Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos
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Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados Índice Conceptos genéricos de agitación Introducción Viscosidad Caudal Turbulencia Cizalladura Conceptos aplicados de agitación Agitadores verticales • • • • • Flujo y tipos de móviles Caudal-velocidad Intensidad de agitación Parámetros de selección e instalación Agitadores para procesos de digestión anaerobia Agitadores sumergibles • • • Flujo y velocidad Empuje y potencia Parámetros de selección e instalación Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 2 Índice Conceptos genéricos de agitación Introducción Viscosidad Caudal Turbulencia Cizalladura Conceptos aplicados de agitación Agitadores verticales • • • • • Flujo y tipos de móviles Caudal-velocidad Intensidad de agitación Parámetros de selección e instalación Agitadores para procesos de digestión anaerobia Agitadores sumergibles • • • Flujo y velocidad Empuje y potencia Parámetros de selección e instalación Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 3 Conceptos básicos de agitación, introducción Acción de agitar: mover con frecuencia y violentamente de un lado a otro (R.A.E) Proceso de homogeneización, o de mezcla de dos ó mas productos ( ó fases) promovido por un equipo mecánico ( agitador) Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 4 Conceptos genéricos de agitación, introducción Agitación como fenómeno de transporte (I) AGITACION Convección Difusión “escala macroscópica” Caudal “escala microscópica” Turbulencia Cizalladura Aplicaciones tratamiento de agua AGITADOR Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 5 Conceptos genéricos de agitación, introducción Agitación como fenómeno de transporte (II) AGITADOR Aplicaciones tratamiento de agua Caudal Turbulencia Cizalladura Q ( m3 /h) Pe ( W /m3 ) G ( s-1 ) Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 6 Conceptos genéricos de agitación, viscosidad Ley de Newton r F A v sólo consideramos fluidos NEWTONIANOS Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 7 Conceptos genéricos de agitación, viscosidad Número de Reynolds Número Re↔ tipo de régimen Número de Reynolds: Re = ρ . n . D 2/ µ Tipos de Régimen: • Régimen laminar: Re 10 • Régimen intermedio: 10 Re 104 o 105 (*) • Régimen turbulento: 10 Re 104 o 105 (*) (*) según el tipo de móvil: - Re 104 móvil de flujo radial - Re 105 móvil de flujo axial Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 8 Conceptos genéricos de agitación, caudal Q ~ D3 . n Q = NQ . D3. n El número de caudal es propio de cada móvil y variable con el número de Reynolds Re En régimen turbulento el número de caudal NQ es constante Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 9 Conceptos genéricos de agitación, turbulencia Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 10 Conceptos genéricos de agitación, turbulencia turbulencia ↔ potencia volumétrica P ~ ρ. n3 . D5 P = NP . ρ . n3 . D5 Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 11 Conceptos genéricos de agitación, cizalladura Cizalladura ↔ gradiente de velocidad P = M . ω ω = v / R ↔ G P = M . G M = F . Δz = (τ . Δx . Δy ). Δz P = τ . Δx . Δy . Δz . G V = Δx . Δy . Δz P = τ. V. G τ = μ . G P = μ . G . V. G = μ . V. G2 P/V = μ . G 2 Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 12 Conceptos genéricos de agitación, cizalladura Limitaciones del gradiente como parámetro • Es un parámetro medio o global que no considera la distribución espacial • Los valores especificados en la bibliografía no consideran adecuadamente los perfiles de alta eficiencia ( de muy baja potencia específica) • Es un parámetro que depende de la viscosidad dinámica, y por tanto sólo aplicable a fluidos Newtonianos • Su valor sería válido en términos relativos y no absolutos ( efecto comparativo entre 2 móviles iguales en distintos volúmes o un móvil operando a distinto régimen de giro) Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 13 Índice Conceptos genéricos de agitación Introducción Viscosidad Caudal Turbulencia Cizalladura Conceptos aplicados de agitación Agitadores verticales • • • • • Flujo y tipos de móviles Caudal-velocidad Intensidad de agitación Parámetros de selección e instalación Agitadores para procesos de digestión anaerobia Agitadores sumergibles • • • Flujo y velocidad Empuje y potencia Parámetros de selección e instalación Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 14 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Introducción Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 15 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Flujo y tipo de móviles flujo ↔ caudal • Marina Flujo radial (turbinas): • Palas planas • Perfil delgado (alta eficiencia) • Con disco central “Rushton” Flujo axial (hélices): Flujo tangencial: • Ancora • Turbina