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DYNA

versão impressa ISSN 0012-7353

Dyna rev.fac.nac.minas v.73 n.150 Medellín nov. 2006

 

DISEÑO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA REGENERADORES TÉRMICOS

THERMAL REGENERATOR TEST BENCH DESIGN

LAURA CATALINA VILLA SILVA
I.M., Estudiante de Maestría en Ingeniería, Universidad de Antioquia. lcvilla@udea.edu.co

RICARDO MEJÍA ÁLVAREZ
I.M., Msc en Ingeniería Energética. Profesor Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia. rimejal@udea.edu.co

JHON RAMIRO AGUDELO S.
I.M., PhD en Ciencias Térmicas. Profesor Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia. radian@udea.edu.co

Recibido para revisar 05 de Mayo de 2005, aceptado 1 de Noviembre de 2005, versión final 3 de Marzo de 2006

RESUMEN: Este artículo ilustra la metodología seguida para el diseño de un banco de pruebas para regeneradores térmicos de lecho poroso empacado -RTL-, que suministra gases a una temperatura preestablecida de forma estable. El banco cuenta con dos líneas principales para su funcionamiento: una de gases calientes y otra de aire de enfriamiento, cuyo flujo es conducido a un falso RTL mientras el sistema estabiliza. Al lograr esta condición, se conmuta el RTL y se inicia el registro de temperaturas de forma automática.

Los resultados experimentales permitieron obtener el comportamiento real de la temperatura en un lecho empacado con 10 esferas, lo que se utilizó para validar un modelo matemático desarrollado para este tipo de regeneradores.

PALABRAS CLAVE: Banco de pruebas, Regenerador térmico, Diseño conceptual

ABSTRACT: This paper shows the methodology adopted to design a test bench for porous packed bed thermal regenerator –RTL-. The test bench here designed, supply a constant and stable set temperature. The test bench is dotted with a hot gasses line and a cold flow air line, which is conducted to the false RTL while the system is stabilized. When this condition is satisfied, the RTL is commuted and automatically the temperatures are registered.

Experimental results let us obtain the real temperature distribution of a ten spheres packed bed. These results were used to validate a mathematical model of a similar regenerator.

KEY WORDS: Test bench, Thermal regenerator, Design

1. INTRODUCCIÓN

En el laboratorio de metalúrgica de la Universidad de Antioquia existe actualmente un horno de cubilote integrado en una planta piloto eco-eficiente. Una fracción del calor de los gases de escape se recupera en dos regeneradores de lecho poroso empacado. El calor recuperado se transfiere al aire que se suministra a la combustión, mejorando de esta manera el rendimiento del proceso productivo. El conocimiento detallado de los fenómenos

termodinámicos al interior del lecho permitiría realizar mejoras adicionales sobre la recuperación del calor, en esta dirección, se han desarrollado modelos matemáticos con diferentes grados de complejidad entre los que se destacan los de Mejía, et al. [1,2], Derkx y Dixon [3], Logtenberg y Dixon [4], Nijemeisland y Dixon [5], Dixon [6] Hastaoglu [7] y Chejne, et al. [8]. Para validar dichos modelos se requiere de un regenerador debidamente instrumentado, que además permita el control de variables críticas de operación como las condiciones del fluido que circula a través de ellos.

Como respuesta a esta necesidad, se diseñó y se construyó un banco de pruebas para regeneradores térmicos de lecho poroso empacado -RTL-, debidamente instrumentado, que permite controlar con precisión las condiciones del fluido que lo atraviesa. Las funciones principales del banco se originaron a partir del principio de operación de la planta piloto y posteriormente, para el desarrollo del diseño conceptual y de detalle se siguieron metodologías de diseño propuestas por Pahl y Beitz [9] y Cross[10].

2. DISEÑO

2.1 Funcionamiento general y alcances

La Figura 1 muestra un esquema de la planta eco-eficiente, en la que puede apreciarse el funcionamiento de los regeneradores (2a y 2b). Los gases salientes de la cúpula (1) van a la válvula (7a) que los dirige a uno de los regeneradores De esta forma, el calor de los gases de combustión es transferido a los elementos empacados al interior del lecho, hasta que este alcance una temperatura estable.

