UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA TESIS “MODELAR UN INTERCAMBIADOR PAR EL ENFRIAMIENTO DE CLINKER DE CEMENTO QUE OPTIMICE LA PÉRDIDA DE MATERIA PRIMA EN CEMENTO ANDINO S.A.” ” PRESENTADA POR EL BACHILLER: MEDINA PALOMINO, JOSE LUIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECÁNICO HUANCAYO - PERÚ 2015 ASESOR Ing. Omar Pablo Flores Ramos DEDICATORIA A Dios que me ha dado la vida y fortaleza para terminar este proyecto de investigación, A mis padres por estar ahí cuando más los necesité ejemplos de perseverancia, en especial a mi madre por su ayuda y constante cooperación. i AGRADECIMIENTO A mi asesor Ing. Omar Pablo Flores Ramos, por su constante apoyo, que sin el mismo no hubiera sido posible la culminación de la presente tesis. Al personal de la Fábrica Cemento Andino Tarma- La Unión el cual me brindó su apoyo en el desarrollo de mi investigación. ii RESUMEN Cemento Andino como parte de la fabricación de cemento, extrae y procesa caliza para la obtención de Clinker, el cual conforma el mayor porcentaje del contenido de cemento. Los hornos rotativos son los encargados de transformar la caliza y otros aditivos procesados en Clinker, lo que ocasiona que los materiales se encuentren a altas temperaturas a la salida de este, es por ello que en este punto existe instalado un sistema de enfriamiento por ventilación directa. Este tipo de enfriamiento produce levantamiento de polvo a altas temperaturas (343 ºC) el cual actualmente es aspirado y capturado por un filtro mecánico cuya eficiencia no es óptima, por el cual se pierde Clinker a través de la chimenea del filtro. Ante esto, se ha visto la necesidad de disminuir la temperatura del flujo de polvo de Clinker para viabilizar la instalación de un filtro más eficiente el cual resiste temperaturas máximas de 150ºC; para ello se diseñó un intercambiador de calor aire-polvo de Clinker que disminuirá la temperatura de 343ºC a 131 ºC, el cual se planea ubicar entre el enfriador de Clinker del Horno y el filtro actual. Mediante iii la instalación del enfriador instantáneo de Clinker se podrá incrementar la recuperación de Clinker en 56351 kg por año. Palabras claves: Hornos, clinker, filtro, ventilación, eficiencia, chimenea. iv ABSTRACT Andino cement as part of the manufacture of cement, limestone extracts and processes for producing clinker, which constitutes the highest percentage of cement content. Rotary kilns are responsible for transforming the limestone and other additives processed Clinker, which causes the material is high temperature at the outlet of this, which is why at this point there is installed a cooling system for direct vent. This type of cooling dusting occurs at high temperatures (343 ° C) which is sucked and currently captured by a mechanical filter whose efficiency is not optimal, whereby Clinker is lost through the chimney of the filter. Given this, we have seen the need to reduce the temperature of the powder flow Clinker to make possible the installation of a more efficient filter which withstands temperatures of 150 ° C maximum; to do a heat exchanger air-powder Clinker will decrease the temperature of 343 ° C to 131 ° C, which plans to place between the cooler Clinker Kiln and the current filter is designed. By installing the instant clinker cooler can be increased recovery of 56,351 kg clinker per year. Keywords: Kilns, clinker, filter, ventilation, efficiency, fireplace. v INDICE Página Dedicatoria i Agradecimiento ii Resumen iii Abstract v Índice INTRODUCCIÓN 1 CAPITULO I PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 1.1 Tema de investigación ……………………………………….………………… 3 1.2 Planteamiento del problema ………….……….…………………….............. 3 1.2.1 Enunciado del problema ……………………………………………….. 3 1.2.2 Formulación del problema …………….……………………………..... 5 1.3 Objetivos de la investigación………………………………………………..… 5 1.3.1 Objetivo general…………………………………………………………. 5 1.3.2 Objetivos específicos……………………………………………….….. 5 1.4 Justificación de la investigación…………………………………………….…. 5 1.4.1 Justificación Social…………………………………………………….….. 5 1.4.2 Justificación Técnica…………………………………………….............. 6 1.5 Limitaciones del Estudio………………………………………………………… 7 1.6 Viabilidad del Estudio………………………………………………………..…. 7 CAPITULO II MARCO TEÓRICO 2.1 Antecedentes de la Investigación.……………………………………….……. 8 2.2 Bases Teóricas………………………………………………………….…..……. 9 2.2.1 Intercambiadores de Calor.…...…..………………………..………….. 9 2.2.1.1 Tipos de intercambiadores de calor según su construcción.. 11 2.2.1.2 Tipos de intercambiadores de calor según su operación…. 14 2.2.1.3 Funcionamiento de los intercambiadores de calor………… 18 2.2.1.4 Diseño de intercambiadores………………………………….. 18 2.2.1.5 Balance de energía…………………………………………… 19 2.2.1.6 Asignación de flujos………………………………………….. 21 2.2.1.7 Diagramas térmicos………………………………………….. 21 2.2.1.8 Número de celdas en serie………………………………….. 22 2.2.1.9 Diferencia de temperatura media corregida………….……. 22 2.3 Definiciones conceptuales…………………………………………………….. 23 2.3.1 Sistemas de enfriamiento de Clinker…………………………………. 24 2.3.1.1 Sistema de Enfriamiento por gravedad…………………….. 24 2.3.1.2 Sistema de Enfriamiento de tiro directo……………………. 25 2.3.1.3 Sistema de Enfriamiento por intercambiador……………… 26 2.3.2 Intercambiadores de calor……………………………………………… 27 2.3.2.1 Tipos de Intercambiadores de Calor………………………… 27 2.3.2.2 Coeficiente Global de transferencia de calor……………… 33 2.3.2.3 Análisis de Intercambiador de Calor: uso de la diferencia de temperatura media logarítmica………………………….. 34 2.3.2.4 Análisis de intercambiador de Calor método de eficiencia NUT……………………………………………………………. 40 2.3.2.5 Metodología de cálculo de un intercambiador de calor….. 46 2.3.2.6 Intercambiadores de calor compactos……………………. 48 2.3.3 Transferencia de calor por convección……………………………… 52 2.3.3.1 Mecánica de Fluidos………………………………………… 52 2.3.3.2 Convección Forzada: Flujo Laminar y turbulento………… 65 2.3.3.3 Flujo a través de un banco de tubos……………………… 70 2.4 Formulación de la hipótesis………………………………………………… 80 Hipótesis general………………………………………………………………. 80 2.5 Ingeniería del proyecto………………………………………………………… 80 2.5.1 Balance de materia y energía del sistema de enfriamiento de Clinker…………………………………………………………………... 81 2.5.1.1 Balance de materia………………..………………………… 81 2.5.1.2 Balance de energía………………………………………….. 82 2.5.2 Modelación y predimensionamiento del enfriador………………….. 84 2.5.2.1 Antecedentes e identificación del enfriador a diseñarse… 84 2.5.2.2 Modelación y generación del enfriador instantáneo……… 87 2.5.3 Coeficiente de transferencia de calor del flujo externo…………….. 95