Diseño…………..102

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5.- Intercambiadores de Calor: Concepto de Transferencia de Calor - Detalles de un Intercambiador:

Condensador, chiller (evaporador). Selección en el diseño de un intercambiador para evitar la Corrosión Galvánica. Protección Catódica ………………………………………………………………….135

6.- Tipos de Refrigerantes–Diagrama de Mollier.......145 7.- Control de la Incrustación …… ….......……...…....149 8.- Control de la Corrosión – Cupones (Su Uso)........153 9.- Control de los Microorganismos....…...…............159 10.- Análisis Fisicoquímico del agua (Modelo)……….181 11.- Balance del Agua de Reemplazo (M), Ciclos de

Concentación (Cc), Evaporación (E) y Purga (B) en Torre. Y cálculo del tratamiento químico en Calderas…......183

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12.- Métodos “A” y “B” para determinar: Tasa de Recirculación - Rango de Temperatura - Ciclos de

Concentración - Evaporación – Purga…183

13.- Cálculo para determinar la dosis residual del inhibidor de: incrustación-corrosión (Ej. Dosis de

Fosfato Trisódico: NaзPO4) y biocida. Especificaciones técnicas: Para su uso, modo, aplicación y elementos trazadores en: la torre,

condensador y chiller. Tablas y cálculos para facilitar su comprensión

…………………………………………………192

14.- Cálculo Entalpía del aire saturado/húmedo y Balance Global en la Torre………221

15.- Referencias Bibliográficas...…...….226

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Figuras 1ra. Parte Esquema de un Sistema de Enfriamiento

......…...…………...………......Figura N° 1

Esquema de un Sistema de Acondicionamiento de aire..Figura N° 1ª

Torre de Enfriamiento Tiro Inducido - Flujo Cruzado …………...………….Figura N° 1b

Incrustación por Carbonato de Calcio (CaCOз) ………...…......……………......Figura N° 2

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(Conclusión Figuras 1ra. Parte)

Corrosión de un tubo de intercambiador de calor .......................................Figura N° 3

Ensuciamiento Microbiológico..Figura N° 4

Corrosión Microbiológica ........Figura N° 5

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Figuras 2da. Parte

Esquema Acondicionador - aire (bis) Fig. 1ª

Tabla de Alcalinidad ................... Figura 1b

Tabla Cálculo Índice de Ryznar..…Figura 1c

Filtro de Unidad Múltiple de zeolita sódica para agua Suavizada....................Figura 2

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(Cont. Figuras 2da. Parte) Tablas de vapor (T,P,v,h)......................Fig. 3ª

Enfriador de Contraflujo Tiro Forzado…Fig. 4

Torre de Contra Flujo .......................Fig. 5.1

Torre de Flujo Cruzado .....................Fig. 5.2

Torre de Flujo Cruzado…….………….....Fig. 6

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(Cont. Figuras 2da. Parte) Torre de Tiro Forzado.............Figura 7

Detalle de un Intercambiador...Figura 8

Torre de Contra Flujo…………..Figura 9 Refrigerantes Diagrama P–T ….Figura 10

Partes de un Intercambiador de calor

carcasa y tubo…......................Figura 11

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(Cont. Figuras 2da. Parte) Carta Psicométrica de temperaturas bajas

.............................. ……Figura 12-1

Carta Psicométrica de temperaturas intermedias ..................Figura 12-2

Carta Psicométrica ........Figura 12-3

Carta Psicométrica con las propiedades del aire húmedo .................Figura 12-6

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(Cont. Figuras 2da. Parte)

Ejemplo Enfriamiento por rocío…Fig. 12-8

Ejemplo Enfriamiento Torre ........Fig. 12-10ª

Diagrama p-h para HFC-134ª…..Fig. 12-10b

Tipos de Biocida Oxidante y No– Oxidante.....................................Fig. 13

Análisis típico del agua…………...Fig. 14

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(Conclusión Figuras 2da. Parte) Tabla para calcular los Ciclos de

