Proyecto de ejecución de una instalación de ahorro energético en un horno-túnel de secado de pintura, mediante la recuperación de la potencia térmica de los gases de escape de los quemadores de propano

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Carrera Grado en Ingeniería Química Proyecto de ejecución de una instalación de ahorro energético en un horno-túnel de secado de pintura, mediante la recuperación de la potencia térmica de los gases de escape de los quemadores de propano Autor: Nieves de la Llave Rodríguez-Parets Tutor: Diego Fuentes Cano Dpto. Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 12 Trabajo de Fin de Carrera Grado en Ingeniería Química Proyecto de ejecución de una instalación de ahorro energético en un horno-túnel de secado de pintura, mediante la recuperación de la potencia térmica de los gases de escape de los quemadores de propano Autor: Nieves de la Llave Rodríguez-Parets Tutor: Diego Fuentes Cano Dpto. de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 14 Trabajo de Fin de Grado: Proyecto de ejecución de una instalación de ahorro energético en un horno-túnel de secado de pintura, mediante la recuperación de la potencia térmica de los gases de escape de los quemadores de propano Proyecto Fin de Carrera: Proyecto de ejecución de una instalación de ahorro energético en un horno-túnel de secado de pintura, mediante la recuperación de la potencia térmica de los gases de escape de los quemadores de propano Autor: Nieves de la Llave Rodríguez-Parets Tutor: Diego Fuentes Cano El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes Sevilla, 2020 El Secretario del Tribunal 16 A mi familia A mis maestros 18 Agradecimientos En primer lugar, he de agradecer a la Escuela y a todos los profesores que me han formado y preparado a lo largo de los años, para obtener los conocimientos y obtener el Grado. Gracias a mi tutor de la Escuela, Diego Fuentes Cano, por el tiempo invertido en ayudarme y su disponibilidad cuando he necesitado algo. También deseo agradecer el apoyo a mi tutor en la empresa donde he realizado las prácticas, Antonio Vargas León, por su apoyo constante y por toda la formación y conocimientos que me ha proporcionado. Gracias a todos mis compañeros de la Escuela, por hacer más ameno todo el esfuerzo que conlleva obtener el título, así como por el apoyo recibido. Por último, gracias a mi familia y mis amigos, por todo el apoyo incondicional y los ánimos que me han brindado en todo este camino. 26 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Plano general de la planta de producción 29 Ilustración 2. Horno de polimerizado 30 Ilustración 3. Datos de cada una de las extracciones 30 Ilustración 4: Normativa de renovaciones por hora. 40 Ilustración 5. Prototipo del intercambiador 42 Ilustración 6. Cálculos del intercambiador de Secespol 43 Ilustración 7. Intercambiador 44 Ilustración 8. Esquema intercambiador 44 Ilustración 9. Dimensiones del intercambiador seleccionado 45 Ilustración 10. Selección del depósito de inercia 46 Ilustración 11. Esquema interior del depósito 47 Ilustración 12. Esquema superior del depósito 47 Ilustración 13. Selección del vaso de expansión 50 Ilustración 14. Vaso de expansión 50 Ilustración 15. Dimensiones vaso de expansión 50 Ilustración 16. Selección bombas de circulación 51 Ilustración 17. Curva bombas de circulación 51 Ilustración 18. Bomba de circulación 51 Ilustración 19. Selección válvula 3 vías 52 Ilustración 20. Válvula 3 vías 52 Ilustración 21. Selección radiadores 53 Ilustración 22. Radiadores 53 Ilustración 23. Categorización de tuberías 55 Ilustración 24. Categorización de equipos 58 Ilustración 25. Categorización de equipos 58 Ilustración 26. Instalación By-Pass 61 Ilustración 27. Implantación en planta 64 Ilustración 28. Diagrama de Control e Instrumentación 65 28 1 ANTECEDENTES La empresa solicitante del proyecto, situada en Lucena, Córdoba, cuenta con una nave en la que se desarrolla un proceso de secado de pintura en polvo. Para dicho proceso cuenta con un sistema formado por tres hornos. La necesidad de la empresa es climatizar una sala de la nave industrial de 413m2, anexa a la sala donde se lleva a cabo el proceso, y para ello se ha evaluado la opción de recuperar los gases de escape de las chimeneas que se encuentran en el horno de polimerizado, ya que actualmente es una energía que se pierde, y el aprovechamiento de ésta supondría un ahorro tanto energético como económico. Como bien se ha mencionado, dicho proceso cuenta con tres hornos. Uno de gelificado, uno de