axial 4 palas @ 45 º Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 16 POTENCIA Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Flujo y tipo de móviles Caudal Cizalladura Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 17 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Caudal - velocidad Qp : Caudal propio o de bombeo (básicamente axial ) Qi : Caudal inducido Qt : Caudal total ( o de circulación) Qt : Caudal total ( o de circulación) = Qp (caudal propio o de bombeo) + Qr (Caudal inducido) Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 18 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Caudal - velocidad Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 19 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Caudal - velocidad Vm : velocidad media Vr : velocidad de retorno Vf : velocidad de flujo Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 20 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Caudal - velocidad Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 21 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Intensidad de agitación DEFINICION : INTENSIDAD DE AGITACION Es referida a la velocidad media ( y por tanto al caudal propio) según la siguiente escala: ESCALA DE LA INTENSIDAD DE AGITACION: • nivel 1: Vm = 0,03 m/s • nivel 10: Vm = 0,3 m/s Rango 1 a 3: intensidad baja ( almacenamiento) Rango 4 a 6: intensidad media ( homogeneización) Rango 7 a 9: intensidad fuerte ( disolución complicada) Rango superior a 10: intensidad violenta ( CONSULTAR) Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 22 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Intensidad de agitación APLICACIÓN NA Lechada de Cal. Preparación 10% 4 ‐ 5 Lechada de Cal. Preparación 20% 5 ‐ 6 Neutralización 2 ‐ 4 Homogeneización agentes reactivos 2 ‐ 4 Mantenimiento de lechadas 4 ‐ 8 Disolución de reactivos 3 ‐ 4 Mezcla rápida (Flash Mixing) 3 ‐ 10 s/tiempo retención Floculación 2‐ 4 Móvil específico Preparación Polielectrolitos 3 ‐ 4 producto en polvo Desnitrificación 2 ‐ 4 Decromatización 2 ‐ 4 Homogeneización de biosólidos 2 ‐ 5 s/concentración Mantenimiento en suspensión biosólidos 2 ‐ 3 de 0 ‐ 20% m.s 4 ‐ 5 de 21 ‐ 38 % m.s 5 ‐ 7 s/concentración Acondicionamiento de biosólidos NOTAS Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 23 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Planteamiento de un problema de agitación. Seleccionar el tipo móvil en función de los resultados requeridos para la aplicación • Considerar la geometría del depósito, situación del agitador y patrón de flujo requerido • • Deflectores • Seleccionar el modelo concreto dentro de la gama disponible. Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 24 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Elección de móvil (I) Hélice marina Turbina axial 4 palas @ 45º Hélice perfil delgado alta eficiencia (SABRE) Homogeneización económica en pequeño volumen Homogeneización económica en pequeño y mediano volumen Homogeneización con un consumo energético mínimo Móvil clásico de flujo axial, con un porcentaje Móvil clásico de flujo predominantemente medio de turbulencia. axial , con cierta componente radial. Funcionamiento a alta velocidad Mayor porcentaje de turbulencia , puede ser una solución de coste competivo para problemas sencillos . Funcionamiento a media/baja velocidad Móvil de flujo predominantemente axial , asegura un bombeo de gran eficacia. Funcionamiento a baja velocidad con un porcentaje de turbulencia , de muy bajo a moderado. Solución óptima para una gran cantidad de aplicaciones. Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 25 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Elección de móvil (II) Hélice marina Diámetro ( mm ) Velocidad giro (rpm) 125 Caudal ( m3/h) Turbina axial 4 palas @ 45º Hélice perfil delgado alta eficiencia (SABRE) 1.000 88 58 3.000 Potencia absorbida (kW) 3,7 3,3 0,9 Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 26 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Influencia de la geometría del depósito en la agitación Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 27 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Patrón de flujo (I) Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 28 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Patrón de flujo (II) Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 29 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Deflectores (anti-VORTICE) (I) Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 30 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Deflectores (anti‐VORTICE) (II) Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 31 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Deflectores (anti‐VORTICE) (III) En caso de que el agitador se coloque centrado en un tanque cilíndrico, es necesario instalar en dicho