A continuación los gases pasan a un ciclón (3) y luego con la ayuda de un extractor (5) son evacuados a la atmósfera a través de la chimenea (6). Paralela a esta situación, el soplador (4) dirige el aire de combustión a la válvula (7b), que lo encauza al regenerador libre (2b), que en un tiempo anterior estuvo calentándose, recuperando así el calor almacenado en el regenerador.

Las principales tareas del banco de pruebas consistieron en suministrar al regenerador en estudio gases de combustión para el calentamiento y aire para el enfriamiento. Los dos regeneradores se empaquetaron con esferas. Los gases calientes se generaron mediante la combustión de gas natural. El sistema controlaba de forma automática su temperatura y caudal. Durante la etapa de enfriamiento solamente se controlaba el caudal de aire.

En consecuencia, el equipo debió dotarse con una retroalimentación continua de las condiciones de temperatura y caudal de los fluidos a la entrada de los regeneradores. Adicionalmente, fue necesario tener un registro continuo de la temperatura en diversos puntos al interior del lecho, tanto en las paredes como en los elementos empacados, así como en dirección radial y axial, con el fin de seguir fielmente el desarrollo del proceso térmico.

Para esta actividad se desarrolló un sistema de adquisición de datos con capacidad para recibir, procesar y almacenar mínimo 100 señales. A esto se sumó la necesidad de estabilizar el sistema térmico antes de acoplar el regenerador, ya que por exigencia de los modelos matemáticos a validar, era necesario que la temperatura de entrada de los gases al lecho permaneciera estable durante todo el proceso de medición.

Debido a la originalidad en el diseño de este banco de pruebas, sus especificaciones técnicas fueron establecidas como respuesta a los requerimientos inherentes a la evaluación de los regeneradores instalados en la planta eco-eficiente (Figura 1). En la revisión bibliográfica, se encontró un banco de pruebas para lechos porosos empacados en el Laboratorio de transferencia de calor y masa del Worcester Polytechnic Institute (WPI) [11].

Las condiciones experimentales reportadas en el regenerador del WPI, eran diferentes a las requeridas en el diseño presentado en este trabajo. En el WPI usaban vapor para calentar las paredes laterales del lecho y una corriente de aire para enfriarlo, buscando así generar un calentamiento-enfriamiento en el lecho de acuerdo a sus requerimientos.

Figura 1 Esquema de la planta Eco-eficiente
Figure 1 Scheme of the Eco-efficient facility

2.2 Diseño conceptual

En el diseño conceptual del banco de pruebas, se adoptó la metodología general de diseño propuesta por Pahl y Beitz [9].

2.2.1 Especificaciones técnicas y de diseño.

Se eligió un regenerador de forma cilíndrica, por comodidad de construcción y por ser ésta una forma comúnmente utilizada en la industria. Con el fin de obtener resultados coherentes con los obtenidos por Dixon y Nijemeisland [12], se empaquetó el lecho con esferas.

Se utilizó gas natural debido a su accesibilidad y economía. El equipo de suministro de aire se dimensionó de acuerdo a la pérdida de presión ocurrida en el RTL, Villa [13]. El rango de operación del banco se estableció teniendo en cuenta la mayor pérdida, la cual corresponde a elementos sucios. Los intervalos de trabajo obtenidos fueron de 0-3 m3/min y de 0-3.5 kPa. La temperatura de trabajo se fijó entre la ambiente 25ºC y 600 ºC. Por seguridad, la temperatura máxima en las superficies del banco de pruebas se fijó en 40ºC.

2.2.2 Establecimiento de funciones.

La función principal del banco de pruebas se denominó: realizar pruebas en el regenerador (Figura 2). Además de la presión a la entrada y salida del RTL, se midió la temperatura en diferentes posiciones axiales y radiales en la pared del lecho, así como en los elementos de prueba, tanto durante el calentamiento con gases de combustión, como durante el enfriamiento con aire. Se denominó funciones secundarias a las actividades que derivan de la función principal.

Figura 2 Función general del banco de pruebas
Figure 2 General function of the test bench

Para obtener las funciones secundarias fue necesario identificar todas las tareas que tenían lugar dentro de la función principal (Figura 3).