polimerizado y finalmente una estufa de secado. La recuperación de la potencia térmica será sobre las tres chimeneas con las que cuenta el horno de polimerizado, por donde salen los gases de escape que se quieren aprovechar. Ilustración 1. Plano general de la planta de producción [1]. Cada uno de los hornos cuenta con un quemador en una cámara de calentamiento. En este caso nos centramos en el horno de polimerizado, se trata de un horno para el polimerizado de la pintura en polvo, el polimerizado de la pieza se da por convección mediante recirculación de aire dependiendo de las características de la pintura y la pieza. El quemador es del tipo mezcla en cabeza, formado por un cuerpo donde se encuentran las entradas de combustible y comburente. [2,3]. 30 Ilustración 2. Horno de polimerizado [4]. La información que facilita el cliente sobre el horno se puede observar: Ilustración 3. Datos de cada una de las extracciones [3]. También se comunican los siguientes datos para tener en cuenta en los cálculos: La potencia calorífica instalada de los tres quemadores de gas propano: • Gelificado: 2x80Kw • Polimerizado: 450kW (regulación automática) • Secado: 350 kW (regulación automática) Por último, se comunica también que la temperatura con la que salen los gases del horno de polimerizado es de 150ºC, por tanto, existe la posibilidad de aprovechar el calor sensible de estos. [3]. 2 OBJETIVO Y ALCANCE El objetivo de este proyecto es realizar el diseño de un sistema para aprovechar los gases que salen por las chimeneas del horno de polimerizado para así, aprovechar la energía térmica de los gases de escape del horno para el calentamiento de una sala de una nave industrial, que necesita 40 kW de potencia en condiciones de máxima demanda. Una vez realizado el diseño, también se solicita el presupuesto del sistema y realizar la implantación del sistema de aprovechamiento que supone un ahorro energético y económico para a la empresa. Esta potencia térmica se requiere para aclimatar una sala de la nave, por lo que se solicita a nuestra empresa de Ingeniería el proyecto de ejecución de una instalación de ahorro energético. Para ello, se parten de los datos proporcionados por la empresa que solicita el proyecto, y se solicita a una empresa, proveedora de intercambiadores, el diseño de estos para las condiciones dadas. A su vez, con estos datos se realiza un cálculo para ver la potencia máxima que se puede obtener de cada una de las extracciones y así confirmar que los equipos proporcionados por el proveedor se adaptan a nuestro proceso y funcionarán de manera adecuada para el sistema de aprovechamiento. Una vez realizado todo esto, se seleccionarán el resto de los equipos que requiere el sistema según catálogo y su implantación. 32 3 DISEÑO DEL PROCESO 3.1. DESCRIPCIÓN PREELIMINAR DEL SISTEMA DE RECUPERACIÓN A lo largo del presente apartado se va a llevar a cabo la descripción del sistema completo de recuperación de calor de los gases de escape del horno de polimerizado para extraer potencia térmica de éstos. Actualmente, el equipo está formado por un horno-túnel que cuenta con una cadena transportadora aérea por donde circulan unas piezas. Estas piezas entran por un extremo y salen por otro. A lo largo del túnel, se encuentran varias pistolas que disparan pintura sobre las piezas. [3]. El quemador, que se encuentra en el horno-túnel, hace que estas piezas, recubiertas de pintura, se sequen y los gases procedentes de la combustión que se da en la caldera salgan por tres extracciones que se encuentran en el techo del horno. Para el ahorro energético de esta instalación se ha decidido diseñar un sistema que cuente con un intercambiador en cada una de las extracciones, para así poder aprovechar los gases de escape, como solicita el cliente, y extraer de ellos la potencia necesaria para el calentamiento de la sala anexa. Toda la energía extraída de los tres intercambiadores se lleva a un deposito de inercia, donde se acumulará el agua caliente obtenido. Será necesario instalar también un vaso de expansión para las posibles fluctuaciones de volumen que puede tener el agua con un incremento de temperatura. [5]. Finalmente, toda la potencia obtenida, se utilizará para aclimatar una sala de la nave industrial, por lo que se dispondrán de unos radiadores de agua en paralelo a lo largo de la sala, para una correcta distribución del calor en la misma. A continuación, se representa la disposición del sistema para hacerse una idea general del proceso antes de proceder a los cálculos y dimensionamiento de la instalación. Ilustración 4. Sistema de recuperación de gases El sistema cuenta con un lazo principal en el que se encuentran los intercambiadores, con una disposición tipo carcasa y tubos, que se colocarán en cada extracción. De estos, se extraerá toda la potencia térmica posible y se llevará a un depósito de inercia, donde se acumulará toda la energía térmica para climatizar la nave. De este depósito de inercia también sale un circuito secundario, que será el que cuente con los radiadores de agua necesarios para climatizar la nave. [6]. 