Concentración (Cc) en la Torre de Enfriamiento ................................Figura 15

Tablas (Indice de Ryznar y Kit Trazador) para obtener la concentración de residual del inhibidor en el sistema Figuras 16ª y16b

Tabla para determinar la cantidad del inhibidor en el Chiller mediante un Kit Trazador…………………………….Figura 17.1

Cálculos Entalpía (h) y Humedad (Y) de Mezcla aire-vapor…......Figuras 17.2 y 17.3

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Introducción: El propósito de esta Guía es la de mostrar los distintos problemas que se presentan en los diferentes Sistemas de Enfriamiento tales como: Aire Acondicionado (chiller - agua helada), Proceso (agua de enfriamiento) y el de Refrigeración (preservación del frío). Y a la vez, la de suministrar las soluciones a estos problemas, unido al concepto de la calidad global de los procesos, mediante un buen Programa de Tratamiento Integral (PTI) ® en el Sistema.

Muy Atentamente, FERNANDO D

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Usuarios en utilizar sistemas de enfriamiento para HVAC&P&R en:

Hospitales Hoteles 5 ***** Malls & Oficinas Refinerías Planta Petroquímica

& Termoeléctrica Fabrica de Bebidas e

Industrial

Some Users using cooling systems for HVAC&P&R in:

Hospitals 5 ***** Hotels Commercial Buildings Malls & Office Towers Oil Refineries Petrochemical &

Power Plants Industrial & Beverage

Factories

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“Courtesy: SPX Cooling Technologies”

Aumento de Dureza (agua)

Incrustación

Ensuciamiento

Flujo Reducido

Altas Temperaturas

Corrosión

Contaminación Microbiológica

Hardness increases

Scaling

Fouling

Flow decreases

High Temperatures

Corrosion

Microbiological Contamination

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Formación de Incrustación: Es la creación de un sólido precipitado cubriendo la superficie de los tubos de los intercambiadores de calor básicamente. Este compuesto interfiere con la eficiencia de intercambio de calor y también bloquea el flujo de agua en el estanque y relleno de las torres de enfriamiento. Generalmente son cristales de CaCOз o MgCOз. Pocos casos son sólidos de CaSO4 o sílice.

Ocurre porque sólidos disueltos incrustan, como el caso del CaCOз. Y es porque el ión Ca²⁺ y la alcalinidad de COз⁼, han excedido su límites de solubilidad, formando éste compuesto químico en las paredes de los tubos del intercambiador, reduciendo su eficiencia.

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Los sólidos disueltos (TDS), como el ión Ca²⁺ y como el ión COз⁼ en el volumen original del sistema, más los sólidos añadidos por el agua de reposición, más la evaporación ocurrida en la torre, favorecen en la creación de sólidos precipitantes e incrustantes como en la Fig. 2.

Se producen altas temperaturas del agua de salida en el condensador y chiller, por la obstrucción del CaCOз en el flujo del agua.

Según Q = calor sensible absorbido por el ʜ₂ö (la mʜ₂ö disminuye a la salida de condensador:

Q =mCpΔT = mCp(T₂–T₁) ∴ T₂= Q/mCp +T₁

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La corrosión como en la Fig. 3, es el proceso de la disolución del metal, usualmente por oxidación, resultando en una ruptura substancial del material y una prematura degradación del equipo en el sistema. Los depósitos pueden contener: cieno, arena, grasas, productos de la corrosión y CaCOз.

• En Bajo y Cerca del depósito (En Bajo O₂ es donde se produce la corrosión) se forman 2 zonas: Anódica y Catódica respectivamente y las celdas de concentración de O₂. Las reacciones en ellas son:

a) Zona Anódica (Bajo del depósito y poco en O₂): Bajo en O₂ (es donde se corroe el metal) y siendo

Fe → Fe²⁺ + 2e¯(Significado de O₂ = oxígeno). b) Zona Catódica (Cerca del depósito y alto en O₂): Alto O₂ (zona protegida) → O₂+2H₂O+4e¯→ 4OH¯

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Capas de Babazas: Son mezclas de secreciones bacteriales llamados polímeros extracelulares, bacterias, gases y agua. Este proceso de crecimiento y su adherencia a la superficie es llamado ensuciamiento microbiológico.