2.2.3 Establecimiento de soluciones y combinaciones.

Para la generación de alternativas se siguieron los dos primeros pasos comunes a los diferentes métodos de diseño consignados por Cross [10]: listar las funciones secundarias y para cada función mencionar los medios por los cuales puede realizarse cada función. Los pasos siguientes en general consistieron en la elaboración de un diagrama que incluía todas las alternativas y realizar todas las combinaciones posibles entre ellas. El tercer paso de esta etapa de diseño, consistió en elaborar la Tabla 1, en la que se identificaron las posibles combinaciones que quedaron después de descartar las que tenían grandes desventajas como el alto costo de piezas e instrumentos, la generación de funciones terciarias complejas y el uso de instrumentos de baja resolución, entre otras.

Tabla 1 Resumen de alternativas y combinaciones posibles
Table 1 Resume of the possible combinations and alternatives

Las letras indican una combinación posible. Por ejemplo, la solución A consistiría en enfriar gases de forma directa, aislar y permitir el flujo de gases por RTL con el regenerador fijo y el sistema móvil, así como la evacuación de gases por medio de un sistema fijo. Las demás funciones tienen sólo una alternativa y por tanto, son invariantes para las ocho combinaciones posibles (A-H).

Figura 3 Definición de las funciones del banco de pruebas
Figure 3 Test bench functions definition

2.2.4 Establecimiento de los criterios de evaluación.

Los criterios de selección adoptados fueron los siguientes:

  1. Logro de estabilidad térmica del fluido en la entrada al RTL.
  2. No requerimiento de mecanismos adicionales (funciones terciarias).
  3. No aumento del costo por el diseño, fabricación o adquisición de equipos especiales.
  4. Fácil montaje de los dispositivos.
  5. Fácil acceso a los elementos.
  6. Sencillez de los componentes.
  7. Fácil manejo de los elementos del banco y del sistema en general.
  8. Rápida respuesta del sistema.
  9. Poco número de elementos sometidos a fatiga o desgaste.
  10. Evitar precalentamientos en el regenerador térmico antes de iniciar las mediciones.1.2.5 Selección y evaluación de diseños.

Para establecer el orden de prioridades en dichos criterios, se hizo una comparación sistemática de pares de objetivos, siguiendo la metodología propuesta por Cross [10], los resultados de esta comparación se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2 Comparación sistemática de objetivos
Table 2 Systematic objectives comparison

Al organizar el puntaje de cada parámetro se obtuvo el siguiente orden de prioridades:

1 -> 10 -> 8 -> 3 -> 2 -> 4-> 9 ->7 -> 5 -> 6

El puntaje obtenido en la última columna de la Tabla ii (Total), fue asignado a cada alternativa de diseño (A-H) y con éstos se calificó luego cada combinación, tal como se muestra en la Tabla 3.

Tabla 3 Calificación de las combinaciones
Table 3 Evaluation of the combinations

La combinación más adecuada para realizar la función general es la C (37 puntos), que consiste en enfriar gases de forma directa, aislar y permitir el flujo de gases y aire por el RTL con el regenerador móvil y el sistema fijo, así como evacuar gases por medio de un sistema de extracción fijo.

Al llegar a esta etapa se había conseguido el diseño conceptual del banco de pruebas, pero debido a que la combinación seleccionada implicaba el desarrollo de funciones terciarias, se hizo necesario repetir los pasos descritos en las secciones 1.2.3 a 1.2.5 para las funciones generadas: transportar y acoplar. La solución consistió en un eje central apoyado en un gato hidráulico y conducido de forma manual por medio de una volante (Figura 4).

Figura 4 Izquierda: banco de pruebas para regeneradores térmicos. Derecha: secuencia de operación
Figure 4 Left: porous packed bed thermal regenerator test bench. Right: sequence of operation

2.3 FUNCIONAMIENTO DETALLADO

El banco de pruebas construido (Figura 4) consta de dos líneas de trabajo: la línea de gases calientes y la línea de aire de enfriamiento, las salidas de ambas se localizan en un mismo plano y en el centro de ambas se encuentra un brazo central que soporta el RTL a probar y un falso RTL (un cuerpo de configuración similar al RTL que se opone al flujo del mismo modo). Este último se ubicó sobre la línea de gases de combustión hasta alcanzar estabilidad térmica, posteriormente con un giro manual de 180º se conmuta al RTL en la línea de prueba y se procede al registro de las mediciones. Cuando el regenerador se encuentra en un estado estable, se gira nuevamente el brazo central -180º, quedando posicionado el RTL sobre la línea de enfriamiento en la que reposaba inicialmente. En ese momento se hace fluir aire a temperatura ambiente hasta que se logre nuevamente un estado estable, con lo cual, se termina el registro de mediciones. Las especificaciones del banco se resumen en la Tabla 4 al final de esta sección.