34 3.2. BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA Para los intercambiadores, se acude a un proveedor con los datos de operación, y es éste quien facilita el modelo adecuado para las condiciones que requiere el sistema. A pesar de que sea éste quien facilite el modelo adecuado, se realiza un modelado del intercambiador propuesto para comprobar que funcionará adecucadamente, teniendo en cuenta las características del intercambiador, que se encuentran en la página 45, para comprobar que el modelo seleccionado funcionará de manera adecuada y así poder comparar los resultados obtenidos en el balance con los datos que facilitará el proveedor para cerciorarnos de su correcta adaptación a la implantación. Antes de comenzar hay que dejar constancia de que el cálculo se ha desarrollado para el régimen permanente del sistema, puesto que el horno trabaja 24 horas al día y únicamente se realizará una parada de éste mensualmente. También hay que aclarar que se han impuesto una serie de datos para estimar el comportamiento que han de tener los intercambiadores requeridos para la instalación, y posteriormente es el fabricante de estos el que nos ha propocionado el diseño de los mismos. Por último, hay que destacar que se realiza únicamente el balance de una de las extracciones, ya que las tres son idénticas, y se encuentran en las mismas condiciones. El objetivo principal del sistema es, como bien ha solicitado el cliente, la máxima obtención de potencia térmica para los parámetros mencionados a continuación. Los parámetros de operación se pueden observar en la siguiente gráfica. Ilustración 5. Datos proporcionados por el cliente Los parámetros de operación impuestos son las siguientes: • Caudal de los gases de escape (mg): 2000m3/h por extracción. Se trata de un dato de operación. • Temperatura de entrada de los gases en el intercambiador (Tge): 150ºC. Se marca esta temperatura debido a que el cliente confirma que el horno trabaja en dicho valor. • Temperatura de salida de los gases en el intercambiador (Tgs): 120ºC. Se impone esta temperatura por diseño, para evitar tener condensaciones en los gases de escape. Cabe mencionar que no habrá fluctuaciones de temperatura de los gases, puesto que como bien se ha explicado, se estudia el sistema en régimen permanente. • Temperatura de entrada del agua en el intercambiador (Tae): 50ºC. Valor medio de operación. Se realizará un análisis de sensibilidad para determinar la influencia sobre el proceso de la variación de este parámetro. • Temperatura de salida del agua en el intercambiador (Tas): 85ºC. Impuesto por diseño. Exisitrá un lazo de control que, variando el caudal de agua, asegure esta temperatura. En condiciones de baja demanda, para evitar temperaturas perjudiciales para el sistema con los intercambiadores, se hará un análisis de sensibilidad para estudiar las posibles fluctuaciones y dar solución al cliente cuando se encuentre en diferentes situaciones. En dicho análisis de sensibilidad se podrán observar las diferentes temperaturas de salida del agua, en función de la temperatura de entrada impuesta. Una vez conocidos estos datos, se procede a hacer el Balance de Materia y Energía mediante el software EES. En dicho Balance se busca obtener, para las condiciones dadas, el caudal de agua necesario, y la potencia intercambiada entre los gases de escape y el agua en cada extracción. [7,8,9,10]. Se comienza el Balance planteando el siguiente sistema: • Qg y Qa (kW) es la potencia intercambiada en cada extracción, incógnitas. • mg (kg/s) es un dato aportado que el proveedor facilita en m3/h, por tanto, se tendrá que hacer un cambio de unidades para poder introducirlo en su respectiva fórmula. 