Se reconocen por la masa gelatinosa sobre las placas de los tubos del intercambiador, provocando ensuciamiento y ataque al metal.

Este crecimiento es considerado por muchos de ser la raíz de los problemas del tratamiento de agua en los lazos de enfriamiento.

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Bacterias Sulfatorreductoras (Desulfomonas – Figura 5): Causan la mayor parte de la corrosión en los sistemas de enfriamiento. Son anaerobias (no necesitan O₂) toleran altas temperaturas de 176° F (80°C) y pH entre 5 a 9.

Luego del ensuciamiento microbiológico, estas bacterias crecen en una asociación o grupos de bacterias, y cada variedad de bacteria causa una corrosión, creando nuevas reacciones que ocurren en ánodos y cátodos en una celda por corrosión electroquímica.

Las bacterias causan ataque localizado intenso y originan múltiples picaduras y reacciones en la mayoría de las aleaciones, en el aluminio y aceros al carbono e inoxidables [FeS, Fe(OH)₂].

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Todos estos problemas producen un (a): 1.- Bloqueo y Ensuciamiento en la Torre. 2.- Reducción en el Flujo de agua. 3.- Reducción en la Transferencia de Calor. 4.- Daño y Pérdida de Material. 5.- Riesgo en la Seguridad. 6.- Aumento en los Costos Operativos. Siendo estos efectos dramáticos y serios. Por lo que el control de la incrustación,

corrosión y ensuciamiento microbiológico, serán un factor primordial para establecer el Programa de Tratamiento Integral®.

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Instalar Equipos adecuados (Necesario).

Usar Inhibidores Químicos (Necesario).

Entrenamiento y Conocimientos a través de Cursos (Necesario).

Políticas en Control de Calidad y Calidad Global (Recomendable).

Monitorear y Controlar el Sistema Automatizado en tiempo real para detectar problemas y resolverlos (Excelente).

Appropiated Equipments: Filters, Softeners, Exchangers,Towers (Yes).

Use Chemical Inhibitors: polymeric scale and corrosion inhibitors, biocides (Yes).

Training and Expertice. Policies in terms of

Quality Control & Total Quality (Yes).

Real -Time Monitoring & Automatic Control of the system to detect problems and solve them (Excellent).

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Gerenciar el Stress para Sistemas de Enfriamiento.

Reducir Costos de Operación & Mantenimiento.

Extender la vida de los equipos.

Proteger la Inversión y la Salud.

Mejorar la Eficiencia

Stress Management for Cooling Systems.

Reduce Operating & Maintenance Costs.

Extended Equipment Life.

Protect Capital Investment & The Health.

Improved Efficiency.

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Este Taller esta diseñado para: Operarios, Técnicos, Ingenieros, Gerentes y Personal envuelto en un nivel técnico de la Industria.

Siendo el objetivo básico de estos Cursos (4 Módulos) el de poder suministrarles: Conocimientos y Habilidades con Calidad.

En donde aprenderán básicamente la destreza en el Manejo, Operación y Mantenimiento del suavizador, torre e intercambiadores. A fin de poder conducir un sistema confiable y eficiente en el enfriamiento del agua del aire acondicionado, proceso y refrigeración.

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La fórmula del agua - H₂O - indica su composición y peso molecular. Su arreglo molecular: dos átomos de hidrógeno que están separados entre sí por 105°, adyacentes al átomo de oxígeno, de forma que la molécula es asimétrica, cargada positivamente a lado del ión hidrógeno (H⁺) y negativamente del lado del ión oxigeno (O⁼). Por ello el agua es bipolar. Haciendo que las moléculas se aglomeren, el H⁺ de una molécula atrae el O⁼ de la molécula vecina. Como resultado de esta fuerza de atracción se forman los puentes de hidrógeno.