Tabla 4 Especificaciones del banco de pruebas
Table 4 Test bench specifications

Regenerador térmico. Consiste en un cilindro metálico que contiene un cilindro refractario (cerámico). En este último se localizan los sensores de temperatura distribuidos en cuatro columnas a cuatro diferentes posiciones radiales. Las esferas empacadas al interior se sostienen por medio de una rejilla de acero inoxidable ubicada en la zona inferior del cilindro. Para la sujeción al brazo central del soporte, el regenerador cuenta con un sistema de agarre graduable, que se utiliza cuando se desee probar regeneradores de diferentes tamaños.

Suministro de gases. El aire del banco de pruebas es suministrado por un grupo de ventiladores centrífugos, dispuestos en dos series en paralelo que confluyen a un plénum de donde se obtienen dos derivaciones: la primera para la línea de aire primario de combustión y la segunda que se divide a su vez en dos, para el aire secundario y para el aire de enfriamiento en la segunda etapa de funcionamiento. Cada una de estas líneas cuenta con los acoples, medidores de flujo y válvulas necesarias que son controladas por un computador usando los datos registrados en los sensores de temperatura, estequiometría y caudal del mismo banco de pruebas.

Después de mezclar el gas natural con el aire primario, se conduce la mezcla a la cámara de combustión, donde se localiza un quemador con su respectivo equipo de ignición. Luego los gases de combustión pasan a una cámara de enfriamiento, con una entrada extra para el aire secundario, la cual disminuye la temperatura de los gases de combustión al valor que se desee probar en el RTL. En esta cámara se ubican sensores que registran la temperatura de los gases hasta lograr estabilidad térmica y que además controlan la estequiometría de la combustión.

Acople al RTL. El sistema de acople consiste en un gato hidráulico con un rodamiento ensamblado en la parte superior sobre el cual descansa el brazo central, que soporta al RTL y al falso RTL. El movimiento rotacional del brazo es generado por medio de una volante ajustada directamente a él.

Estructura soporte. Para el soporte de los elementos componentes del banco, se construyó una estructura en forma piramidal, con cuatro superficies básicas de apoyo: Superficie inferior para el soporte de la red de gas, superficie intermedia para el apoyo de la red de aire, superficie alta para el apoyo del mecanismo de acople y una superficie superior extendida para el soporte de las dos superficies cónicas donde se ubican las salidas de las líneas caliente y fría.

Sistema de control y adquisición. El sistema de adquisición se encarga de registrar mediciones de temperatura en gases, en la pared y en los elementos de prueba. Adicionalmente, registra la caída de presión en los tubos vénturi ubicados tanto en la línea de gas como en la de aire y la transforma en una señal de caudal. Con estos datos el equipo de control se encarga de accionar automáticamente el conjunto de válvulas o la potencia de los ventiladores a fin de lograr el caudal o la temperatura de trabajo.

  • Control. El sistema de control manipulaba cuatro variables: flujo, temperatura, presión y concentración de oxígeno en los gases de combustión. El conjunto de ventiladores proporcionaba el flujo de aire adecuado con el fin de lograr la temperatura y el caudal deseados dentro del sistema térmico (actuador). Se utilizó un control PID y un microcontrolador. La estequiometría se garantizó con un sensor de oxígeno (sonda lambda) y por medio de una válvula de aguja se controló el flujo de gas combustible.
  • Adquisición. El sistema de adquisición se componía de dos partes, el sensado de canales análogos: provisto de circuitería de acondicionamiento, múltiplexación, adquisición y transmisión de las señales que se sensaron en el proceso térmico y la interfaz de usuario; que permitía el monitoreo y la grabación de la información por medio de una base de datos, que correspondía a los diferentes sensores activos en el momento del funcionamiento, en diferentes sectores del proceso térmico. Se utilizaron 96 canales de temperatura y 48 de presión, con una tasa de muestreo de 2 segundos.

3. EXPERIMENTACIÓN

Para la validación de los resultados experimentales, se realizaron pruebas sobre un RTL de diámetro interior 0.082 m, paredes de cemento refractario y aislante de 0.025 m y con 10 esferas de aluminio de diámetro 0.034 m,

empacadas al interior, tal como se ilustra en la Figura 5. Las esferas se empacaron en cuatro camadas: 1, 4, 4, 1, con la segunda camada girada 90 grados con respecto a la primera. Se utilizó esta configuración ya que paralelo a este trabajo se realizaron simulaciones en CFD, Nieto, et al. [14].