𝑚𝑔(𝑘𝑔 𝑠)=𝑚𝑔(𝑚3 ℎ)∗ρ𝑒𝑥𝑡(𝑘𝑔 𝑚3)∗ 1 ℎ 3600 𝑠 = 0,4574 kg/s • Cpg es una propiedad obtenida anteriormente en función de la temperatura media, con un valor de 1016 J/KgK. • Tge es la temperatura de los gases de entrada al intercambiador, con un valor de 150ºC. • Tgs es la temperatura de los gases de salida del intercambiador, con un valor de 120ºC. • ma (kg/s) es el caudal de agua, incógnita. • Cpa es una propiedad obtenida anteriormente en función de la temperatura media, con un valor de 4185 J/KgK. Qg = Qa Qg = mg · cpg · DelthaT;g DelthaT;g = Tg;e – Tg;s Qa = ma · cpa · DelthaT;a DelthaT;a = Ta;s – Ta;e 42 3.3. DIMENSIONADO DE EQUIPOS 3.3.1. INTERCAMBIADORES GAS COMBUSTIÓN / AGUA Se solicita a la una empresa proveedora, fabricante de intercambiadores de calor, el diseño de los intercambiadores de calor en función de las características de nuestro sistema, y se verifica que el equipo ofertado cumple con las especificaciones requeridas mediante el Balance de Materia y Energía. La empresa proveedora oferta el modelo 12.1 de sus economizadores, dado que es el que más se ajusta al requerimiento del proceso. El modelo es válido para una potencia nominal de la caldera en un rango de 200-500kW. La del proceso es de 450kW como hemos mencionado anteriormente, por lo que está dentro de dicho rango. Se trata de un modelo de carcasa tubos, en el que circulará el agua por el interior de los tubos y el gas alrededor de éstos. Ilustración 5. Prototipo del intercambiador [12]. Un intercambiador de carcasa y tubos consiste en dos cámaras de presión independientes (lado carcada y lado tubos). Por las dos cámaras fluyen dos medios, de tal forma que cuando existe una diferencia de temperatura entre ellos, el calor se intercambia sin que los medios se mezclen. El diseño único de los tubos de intercambio (en forma de lágrima) garantiza la máxima superficie de intercambio en contacto con los gases de escape. La posición de los tubos optimiza el proceso termodinámico induciendo a la turbulencia del gas a la vez que reduce al mínimo las pérdidas de carga en el sistema. Construidos en acero inoxidable para soportar el efecto corrosivo de los gases de escape. La carcasa del economizador está compuesta por paneles metálicos aislados con lana de roca, lo cual simplifica el mantenimiento. [13]. Los cálculos que la empresa facilita tienen dos opciones de salida del agua, de 80ºC y 110ºC. Se decide operar con la primera de estas opciones para no llegar a una temperatura superior a los 95ºC, así se consigue no producir vapor y no será necesario presurizar el sistema. A continuación se muestra el cálculo proporcionado por la empresa en función de su intercambiador seleccionado. [14]. Ilustración 6. Cálculos del intercambiador de la empresa proveedora Tabla 2. Comparativa de los cálculos de los Intercambiadores Proveedor de los intercambiadores Cálculos para corroborar el correcto funcionamiento Temperatura de salida del agua (ºC) 80,01 85 Caudal de agua necesario (kg/h) 420,47 342,72 Potencia extraída de cada extracción (kW) 14,65 13,95 Las temperaturas obtenidas, como bien se puede ver, son aproximadas, así como los caudales de agua. La diferencia en el caudal está debido a que, al utilizar más caudal de agua, consiguen una menor temperatura de salida de ésta. Las potencias térmicas obtenidas son parecidas, por lo que podemos dar peso al diseño del proveedor, ya que por dos vías diferentes obtenemos prácticamente lo mismo, pudiéndo así darle una seguridad al cliente de que el sistema funcionará dentro del rango de estas temperaturas. 44 Ilustración 7. Intercambiador Ilustración 8. Esquema intercambiador También se adjunta el esquema del modelo 12.1. del intercambiador. Ilustración 9. Dimensiones del intercambiador seleccionado 46 3.3.2. DEPÓSITO DE INERCIA Para seleccionar el depósito de inercia tomamos el criterio de tener capacidad para suministrar durante 15minutos los 40kW de potencia térmica requerida en el sistema, para poder actuar en caso de que nos encontremos con alguna perturbación. Hay que considerar una temperatura mínima del agua de 65ºC y máxima de 85ºC. Con estos datos, planteamos las siguientes ecuaciones: Necesitamos conocer el Cp del agua a la temperatura media, que será de 75ºC, obteniendo mediante EES un valor de 4190 J/KgK. Despejando el volumen de agua de esta igualdad, obtenemos 429,6L. Aproximadamente serán 0,5m3. Esta será finalmente la capacidad que tiene la instalación para hacer frente a cualquier perturbación que surja y poder actuar por sí sola hasta que actuemos sobre ella. Con este dato, se acude al catálogo de Salvador Escoda para obtener un equipo que cumpla dicha condición. [15]. Se selecciona el modelo CC 01 538 de IDROGAS, con una capacidad de 500L, que es justamente lo que requería la instalación. Ilustración 10. Selección del depósito de inercia Como se