Artículo 7 Diseño de un colector tipo ciclón de hollín

Autor: Willy Leonel Valiente López
Correo electrónico:
Fecha: 17 de noviembre de 2019

Resumen

El siguiente artículo trata acerca del diseño de un colector tipo ciclón de hollín; se indica inicialmente la situación actual, así como el lugar donde se instalará; seguidamente, se inicia con el proceso de recolección de datos necesarios para el inicio del diseño; posteriormente se realizaron los cálculos del diseño, y por último se los planos isométricos de su potencial instalación.

Abstract

The following article is about the design of a soot cyclone collector, so it will start indicating the current situation, as well as the place where it will be installed, then it starts with the process of collecting data necessary for the start of the design, subsequently, the design calculations are made, finally, the isometric plans of its potential installation will be made.

Palabras Clave:

Ingeniería de instalaciones, diseño ciclón, hollín.

7.1 Introducción

La Facultad de Ingeniería de la Universidad de San Carlos, congruente con su objetivo institucional, permite a los estudiantes hacer su Ejercicio Profesional Supervisado para que apliquen los conocimientos adquiridos durante la carrera y además puedan incursionar en el mercado laboral, lo que los prepara para ejercer su profesión de la mejor manera posible; además, permite hacer un reconocimiento a aquellos trabajos que han demostrado originalidad, aporte personal, nivel profesional, entre otras características en su elaboración; en ese sentido, este trabajo fue reconocido con el premio a la Excelencia del año 2013 categoría graduandos; dicho logro fue gracias a la colaboración del Ingeniero Jaime Batten, con quien logramos formar un equipo de trabajo para su realización; cabe resaltar que sin una buena orientación no se puede llegar muy lejos, es por eso que agradezco al Ingeniero por todo el apoyo brindado, sin el cual no hubiera sido posible obtener dicho reconocimiento.

7.2 Artículo

7.2.1 Diagnóstico de la situación actual

Los ciclones son dispositivos de captación de material suspendido en el aire en que la fuerza gravitacional se sustituye con la fuerza centrífuga, dando como resultado una separación de partículas más rápida y con mayor eficiencia; su diseño se basa, normalmente, en familias de ciclones que tienen proporciones bien definidas. Los márgenes de la eficiencia de remoción para los ciclones están con frecuencia basados en las tres familias denominadas: convencional, alta eficiencia y alta capacidad; en ese sentido, para iniciar el diseño del ciclón de hollín es necesario conocer la situación actual, por lo cual en las siguientes figuras se ilustran los planos de las instalaciones de las calderas presentes.

Vista de los cortes realizados a la sala de calderas. Fuente: Elaboración propia

Figura 7.1: Vista de los cortes realizados a la sala de calderas. Fuente: Elaboración propia

Corte A. Fuente: Elaboración propia

Figura 7.2: Corte A. Fuente: Elaboración propia

Seguidamente, se inició con el proceso de aplicación de las cartas de Ringelman, dando como resultado que la densidad aparente visual para cada una de las chimeneas es: 31,50%, 17,33% y 19,67% para las calderas de 500 BHP, 600 BHP y 750 BHP, respectivamente; cabe mencionar, que dichos valores son menores al valor límite (51%).

7.2.2 Datos necesarios para el diseño del ciclón

Luego de analizar la situación actual, se procedió a la realización del diseño de un colector de hollín tipo ciclón; por lo cual se encontró bibliografía donde se observa la instalación de ciclones en chimeneas de calderas similares a las que posee la empresa, como se observa en la figura 3.

Además, se determinó que era necesario conocer las siguientes variables para el dimensionamiento del ciclón:

  • Caudal, presión, viscosidad dinámica, temperatura y densidad de los gases de combustión.

  • Tamaño y densidad del hollín.

  • Concentración de partículas de hollín en los gases de combustión.

7.2.3 Para conocer las variables mencionadas, se han utilizado las siguientes herramientas:

  • Tubo de Prandtl y estudio de granulometría.

  • Tabla de la densidad y viscosidad del aire en función de la temperatura.

  • Peso del hollín y volumen que ocupa en un recipiente cilíndrico.

Vista de un ciclón instalado en la chimenea de una caldera.

Figura 7.3: Vista de un ciclón instalado en la chimenea de una caldera.

De los requisitos antes mencionados se detallan los más importantes:

  • El estudio granulométrico: consiste en conocer el tamaño del grano de hollín; este se desarrolló en el Centro de Investigaciones de Ingeniería (CII);

  • El tubo de Prandtl: se construyó para medir las presiones presentes en el gas de descarga: es decir presión estática, dinámica y total; además, para determinar el caudal del gas de descarga se obtendrán dichos datos de la chimenea de la caldera de 750 BHP, porque posee una mayor potencia y diámetro.