Figura 5 Disposición de los elementos en el lecho.
Figure 5 Packed bed elements disposition.

El RTL se instrumentó con 4 columnas de termopares en diferentes posiciones radiales y dos termopares en las filas intermedias. El análisis de datos se hizo para una de las esferas de la fila intermedia.

Mejía, et al. [1,2] propusieron la ecuación (1) para la temperatura en el elemento inferior del lecho, tanto en el calentamiento como en el enfriamiento:

Donde C1, C2 y C3 son constantes de ajuste, t es el tiempo y Te es la temperatura de la esfera.

Para explicar el comportamiento de los datos se asumió la hipótesis nula H0: C1=C2=C3=0. La hipótesis se probó calculando una estadística de prueba. El modelo de ajuste no lineal reportó los resultados consignados en la Tabla 5. Según los cálculos estadísticos, se rechazó la hipótesis nula y por tanto, los coeficientes explican el modelo y fueron dados por los valores de la Tabla 5. Los estadísticos descriptivos del ajuste fueron:

  • Desviación estándar de la regresión:
  • Coeficiente de determinación:
  • Coeficiente de correlación ajustado:

Tabla 5 Resultados del modelo
Table 5 results obtained with the model

Como se cumplió que , se concluyó que el tiempo (t) explicaba satisfactoriamente a la variable temperatura Te.

La prueba de homoscedasticidad [15], reportó los siguientes resultados: Estadístico- F 4.676679 Probabilidad 0.010255 No. Obs.*R2 9.094259 Probabilidad 0.010598 Aunque la probabilidad es baja, al examinar los residuos estandarizados en las Figura 6 y 7 pueden descartarse distribuciones anómalas de varianza causadas por una mala especificación del modelo. Como puede observarse, hay una leve pulsación en la distribución de residuales, lo cual es atribuible al escalonamiento de los datos reportado por el equipo de adquisición de datos. El efecto es causado porque el poder de resolución del equipo se fijó en 1ºC durante la experimentación, que es suficiente para los niveles de temperatura manejados, pero la prueba de homoscedasticidad es capaz de detectarlo.

Figura 6 Modelo ajustado y curva de residuales absolutos.
Figure 6 Adjusted model and absolute residuals.

Figura 7 Residuos estandarizados de la regresión no lineal
Figure 7 Standardized residuals from the non linear regression

La Figura 8 muestra el histograma de frecuencia de residuales con los respectivos resultados de la prueba Jarque-Bera de normalidad [15]. El valor de 0.093294 de la probabilidad de esta prueba, es suficiente para aceptar la hipótesis de normalidad en los residuales.

Figura 8 Histograma de residuales para la prueba Jarque-Bera de normalidad
Figure 8 Residuals histogram for the Jarque-Bera normality test

El anterior análisis de regresión permite concluir que la expresión (2), obtenida por correlación de datos, es un modelo correcto para expresar la temperatura local de sólidos empacados en función del tiempo.

4. CONCLUSIONES

  • Se diseño y construyó un banco de pruebas que permitió validar un modelo teóricos desarrollado para regeneradores térmicos de lecho poroso empacado en estado transitorio.
  • Las alternativas de diseño, en la mayoría de los casos eran únicas, y requerían un diseño específico determinado por las condiciones de trabajo, como es el caso de la estequiometría, temperatura y caudal, entre otras. Lo que hizo que la combinación de posibles soluciones se redujera y que el diseño de detalle tomara un papel substancial en el logro de un diseño final.
  • Las distribuciones de temperatura medidas experimentalmente, mostraron una marcada tendencia a describir el fenómeno según las ecuaciones del modelo teórico.
  • El banco pudo ser usado con gas natural hasta una temperatura de 600ºC y presión máxima de 3.5 kPa, en un futuro podrían hacerse modificaciones que permitieran trabajar con otros combustibles gaseosos.
  • El banco puede ser utilizado para realizar prácticas de laboratorio de transferencia de calor, termodinámica y mecánica de fluidos.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la Universidad de Antioquia, a la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín y a la Fundación para la Promoción de la Investigación y la Tecnología del Banco de la República de Colombia por la financiación de esta investigación.

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