puede observar en la estructura del acumulador de inercia, por el serpentín circulará el agua que va a los recuperadores, ya que ésta puede coger más presión al situarse en la parte inferior del depósito. En el resto de volumen del acumulador se encontrará el agua que se dirige a los radiadores. Et = 40000 · 15 · 60 Et = ma;inercia · Cp;iner · ( 85 – 65 ) Ilustración 11. Esquema interior del depósito Ilustración 12. Esquema superior del depósito Este modelo está fabricado de acero al carbono de calidad S235 JR. Están aislados con poliuretano flexible, densidad de 25Kg/m3 y 50 mm de espesor. Están diseñados para aguantar una presión de trabajo de 6 bar y 8 bar en el serpentín (IN) y una temperatura hasta de 90ºC. Dicho depósito se situará en la parte superior del horno, así como todo el sistema de recuperación, ya que el cliente así lo solicita para no ocupar espacio en planta. 48 3.3.3. CÁLCULO DEL LIBRAJE DE LOS FITTING & SCHEDULE DEL SISTEMA DE TUBERÍAS Antes de realizar el dimensionado del vaso de expansión, hay que hacer el dimensionado de las tuberías por las que circulará el agua en el sistema. Se van a colocar tuberías de acero al carbono de ½” sch sdr de diámetro en las derivaciones, por lo que la velocidad de circulación del agua en este sistema se calcula mediante las siguientes fórmulas: Siendo ma;1 la masa de agua que circula por las derivaciones, que se puede encontrar en el Balance de Materia y Energía. Despejando la velocidad obtenemos un valor de ésta de 1,053m/s, siendo éste un valor lógico, puesto que es inferior a 2-2,5m/s. Para el colector principal, por el que circulará el triple de caudal ya que llegan las tres derivaciones a él, se mantendrá la misma velocidad en las tuberías, y será necesario un diámetro de 1” sch sdr. Dtuberias;derivaciones = 0,012 4 · Dtuberias;derivaciones 2 = ma;1 vtuberias 4 · Dtuberias;instalacion 2 = 3 · ma;1 vtuberias 3.3.4. VASO DE EXPANSIÓN Para seleccionar el vaso de expansión se tiene que hacer previamente un cálculo del volumen de agua que recorre la instalación. El agua dentro de ésta se encontrará en: • Tuberías: tenemos dos tuberías, una de ida y otra de retorno, cuya distancia total es de 250,4m. Como se trata de tuberías con 1” de diámetro, el volumen de las tuberías será de 0,127m3, mediante la siguiente fórmula: • Intercambiadores: se supone que el agua ocupa todo el volumen de intercambio del intercambiador diseñado, ya que sería el caso más desfavorable. Se calcula el volumen de cada intercambiador y se multiplica por el número de estos. Se obtiene un volumen de intercambiadores de 1,042m3, mediante la siguiente fórmula: • Depósito de inercia: según el cálculo y el modelo elegido, el volumen es de 0,5m3. • Volumen de radiadores: según el cálculo y el modelo elegido, el volumen de cada radiador es de 0,0158m3. Como contamos con 10 radiadores, el volumen total será de 0,158m3. Por tanto, el volumen total del agua dentro de la instalación será la suma de los anteriores, cuyo valor será de 1,827m3. Hay que calcular el volumen máximo del agua dentro de la misma, conociendo el coeficiente de dilatación del agua, para ello se utilizará la siguiente fórmula: Siendo el coeficiente de dilatación del agua de 21*10-5K-1 y considerando que la diferencia de temperaturas va de 10ºC a 120ºC, introduciendo ésta en la fórmula en ºK. El volumen máximo será de 1,939m3, por tanto, para calcular el volumen del vaso de expansión habrá que ver la diferencia entre el volumen inicial de la instalación y el volumen máximo y aplicar a esta diferencia un coeficiente de seguridad de un 20%. Finalmente, sustituyendo en la anterior ecuación se obtiene un volumen para el vaso de expansión de 0,1732m3. Según el catálogo de Ibaiondo, se selecciona un depósito de expansión sin membrana, modelo 200-VI-P con una capacidad de 200L. [16]. Voltuberias = 4 · Dtuberias;instalacion 2 · Ltuberias Volintercambiadores = 3 · Volintercambiador Volintercambiador = anchointercambiador · largointercambiador · altointercambiador anchointercambiador = 0,848 largointercambiador = 0,546 altointercambiador = 0,75 Volinstalacion = Voltuberias + Volintercambiadores + Voldep;inercia + Volradiadores Voldilatacion = Volinstalacion · ( 1 + Coefdit;agua · DelthaT;agua ) Voldep;expansion = ( Voldilatacion – Volinstalacion ) · 1,2 50 Ilustración 13. Selección del vaso de expansión Ilustración 14. Vaso de expansión Ilustración 15. Dimensiones vaso de expansión 3.3.5. BOMBAS DE CIRCULACIÓN Para la selección de las bombas, tanto de la línea principal como de la secundaria, se