tanque tres deflectores anti-rotación, para : • Evitar que toda la masa fluida, como un todo, gire alrededor del eje. • Evitar el vórtice que pueden dañar al agitador e introducen aire en el producto. • Conseguir una agitación correcta. Las medidas de los deflectores han de ser aproximadamente como se indica en la tabla. La altura de los deflectores ha de ser aproximadamente el 75% de la altura de la virola del tanque ) Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 32 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Selección del modelo de agitador (I) T: Diámetro (equivalente) del Deposito D: Diámetro del móvil HL: Altura (nivel) de fluido HT: Altura al apoyo del agitador La: Longitud de eje (árbol) ha: Distancia al fondo del borde de ataque de la hélice Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 33 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Selección del modelo de agitador (II) RELACIONES USUALES ( para un único móvil ) : D/T : 0,3 a 0,6 ha = HL/3, mínimo 0,25 D (flujo aspirante) La = HT ‐ ha Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 34 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Selección del modelo de agitador (III) NOTA IMPORTANTE : Si HL / T >> 1,4‐1,5 suele requerir MAS DE UNA HELICE Æ REALIZAR CONSULTA Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 35 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Componentes de un agitador vertical Motor eléctrico Palier con mangón y rodamiento de guiado Eje del agitador Hélice Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 36 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Componentes de un agitador vertical Motoreductor eléctrico Acoplamiento rígido ( mangón o de brida) Eje del agitador Móvil de agitación Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 37 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Componentes de un agitador vertical Motoreductor eléctrico Acoplamiento rígido ( mangón o de brida) Eje del agitador Móvil de agitación Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 38 Índice Conceptos genéricos de agitación Introducción Viscosidad Caudal Turbulencia Cizalladura Conceptos aplicados de agitación Agitadores verticales • • • • • Flujo y tipos de móviles Caudal-velocidad Intensidad de agitación Parámetros de selección e instalación Agitadores para procesos de digestión anaerobia Agitadores sumergibles • • • Flujo y velocidad Empuje y potencia Parámetros de selección e instalación Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 39 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Soluciones alternativas Mezcla por gas ( compresor) Recirculación de bomba Agitador sumergible (montaje sobre el fondo) Agitador mecánico entubado de alta velocidad: Montaje vertical ( central ó desplazado del eje) Montaje exterior vertical Montaje exterior entrada lateral Agitador mecánico montaje vertical central Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 40 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Parámetros de proceso Tradicionalmente: Potencia específica Gradiente de velocidad Tiempo de retención Según nuestra consideración: Caudal de bombeo Caudal de circulación Velocidad lateral de remonte Tasa de renovación horaria (W/m3) (s‐1) (min) (m3/h) (m3/h) (m/s) (ren/h) Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 41 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Solución agitador vertical Milton Roy Agitador mecánico montaje vertical central, de baja velocidad con móviles alta eficiencia. Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 42 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Solución agitador vertical Milton Roy Sistema de estanqueidad fiable y competitivo Posibilidad de cumplimiento de la normativa ATEX Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 43 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Solución agitador vertical Milton Roy 2 Móviles situados a dos niveles, a 90º entre sí. El diseño de los móviles permite la rotación en ambas direcciones Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 44 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Solución agitador vertical Milton Roy Análisis CFD (I) Volumen : Diámetro móviles: Velocidad rotación: Potencia hidraulica: Tiempo de mezcla: 7730 m³ (Ø 23.5m) 3 m / 4.8 m 10.9 rpm (CW) 5.80 kW 2 horas Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 45 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Solución agitador vertical Milton Roy Análisis CFD (II) Volumen : Diámetro móviles: Velocidad rotación: Potencia hidraulica: Tiempo de mezcla: 7730 m³ (Ø 23.5m) 3 m / 4.8 m 10.9 rpm (CCW) 5.80 kW 2 horas Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 46 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Solución agitador vertical Milton Roy Análisis CFD (III) Volumen : Diámetro móviles: Velocidad rotación: Potencia