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Como consecuencia de los puentes de hidrógeno (PdH) es que las moléculas del agua no pueden abandonar la superficie tan fácilmente. La energía requerida para romper el enlace de hidrógeno y liberar una molécula de H₂O es mayor que otros compuestos químicos. A causa de esto, el vapor tiene alto contenido energético. Además libera más calor durante la congelación que otros compuestos.

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Por cada cambio en el aumento de la temperatura, el agua: absorbe o libera más calor que muchas otras substancias (capacidad calorífica). De forma que resulta un medio efectivo de transferencia de calor.

En su congelación los Puentes de Hidrógeno re-arreglan su estructura cristalina, haciendo que el hielo se expanda mas allá de su volumen del líquido original, y el hielo flote, evitando la congelación de los lagos por el fondo.

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1. Clifford A. Hampel, Gessner Hawley, Glosary of Chemical Terms, Edit. Van Nostrand Reinhold.1982.

2. Culligan International Company, Package Systems for Cooling Water Applications.

3. David M Himmmelblau, Principios y Cálculos Básicos de la Ingeniería Química, Edit. Cecsa.1978.

4. Eskel Nordel, Tratamiento de agua para la industria y otros usos. Edit. Cecsa.1976.

5. Fernando D, Cálculos sobre: Humidificación, Transferencia de Calor, Intercambiadores y Equipos de Calor.2005.

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5. (Cont.) Fernando D, Notas y Cálculos en Sistemas de Enfriamiento, Generadores de Vapor y Tratamiento Químico del Agua: Cruda, Potable, Proceso e Industriales. 2006.

6. Harvey M. Herro & Robert D. Port, Guia Nalco para el análisis de fallas en los sistemas de enfriamiento por agua. Editorial McGraw Hill.1999.

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Company. Editorial McGraw - Hill.1979. 9. SPX Cooling Technologies (Marley Tower

Information). 2001.

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10. Octave Levenspiel, Fundamentos de Termodinámica. Ed. Prentice - Hall.1997.

11. Perry & Chilton, Manual del Ingeniero Químico. Editorial McGraw-Hill. 1980.

12. Rivas Mijares, Tratamiento de Potabilización de las Aguas. O.B.E. Universidad Central de Venezuela.1963.

13. Russell W. Lane, Control de incrustaciones y corrosión en instalaciones hidráulicas de edificios. Editorial McGraw-Hill. 1995.

14. Water Conditioning Manual, Dow Chemical.

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5. - Fernando D, Private notes and Calculations on: Design of Heat Transfer Equipments (together with Lummus Co. - Heat Transfer Division - E. Park - USA - 1982). 2005.

6. - Fernando D, Private notes and Calculations on: Shell and Tube Exchangers, Steam Generators, Cooling Systems and Water Chemical Treatment: Raw, Potable and Industrial Process. 2006.

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7. - Fernando D, Manual of Instruction for Cooling Towers Operators and Boilers. 2015. (Only in CD).

8. - Harvey M. Herro & Robert D. Port, Guide for failure analysis in water cooling systems. McGraw-Hill. 1999.

9. - Kern, Process Heat Transfer. McGraw-Hill.

10. - Manual Water, Nalco Chemical Company. Publisher McGraw-Hill. 1979.

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10. - Manual Water, Nalco Chemical Company. Publisher McGraw-Hill. 1979.

11. - Octave Levenspiel, Fundamentals of Thermodynamics. Prentice-Hall. 1997.

12. - Perry & Chilton, Chemical Engineers' Handbook. Publisher McGraw-Hill. 1980.

13. - Rivas Mijares, Treatment of Drinking Water (Concept of Alkalinity), O.B.E. - Central University of Venezuela (UCV). 1963.

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14. - Russell W. Lane, Scale and corrosion control in hydraulic systems of buildings. Publisher McGraw-Hill. 1995.

15. - Manual of Water Conditioning, Dow Chemical.

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