Tubo de Prandtl.

Figura 7.4: Tubo de Prandtl.

Cabe resaltar que se seleccionó el tubo de Prandtl debido a su configuración natural, la cual permite que se inserte momentáneamente en la chimenea.

Esquema de la utilización del tubo de Prandtl.

Figura 7.5: Esquema de la utilización del tubo de Prandtl.

Aplicación del tubo de Prandtl para determinar la presión total.

Figura 7.6: Aplicación del tubo de Prandtl para determinar la presión total.

Aplicación del tubo de Prandtl para determinar la presión estática.

Figura 7.7: Aplicación del tubo de Prandtl para determinar la presión estática.

Para concluir esta sección, en la siguiente tabla se resumen de datos necesarios para el diseño del ciclón.

Resumen de datos necesarios para el diseño del ciclón.

Figura 7.8: Resumen de datos necesarios para el diseño del ciclón.

7.2.4 Procedimiento para diseñar un ciclón

El procedimiento para diseñar un ciclón es el siguiente:

• Seleccionar el tipo de ciclón, dependiendo del funcionamiento o necesidades requeridas (Tabla 2 y 3).

• Obtener un estimativo de la distribución de tamaño de las partículas en la corriente gaseosa para tratar.

• Calcular el diámetro del ciclón para una velocidad de entrada que esté dentro del intervalo de 15,2 m/s a 27,4 m/s y determinar las otras dimensiones del ciclón con las relaciones establecidas para las familias de ciclones con base en el diámetro.

• Estimar el número de ciclones necesarios para trabajar en paralelo.

Intervalo de eficiencia de diferentes familias de ciclones.

Figura 7.9: Intervalo de eficiencia de diferentes familias de ciclones.

Parámetros de diseño para los ciclones de entrada tangencial.

Figura 7.10: Parámetros de diseño para los ciclones de entrada tangencial.

A partir del conocimiento anterior, se procedió a dimensionar tres ciclones de la siguiente manera: el primero para que trabaje con tres calderas a la vez; el segundo, para que trabaje con dos calderas y el último, para que opere solo con una caldera.

Vista de un ciclón.

Figura 7.11: Vista de un ciclón.

Al finalizar el dimensionamiento de los tres ciclones, los resultados se ilustran en la tabla 4, donde se muestra un resumen de las principales características y se resalta lo siguiente:

  • El mayor diámetro y altura es para el ciclón diseñado para tres calderas.

  • La mayor eficiencia la presenta el ciclón diseñado para una caldera.

  • Los parámetros del ciclón diseñado para dos calderas se encuentran entre los otros dos ciclones.

Resumen de datos de los ciclones diseñados.

Figura 7.12: Resumen de datos de los ciclones diseñados.

Luego de ver los resultados se estableció que el ciclón que va a utilizarse será el diseñado para dos calderas, debido a que, aun cuando la planta está en expansión, no se considera que en un futuro cercano funcionen las tres calderas simultáneamente; se prevé que solamente lo harán dos.

Finalmente, en las siguientes figuras se muestran los planos propuestos para el cuarto de calderas con el ciclón instalado.

Vista en planta de la sala de calderas con ciclón instalado. Fuente: Elaboración propia.

Figura 7.13: Vista en planta de la sala de calderas con ciclón instalado. Fuente: Elaboración propia.

Vista del corte F. Fuente: Elaboración Propia.

Figura 7.14: Vista del corte F. Fuente: Elaboración Propia.

Vista isométrica interior del ciclón con conexiones. Fuente: Elaboración propia.

Figura 7.15: Vista isométrica interior del ciclón con conexiones. Fuente: Elaboración propia.

Vista isométrica exterior del ciclón instalado. Fuente: Elaboración propia.

Figura 7.16: Vista isométrica exterior del ciclón instalado. Fuente: Elaboración propia.

7.3 Conclusiones

  • Se diseñó un colector de hollín tipo ciclón con el cual se pueden trabajar dos calderas, simultáneamente, de la familia de alta captación de tipo Stairmand; de esa manera se podrá reducir el tiempo de limpieza de este al no estar sustrayéndole el hollín continuamente.

  • Las características técnicas del colector de hollín son: caudal (9,74 m3/s), velocidad de entrada (15,2 m/s), diámetro mayor (1,51 m).