buscarán en catálogo bombas de circulación de agua caliente sanitaria, ya que la instalación no requiere vencer ninguna altura y no es necesario por tanto utilizar otro tipo de bombas. Se acude al catálogo de Salvador Escoda para un caudal de 1,286 m3/h y una presión de descarga de 0,5barg, y se considera que la temperatura máxima que puede soportar el equipo estará en torno a 100-110ºC. [17]. Se ha seleccionado el modelo CAS 25-80 BN con una velocidad de 2m/s, para lo que se puede soportar una altura de 4,8m. Ilustración 16. Selección bombas de circulación Ilustración 17. Curva bombas de circulación Ilustración 18. Bomba de circulación 58 Ilustración 24. Categorización de equipos Las condiciones de diseño llevadas a cabo sobre los intercambiadores (347 litros y 0,5 barg) categorizan éstos como Categoría 0, al no cumplir los requisitos mínimos para entrar en el cuadro anterior. En el caso de los radiadores, se sigue el mismo procedimiento que en los intercambiadores, donde las condiciones de diseño llevadas a cabo (15,8 litros y 0,5 barg) categorizan éstos como Categoría 0, al no cumplir los requisitos mínimos para entrar en el cuadro anterior. En lo referente tanto al depósito de inercia como al vaso de expansión, según dicta el Capítulo III, en su artículo 13. “Clasificación de los equipos a presión”, el fluido que circula es agua, por lo que pertenecen al “grupo 2”. Así mismo, la temperatura que presenta el fluido es inferior a 110 ºC; por lo que, la presión de vapor a la temperatura máxima admisible es superior en más de 0.5 bar a la presión atmosférica normal. Por tanto, en el apartado 1.1 “Recipientes” del artículo 4 “Requisitos técnicos”, en su subapartado b.2 se dicta que para fluidos del grupo 2 del artículo 13, para los depósitos que tengan una presión PS superior a 10 bar y el producto PSxV superior a 10000 bar x litros, así como los que tengan una presión superior a 1000 bar debe emplearse para su categorización el cuadro 4 del anexo II. A pesar de que la presión de trabajo es presión atmosférica, se ha diseñado a una presión manométrica de 0,5 barg. En la imagen adjunta se muestra el cuadro a emplear para llevar a cabo la categorización del depósito y el vaso. Ilustración 25. Categorización de equipos Debido a que la presión a la cual ha sido diseñado el depósito es inferior a 10 bares (manométricos), éstos no cumplen los requisitos mínimos para poder clasificarlos según el cuadro anterior y, por tanto, ambos se categorizan como Categoría 0. Se concluye, por tanto, que los equipos analizados (Intercambiadores, radiadores y depósitos de inercia) son de Categoría 0; no siendo necesario un marcado CE para ninguna de ellos. 60 3.5. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD Trabajando con el mismo intercambiador térmico de recuperación de potencia de los gases, se plantea el siguiente análisis de sensibilidad. El análisis de sensibilidad va a tratar de determinar el caudal de agua requerido para distintas temepraturas del agua de salida del intercambiador, manteniendo la potencia térmica que ceden los gases de combustión. Los gases mantienen constante su caudal, la temperatua de entrada y la temperatura de salida, la cual no interesa bajar másde 120ºC por criterio del cliente para evitar condensaciones de la humedad contenida en estos gases. Se crea una tabla paramétrica en la que se irá variando la temperatura de salida del agua en un rango entre 70 y 85ºC para obtener el caudal de agua requerido a circular por el intercambiador, el cual permita extraer la misma potencia de los gases. Tabla 6. Resultados del Balance de Materia y Energía para distintas temperaturas de salida del agua Caudal de agua (kg/s) Temperatura de salida del agua(ºC) 0,1663 70 0,1535 71,67 0,1425 73,33 0,133 75 0,1247 76,67 0,1174 78,33 0,1108 80 0,105 81,67 0,09976 83,33 0,09501 85 Para determinar el caudal que debe entrar en el intercambiador en cada instante dependiendo de la temperatura de entrada del agua en su proceso de calentamiento hasta llegar al régimen permanente, se plantea otro análisis de sensibilidad El análisis de sensibilidad va a tratar de determinar el caudal de agua requerido para obtener distintas temepraturas del agua de entrada del intercambiador, manteniendo la temperatura de salida y la potencia térmica que ceden los gases de combustión ambos constantes, los gases mantienen constante su caudal, la temperatuar de entrada y la temperatura de salida, que como bien se ha comentado anteriormente no interesa bajar más por criterio del cliente parta