hidraulica: Tiempo de mezcla: 7730 m³ (Ø 23.5m) 3 m / 4.8 m 5,2 rpm 0,63 kW 5 ‐6 horas Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 47 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Solución agitador vertical Milton Roy Conclusiones • Homogeneización global en todo el digestor por el gran caudal de bombeo • Mezcla con grado de homogeneización 95 % en muy reducido periodo. • Gran uniformidad de temperatura : reducción de costes asociados de calentamiento • Bajo consumo eléctrico: reducido coste de operación • Eliminación de la costra superficial permanente • Disminución de la acumulación de arenas en el fondo: conservación del volumen útil y del tiempo de retención. • Diseño robusto a baja velocidad: bajo nivel vibratorio y reducido coste de mantenimiento. Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 48 Índice Conceptos genéricos de agitación Introducción Viscosidad Caudal Turbulencia Cizalladura Conceptos aplicados de agitación Agitadores verticales • • • • • Flujo y tipos de móviles Caudal-velocidad Intensidad de agitación Parámetros de selección e instalación Agitadores para procesos de digestión anaerobia Agitadores sumergibles • • • Flujo y velocidad Empuje y potencia Parámetros de selección e instalación Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 49 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Introducción Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 50 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Empuje Caudal primario + Caudal = secundario Caudal total Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 51 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Los agitadores sumergibles tienen la ventaja de una fácil instalación. El empuje de la hélice genera un “chorro” que lleva consigo el liquido envolvente. Cuando mas lejos pueda alcanzar el chorro libremente en una zona recta, mejor se transmitirá al liquido envolvente y menores serán las perdidas, generándose más arrastre Por ello, la instalación debe ser en una posición correcta para mantener las perdidas y el consumo energético en un nivel óptimo ( desarrollando el empuje de la hélice, y secundariamente aumentando la vida útil del agitador sumergible) Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 52 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Análisis de campos de velocidad Flujo en tanques rectangulares de circulación Sin muro guía perdidas >> Con muro guía central perdidas > Con muro guía excéntrico Perdidas < Zonas de Vortex Zonas de reducción de flujo Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 53 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Análisis de campos de velocidad Flujo en tanques ovales de circulación (carrusel) Con muro guía central perdidas < Sin muro guía Perdidas > Con muro guía excéntrico Perdidas < Zonas de Vortex Zonas de reducción de flujo Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 54 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Análisis de campos de velocidad Agitadores de baja velocidad en el caso de condiciones de flujo favorables No existen fuerzas transversales. El flujo es simétrico y homogéneo. Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 55 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Campos de velocidad, condiciones de flujo desfavorable Agitadores de baja velocidad en el caso de condiciones de flujo desfavorables Grandes fuerzas transversales por flujos asimétricos, no homogéneos. Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 56 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Campos de velocidad, condiciones de flujo desfavorable Las causas para reducciones de flujo son: Forma de los obstáculos por el fluido Remolinos por detrás de los obstáculos Flujos transversales (entradas y descargas, aireación) Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 57 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Campos de velocidad, condiciones de flujo desfavorable h1 h2 Comportamiento de un agitador en un campo de aireación (I) Aireador Flujo principal G h1: Incremento local del volumen por burbujas de aire, conduce a un aumento del nivel del fluido en la zona de aireación h2: Aumento del nivel del fluido por incremento de la presión en la hélice Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 58 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Campos de velocidad, condiciones de flujo desfavorable Comportamiento de un agitador en una zona de aireación (II) Si las burbujas de aire entran en la área de influencia de la hélice, esto lleva inevitablemente a un funcionamiento descompensado del agitador sumergible ( debido a la significativa diferencia de densidad entre el agua y el aire − aprox. 1000 / 1 − ) El liquido fluye así a la hélice de un modo irregular. ¡Por lo tanto, la vida útil de los agitadores se reduce drásticamente! Conclusión: Situación del agitador a distancia suficiente de la zona de aireación Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 59 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Campos de velocidad, condiciones de flujo desfavorable Comparativa entre agitador c/2 palas y agitador c/3 palas en condiciones de flujo desfavorables Movimiento Oscilatorio Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 60 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Campos de velocidad, condiciones de flujo desfavorable Comparativa entre agitador c/2 palas y agitador c/3 palas en condiciones de flujo desfavorables En cada rotación de la hélice, las aspas pasan por zonas de flujo con diferentes velocidades. Esto resulta en una carga no homogénea en las aspas. En esas zonas, la carga en el aspa aumenta cuando al mismo tiempo, la hélice está descargada, resultando inevitablemente en mayor componente de carga alternada en la hélice y en incremento de las fuerzas transversales. Estas altas fuerzas transversales originan una excentricidad en el empuje. Por este motivo el eje longitudinal del tubo guía esta sometido a un gran par torsor. Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 61 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Campos de velocidad, condiciones de flujo desfavorable Comparativa entre agitador c/2 palas y Agitador c/3 palas en condiciones de flujo desfavorables En resumen , las deficientes condiciones de flujo originan: Aumento de cargas alternadas en la hélice Movimientos oscilatorios y erosión en el soporte de anclaje y tubo guía Funcionamiento descompensado y problemas de vibraciones Conclusión: Debido a su diseño, los agitadores con 3 palas son los más apropiados para el funcionamiento en condiciones de flujo desfavorables. Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 62 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Campos de velocidad, condiciones de flujo desfavorable Comparativa entre agitador c/2 palas y Agitador c/3 palas en condiciones de flujo desfavorables Agitador velocidad Agitador velocidad lenta con 2 palas lenta con 3 palas Empuje total ** *** Carga específica por pala alta baja Tolerancia a flujo desfavorable ** *** "Suavidad" de funcionamiento media alta Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 63 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Empuje y potencia Evaluación coste ciclo de vida (10 años, 5.000 horas/año) (*) : Coste de adquisición 6% (*) : s/informe WILO Coste de mantenimiento 20% Consumo energético 74% Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 64 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Empuje y potencia Pd,a = Np . ρ . n3 . d5 Pd,a ≈ n3 . d5 Pd,a Np ρ n d = = = = = Potencia disipada en agitación Número de potencia Densidad Velocidad de rotación de la hélice Diámetro de la hélice Los parámetros que controlan la potencia son la velocidad de rotación de la hélice y el diámetro de ésta. La influencia del diámetro de la hélice en la potencia disipada es mayor que la influencia de la velocidad de la hélice Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 65 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Empuje y potencia Densidad Potencia: eD = P1.1/V Factor Potencia: eZ = Fprop/P1.1 siendo: eD : eZ: P1.1: Fprop: V: densidad potencia factor de potencia potencia absorbida en el punto de trabajo empuje de la hélice volumen del tanque [W/m³] [N/kW] [W] [N] [m³] La norma ISO 21630 ha venido a sustituir el parámetro eD por el parámetro eZ para establecer el rendimiento de un agitador. Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 66 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Empuje y potencia Consecuencias: Dado que el objetivo es tener equipos muy eficientes desde el punto de vista energético, es un objetivo tener hélices de gran diámetro funcionando a baja velocidad de rotación. Los limites para el diseño de los diámetros de las hélices son: Rigidez estructural Posibilidad de manipulación (montaje y explotación) Coste de fabricación (molde) Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 67 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Empuje y potencia Consecuencias : Para el resto de las aplicaciones que el objetivo es optimizar la selección de los equipos desde el punto de vista energético, es un objetivo tener una programa de fabricación amplio, para seleccionar la velocidad de funcionamiento . Para salvar la limitación de la velocidad de funcionamiento del motor ( pares de polos ) debemos emplear reductores ( planetarios de una o dos etapas) Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 68 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Agitador de Baja Velocidad < 100 rpm Agitador de Media Velocidad 150 – 600 rpm Agitador de Alta Velocidad > 700 rpm Generación de flujo en reactor biológico Homogeneización en depósito