evitar condensaciones de la humedad contenida en estos gases. Tabla 7. Resultados del Balance de Materia y Energía para distintas temperaturas de entrada del agua Caudal de agua (kg/s) Temperatura de entrada del agua(ºC) 0,04157 5 0,04434 10 0,0475 15 0,05116 20 0,05542 25 0,06046 30 0,06651 35 0,0739 40 0,08313 45 0,09501 50 Se estudiarán dos posibles situaciones que se encuentran fuera del régimen permanente del diseño: • La primera de estas situaciones será lo que ocurre con el sistema en temporadas en las que no se requiera una climatización de la nave, como puede ser en verano. Se realizará una modificación del diseño añadiendo al sistema una by-pass, mediante tres válvulas y una tubería de by-pass. Ilustración 26. Instalación By-Pass Esta instalación nos permite enviar los gases de escape fuera del sistema, sin que pasen por el intercambiador y sin que se requiera agua para el mismo. Se trata de la solución más económica y práctica, ya que nos permitirá realizar el mantenimiento del sistema en el periodo estival. • La segunda de estas situaciones será lo que sucede en el arranque, donde se da el régimen transitorio. Partiendo de un sistema estático, habrá que arrancar y llegar hasta el régimen permanente, para lo que 62 habrá que vencer la inercia térmica del fluido y de los metales de los conductos. Partimos de la solución más desfavorable, que será la temperatura del agua de 5ºC en una época fría. Para calentar dicha temperatura hasta una media de 70ºC, haremos el cálculo del tiempo estimado que tardará en darse ese salto. Cabe mencionar que se trata de una aproximación grosera, para tener un orden de magnitud aproximado. 𝑡(𝑠)∗40(𝐾𝐽 𝑠)=𝑉𝑎(𝑚3)∗𝜌𝑎(𝑘𝑔 𝑚3)∗𝐶𝑝𝑎(𝐾𝐽 𝐾𝑔𝐾)∗∆𝑇(𝐾)+𝑉𝐹𝑒(𝑚3)∗𝜌𝐹𝑒(𝑘𝑔 𝑚3)∗𝐶𝑝𝐹𝑒(𝐾𝐽 𝐾𝑔𝐾)∗∆𝑇(𝐾) Sustituyendo los siguientes valores en la ecuación anterior: Va=1,827m3 ρa=993,35Kg/m3 Cpa=4,174KJ/KgK VFe=0,127m3 ρFe=7900kg/m3 CpFe=0,477KJ/KgK ∆T=65ºK El resultado obtenido es de 13087s, lo que quiere decir que en el arranque se tardará 3 horas y 39 minutos en llegar a 70ºC y encontrarse así en régimen permanente. Como el arranque es la situación más desfavorable, toda fluctuación del sistema en régimen permanente estará dentro de la cota temporal del arranque, es decir, cualquier perturbación que se de en el sistema tendrá una respuesta inferior a la del arranque. Para demostrarlo, se realizará el mismo cálculo pero para una variación de temperatura de 45ºC a 70ºC. En este caso variarán únicamente: ρa=984,45Kg/m3 Cpa=4,18KJ/KgK ∆T=25ºK El resultado obtenido es de 4997,39s, lo cual equivaldrá a 1 hora y 24 minutos, y como se puede ver, es inferior al calculado para una variación superior de temperatura. 4. PRESUPUESTO Proyecto de ejecución de una instalación de ahorro energético en un horno-túnel de secado de pintura PARTIDAS € Suministro (3uds) 14.391,00 € TOTAL 14.391,00 € Oferta emitida por Secespol Radiadores (10uds) - Suministro 4.920,00 € Transporte 1.200,00 € TOTAL 6.120,00 € Oferta emitida por Baxi Suministro 790,00 € TOTAL 790,00 € Oferta emitida por Idrogas Suministro 207,65 € TOTAL 207,65 € Oferta emitida por Ibaiondo Suministro (2uds) 670,00 € TOTAL 670,00 € Oferta emitida por Sei Válvulas (4uds) 548,00 € TOTAL 548,00 € Oferta emitida por Esbe Tuberías metálicas Montaje mecánico Conexión de la instrumentación Calorifugado TOTAL 13.020,80 € Oferta emitida por Estimado Drenajes (2uds) 16,02 € Eliminador de aire y condensados 310,14 € Válvulas globo (4) 111,24 € Válvulas antiretorno (2) 16,02 € Filtros (2) 18,24 € Transmisor de presión (4 uds) 3.200,00 € Transmisor de temperatura (4 uds) 2.400,00 € Transporte 800,00 € TOTAL 6.871,66 € Oferta emitida por ICYM Fuerza 3.600,00 € Control 2.200,00 € TOTAL 5.800,00 € Oferta emitida por Estimado Programación PLC 2.600,00 € TOTAL 2.600,00 € Oferta emitida por Estimado Supervisión de pruebas funcionales y aceptación 1.000,00 € TOTAL 1.000,00 € TOTAL INSTALACIÓN 50.801,11 € INTERCAMBIADORES PIPING 13.020,80 € PUESTA EN MARCHA RADIADORES DEPÓSITO DE INERCIA INSTRUMENTACIÓN VASO DE EXPANSIÓN VÁLVULAS DE 3 VÍAS BOMBAS DE RECIRCULACIÓN TRABAJOS ELÉCTRICOS PROGRAMACIÓN 64 5. ANEXOS 5.1. PLANOS 5.1.1. Plano de implantación Ilustración 27. Implantación en planta Como se puede observar en el plano de implantación, a la izquierda se encuentra la nave a climatizar mediante los 10 radiadores seleccionados. A la derecha se puede observar el horno de polimerizado, donde se hará el aprovechamiento de los gases de escape. Se pueden observar las tres extracciones donde se colocarán los tres intercambiadores, así como el depósito de inercia junto con el vaso de expansión. 5.1.2. Plano de Control e Instrumentación Ilustración 28. Diagrama de Control e Instrumentación El plano de control e instrumentación es un plano mucho más detallado del diagrama de flujo. En él se puede observar tanto la línea principal, donde se encuentran los intercambiadores, y el juego de bomba y válvulas, así como sus respectivos lectores de presión y temperatura; como la línea secundaria, donde se encuentran los radiadores, y su respectivo juego de bomba y válvulas. Dichos radiadores se encuentran dispuestos en paralelo, para así tener una correcta distribución de la temperatura en los mismos. 66 5.2. NORMATIVA La normativa aplicable para este proyecto es: • Real Decreto 751/2011, de 27 de mayo, por el que se aprueba la Instrucción de Acero Estructural (EAE). • Real Decreto 2060/2008, de 12 de diciembre, por el que se aprueba el Reglamento de equipos a presión y sus instrucciones técnicas complementarias. • Real Decreto 709/2015, de 24 de julio, por el que se establecen los requisitos esenciales de seguridad para la comercialización de los equipos a presión. • ASME B31.3 Process Piping. • Real Decreto 842/2002, de 2 de agosto, por el que se aprueba el Reglamento electrotécnico para baja tensión. • Real Decreto 2267/2004. Reglamento de Seguridad Contra Incendio en los Establecimientos Industriales. • Real Decreto 513/2017. Reglamento de Instalaciones de Protección Contra Incendios. • Reglamentación General de Contratación según Decreto 3410/75 de 25 de Noviembre. • Articulo 1588 y siguientes del Código Civil, en los casos que sea procedente su aplicación al contrato de que se trate. • Ordenanza General de Seguridad e Higiene en el Trabajo (artículo 24 y capítulo VII del Título II). Orden del Ministerio de Trabajo del 9 de Marzo de 1.971 (BOE 16 y 17-3-1.971). • Ley de Prevención de Riesgos Laborales y Reglamentos que la desarrollan. Ley 31/1.995 de 8de Noviembre de 1.995. • Cuantos preceptos sobre Seguridad e Higiene en el Trabajo contengan las Ordenanzas Laborales, Reglamentos de Trabajo, Convenios Colectivos y Reglamentos de Régimen interior en vigor. • Ley 31/ 1.995 de 8 de noviembre, de Prevención de Riesgos Laborales. • Real Decreto 485/1.997 de 14 de abril, sobre Señalización de seguridad en el trabajo. • Real Decreto 486/1.997 de 14 de abril, sobre Seguridad y Salud en los lugares de trabajo. • Real Decreto 487/1.997 de 14 de abril, sobre Manipulación de cargas. • Real Decreto 773/1.997 de 30 de mayo, sobre Utilización de Equipos de Protección Individual. • Real Decreto 39/1.997 de 17 de enero, Reglamento de los Servicios de Prevención. • Real Decreto 1215/1.997 de 18 de julio, sobre Utilización de Equipos de Trabajo. • Real Decreto 1627/1.997 de 24 de octubre, por el que se establecen disposiciones mínimas de seguridad y salud en las obras de construcción. • Estatuto de los Trabajadores (Ley 8/1.980, Ley 32/1.984, Ley 11/1.994). • Ordenanza de Trabajo de la Construcción, Vidrio y Cerámica (O.M. 28-08-70, O.M. 28-07-77, O.M. 4-07-83, en los títulos no derogados). 5.3. Código Balance de Materia y Energía EES {DATOS} T_g_e=150 T_g_s=120 T_a_s=85 T_a_e=50 m_g=1646,6/3600 {m_a=0,095} {PROPIEDADES DEL GAS A 135ºC} Cp_g=Cp(Air;T=135) {PROPIEDADES DEL AGUA A 67,5ºC} cp_a=Cp(Water;T=67,5;P=1) rho_int=Density(Water;T=67,5;P=1) k_int=Conductivity(Water;T=67,5;P=1) Pr_int=Prandtl(Water;T=67,5;P=1) mu_int=Viscosity(Water;T=67,5;P=1) CÁLCULO DE LA MASA DE AGUA} Q_g=Q_a Q_g=m_g*Cp_g*Deltha_T_g Q_a=m_a*Cp_a*Deltha_T_a Deltha_T_g=T_g_e-T_g_s Deltha_T_a=T_a_s-T_a_e {CÁLCULO DE LA POTENCIA} Q_a_1=A_a*(h_int)*Deltha_T_a A_a=pi*D_a_e*L D_a_e=0,03 {m} L=48*0,848 Re_int=(rho_int*v_int*D_a_e)/mu_int v_int=(m_a_1/24)/A_paso_a m_a_1=m_a/rho_int {m3/s} A_paso_a=(pi/4)*D_a_e^2 {m2} NUd_int=4,36 NUd_int=(h_int*D_a_e)/k_int {CÁLCULO FITTING & SCHEDULE DEL SISTEMA DE TUBERÍAS} {Derivaciones individuales} {v_tuberias=0,5 {m/s} } D_tuberias_derivaciones=0,0127 {m} (pi/4)*D_tuberias_derivaciones^2=(m_a_1/v_tuberias) {SELECCIÓN SEGÚN TABLA 8.3} {Deberíamos escoger Di=1,252cm, que equivale a 3/8" sch40, pero escogemos Di=1,387cm, que equivale a 1/2" sch80} D_tuberias_norm_int=0,01387 {m} D_tuberias_norm_ext=0,02134 {m} D_tuberias_norm_pul=1/2 {pulgadas} {Instalación} (pi/4)*D_tuberias_instalacion^2=(3*m_a_1/v_tuberias) {Escogemos Di=1,2431cm, que equivale a 1" sch80} {SELECCIÓN DEPÓSITO DE INERCIA} {Criterio: 15min 40kW térmicos para agua a Tmax 85 y Tmin 65} E_t=40000*(15*60) E_t=m_a_inercia*C_p_iner*(85-65) C_p_iner=Cp(Water;T=75;P=1)