de fangos Suspensión de sólidos en pozo de bombeo Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 69 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Agitador de Baja Velocidad < 100 rpm Agitador de Media Velocidad 150 – 600 rpm Agitador de Alta Velocidad > 700 rpm Cuanto mas grande es el factor de potencia mayor será la eficiencia del agitador Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 70 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Relación velocidad de flujo / empuje Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 71 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Relación velocidad de flujo / potencia Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 72 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Relación velocidad de flujo / modelo Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 73 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento El correcto posicionamiento y la correcta selección del agitador son requisitos decisivos para una larga vida útil. Contrariamente a los agitadores de alta velocidad, los de baja velocidad son muy susceptibles al campo turbulento generado en el tanque, por causa de sus grandes dimensiones de la hélice. En el caso de un posicionamiento desfavorable se producirán fuertes vibraciones debido a altos grados de turbulencia en el flujo de entrada, resultando rápidamente en un funcionamiento descompensado del agitador. Esto origina grandes oscilaciones ↔ torsión en el tubo guía, variaciones en el consumo eléctrico y gran formación de trombas pulsantes. Estas desfavorable condiciones disminuyen considerablemente la vida útil del agitador sumergible. Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 74 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Área de influencia de un agitador Limite del flujo El agitador debe estar instalado de forma que la zona de flujo cubra completamente toda el área del tanque. Conclusiones: Agitador instalado lo suficientemente alejado de curvas, campos de aireación, otras obstáculos… La zona de establecimiento del flujo no debe restringirse. Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 75 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento >D >D Comportamiento de varios agitadores en la zona de flujo >2XD >3XD Flujo secundario tabique divisorio Se produce interacción en la aspiración de los agitadores. Conclusiones : La distancia entre agitadores >D En caso contrario, instalar un tabique divisorio Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 76 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Si la zona libre es limitada por la pared del tanque, el agitador debe ser posicionado en una forma a que el “chorro” encuentre la pared de una forma suave minimizando así las perdidas. Perdidas Altas Perdidas Bajas Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 77 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Condiciones (I) : Ningún aparato debe ser posicionado directamente antes o después de curvas o muros del tanque, como por ejemplo tabiques directores. En el caso de un aparato posicionado después o antes de una curva, la distancia entre el agitador y la curva debe ser por lo menos 3.D ( D : diámetro de la hélice) para un buen flujo de entrada y de salida del agitador sumergible. El mejor posicionamiento en un tanque de circulación es en el ultimo tercio hasta el medio de la zona recta del tanque. Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 78 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Condiciones (II) : Por un lado deben ser posicionados por detrás del sistema de aireación lo suficientemente lejos para que el flujo de aireación no entre en la zona de influencia de la hélice, (esto se traduciría en un funcionamiento descompensado y en una reducción de la capacidad del agitador). Se ha comprobado en la práctica esta distancia como 3.D ( D : diámetro de la hélice) . Por otro lado una instalación demasiado cerca del campo de aireación resulta en perdidas extremas de flujo. En este caso la distancia de 3.D ( D : diámetro de la hélice) es también considerada suficiente. Adicionalmente a las distancias mínimas mencionadas también se tiene en cuenta el mínimo volumen y la mínima sección del tanque. Aquí diferenciamos de acuerdo con el diámetro de la hélice, pues cuando mas grande es el diámetro mas elevada es la susceptibilidad a turbulencia. Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 79 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento >0,3 >0,8 >0,3 >X >0,3 El agitador sumergible debe estar instalado lo mas cerca posible del fondo del tanque, con una distancia mínima entre punta de hélice y fondo del tanque de por lo menos 300 mm. La distancia hasta la superficie del fluido debe ser al menos 800 mm de forma a evitar la creación de vórtice en la aspiración. >0,3 >0,8 No instalar demasiado cerca a los muros del tanque o junto al fondo o la superficie del fluido : Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 80 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Dimensiones recomendadas (*): dimensiones bajo consulta Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 81 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Dimensiones recomendadas ∅prop = Diámetro de la hélice KB = Ancho del canal (*): dimensiones bajo consulta Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 82 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Dimensiones recomendadas ∅prop = Diámetro de la hélice KB = Ancho del canal (*): dimensiones bajo consulta Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 83 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Dimensiones recomendadas (*): dimensiones bajo consulta Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 84 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Principios de Posicionamiento (*): dimensiones bajo consulta Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 85 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios básicos para la selección de un agitador Un agitador sumergible básicamente se empleará para: Promover agitación: homogeneización , mezcla y suspensión de sólidos. Orientativamente, para evitar sedimentaciones, en función del tipo de sólidos existentes: Sólidos velocidad de flujo [m/s] Lodos activos 0,10 Fangos no decantados 0,15 Arena fina (0,4 mm) 0,15 Arena (0,7 mm) 0,20 Arena gruesa (1,7 mm) 0,35 Crear un flujo para originar circulación en un canal. Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 86 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios básicos para la selección de un agitador variables a considerar Depósitos /balsas: 9 Forma del tanque 9 Dimensiones 9 Situación entrada / salida 9 Nivel de llenado 9 Presión 9 Material del tanque Liquido a agitar: 9 Densidad 9 Viscosidad 9 Características del flujo 9 Sólidos 9 Valor de pH 9 Corrosión 9 Abrasión 9 Otros: adhesivos, insoluble ,etc… Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 87 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios básicos para la selección de un agitador variables a considerar Proceso: 9 Tipo: Agitación, homogeneización, suspensión de sólidos, generación de flujo etc. 9 Funcionamiento continuo o discontínuo 9 Tiempo de agitación 9 Temperatura 9 Velocidad de flujo requerida 9 Densidad de energía requerida Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 88 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Check-list CHCK LIST Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 89 Nomenclatura (I) página 6 página 7 Q caudal m3/h Pe potencia volumétrica W/m3 ρ densidad del fluido G gradiente de velocidad s-1 n velocidad de rotación D diámetro del móvil μ viscosidad ( dinámica o absoluta) Q caudal m NQ nº caudal --- N.s / m2 D diámetro del móvil m n velocidad de rotación F fuerza N A area m2 v velocidad m/s r distancia entre placas μ viscosidad ( dinámica o absoluta) τ tensión de cizalladura N / m2 G gradiente de velocidad s-1 página 8 página 9 Re nº Reynolds --Kg / m3 rev/s m N.s / m2 m3/h CHCK LIST rev/s Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 90 Nomenclatura (II) página 11 P potencia W NP nº potencia --- ρ densidad del fluido n velocidad de rotación D diámetro del móvil Kg / m3 rev/s m página 12 Θ angulo ω velocidad angular t tiempo s R radio m v velocidad (lineal) P potencia M momento ( de fuerza) N.m G gradiente de velocidad s-1 CHCK LIST rad rad / s m/s W Δx longitud diferencial (eje x) m Δy longitud diferencial (eje y) m Δz longitud diferencial (eje z) m V volumen m3 τ tensión de cizalladura N / m2 Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 91 Referencias principales TÍTULO AUTOR FUENTE Fluid Mixing technology James Young Oldshue Mc Graw Hill Edward L. Paul Handbook of industrial mixing. Science and Practice Victor A. Atiemo-Obeng John Wiley & Sons Suzanne M. Kresta Mixing in the process industries N. Harmby, M. F. Edwards, A.W. Niemow Butterworth-Heinemann M. Mechaki Engineering Data on Mixing M. Mochizuki Elsevier K. Ogawa Ingeniería química. Tomo II. Operaciones básicas M. Coulson Editorial Reverté, S. A. J.F. Richardson Operaciones unitarias en Ingeniería Química Principios básicos a tener en cuenta en los problemas de agitación y mezcla Etude des Mobiles rotatifs a pales SABRE appliques aux problemes de l´agitation et du chauffage des liquides en cuve Warren L. Mc Cabe Choosing an agitator Patrice Cognart (Ponencia) XVI International Congress of Chemical Industries The use of large Eddy simulation to study stirred vessel Hydrodynamics André Bakker (Ponencia)10th European Conference on Mixing Paul Jonqueres Mc Graw Hill CHCK LIST S.E.M R. Leenaerts S.E.M Paul Jonqueres Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados 92
