ELEMENTO DE ENFRIAMIENTO DE REACTOR PIROMETALÚRGICO Y SU FABRICACIÓN
La presente invención se refiere a un método de fabricación y un elemento de enfriamiento con canales de flujo para reactores pirometalúrgicos . A fin de mejorar la capacidad de transferencia de calor del elemento, del área superficial de la pared del canal de flujo, que tradicionalmente es de una sección transversal redonda, se incrementa sin incrementar el diámetro o longitud del canal de flujo. La invención también se refiere al elemento fabricado por este método . El material refractario de reactores en procesos pirometalúrgicos se protege por elementos de enfriamiento enfriados con agua de modo que, después de un resultado de enfriamiento, el calor que viene a la superficies refractarias se transfiere y el elemento de enfriamiento al agua, por lo que el desgaste en el forro se reduce significativamente en comparación con un reactor que no se enfría. El desgaste reducido se provoca por el efecto de enfriamiento, que ocasiona la formación del llamado forro autogénico, que se fija a la superficie del forro resistente al calor y que se forma de escoria y otras sustancias precipitadas de las fases fundidas . De manera convencional, los elementos de enfriamiento se fabrican de dos maneras. Principalmente, los elementos se pueden fabricar por fundido en arena, donde los tubos de enfriamiento elaborados de un material térmico altamente conductor tal como cobre se colocan en un molde formado de arena, y se enfrían con aire o agua durante el fundido alrededor de los tubos. El elemento moldeado alrededor de los tubos tambiér es de material térmico altamente conductor, de manera preferente cobre. Esta clase de método de fabricación se describe por ejemplo en la Patente de Gran Bretaña 1386645. Un problema con este método es la unión desigual de la tubería que actúa como el canal de enfriamiento al material moldeado que lo circunda. Algunos de los tubos pueden estar completamente libres del elemento moldeado alrededor y parte del tubo se puede fundir completamente de esta manera se fusiona con el elemento. Si no se forma una unión metálica entre el tubo de enfriamiento y el resto del elemento moldeado alrededor de este, la transferencia de calor no será eficiente. Nuevamente, si la tubería se funde completamente, lo que impedirá el flujo de agua de enfriamiento. Las propiedades del material moldeado se pueden mejorar, por ejemplo, al mezclar fósforo con el cobre para mejorar la unión metálica formada entre la tubería y el material moldeado, pero en ese caso, las propiedades de transferencia de calor (conductividad térmica) del cobre se debilitan significantemente por aun una pequeña adición. Una ventaja de este método que vale la pena mencionar es el costo de fabricación comparativamente bajo y la independencia de las dimensiones . Se usa otro método de fabricación, por lo que tubería de vidrio en la forma de un canal se coloca en el molde el elemento de enfriamiento, que se rompe después del moldeado para formar un canal dentro del elemento. La patente de los Estados Unidos No. 4,382,585 describe otro método, mucho más usado de fabricación de elementos de enfriamiento, de acuerdo a lo cual el elemento se fabrica por ejemplo de placa de cobre laminada o forjada al trabajar en máquina los canales necesarios en la misma. La ventaja de un elemento fabricado de esta manera, es su estructura fuerte, densa y buena transferencia de calor del elemento a un medio de enfriamiento tal comb agua. Sus desventajas son limitaciones dimensionales (tamaño) y alto costo. La capacidad de un elemento de enfriamiento para recibir calor se puede presentar por medio de la fórmula : Q = axAx?, donde Q = cantidad de calor que se transfiere [W] a = coeficiente de transferencia de calor entre pared de canal de flujo y agua [ /Km2] A = área superficial de transferencia de calor [m2]
?T = diferencia en temperatura entre la pared de canal de flujo y agua [K] El coeficiente de transferencia de calor a se puede determinar de manera teórica de la fórmula Nu = a D? ? = conductividad térmica de agua [ /mK] D = diámetro hidráulico [m] Ó Nu = 0.023 x ReA0.8Pr?0.4, donde Re 0 wDp/? = velocidad [m/s) D = diámetro hidráulico del canal [m] p = densidad de agua [kg/m3] ? = viscosidad dinámica Pr 0 número de Prandtl [] De esta manera, de acuerdo a lo anterior, es posible influenciar la cantidad de calor transferida en un elemento de enfriamiento al influenciar la diferencia en la temperatura, el coeficiente de transferencia de calor o el área superficial de transferencia de calor. La diferencia de la temperatura entre la pared y el tubo se limita por el hecho de que el agua hierve a 100°C, cuando las propiedades de transferencia de calor a presión normal llegan a ser significativamente peores debido al enfriamiento. En la práctica, es más ventajoso operar a la temperatura más baja posible de la pared de ¿anal de flujo. El coeficiente de transferencia de calor se puede influenciar grandemente al cambiar la velocidad de flujo, es decir al afectar el número de Reynolds. Esto se limita sin embargo por la pérdida incrementada a la presión en la tubería conforme se incrementa la velocidad de flujo, que aumenta los costos de bombeo del agua de enfriamiento y los costos de inversión de bomba también crecen considerablemente después de que se excede un cierto límite. En una solución convencional, el área superficial de transferencia de calor se puede influenciar ya sea al incrementar el diámetro del canal de enfriamiento y/o su longitud. El diámetro del canal de enfriamiento no se puede incrementar incontrolablemente de una manera tal como para ser aun económicamente viable, puesto que un incremento en el diámetro de canal incrementa la cantidad de agua requerida para lograr una cierta velocidad de flujo y adicionalmente, el requerimiento de energía para el bombeo. Por otra parte, el diámetro de canal se limita por el tamaño físico del elemento de enfriamiento, que por razones de reducción al mínimo de costos de inversión, se elabora de manera preferente tan pequeño y tan ligero como sea posible. Otra limitación en la longitud es el tamaño físico del elemento de enfriamiento mismo, es decir, la cantidad de canal de enfriamiento que se ajustará en un área dada . La presente invención se refiere a un método de fabricación de un elemento de enfriamiento para un reactor pirometalúrgico a partir de un metal térmico altamente conductor tal como cobre, en el cual la capacidad de transferencia de calor del elemento de enfriamiento se mejora significativamente al incrementar el área superficial de transferencia de calor de modo que sea económicamente factible fabricar un elemento de enfriamiento más delgado. Esto se hace de modo que el área superficial de la pared del canal de flujo se incrementa sin incrementar el diámetro del canal de enfriamiento o adicionar longitud. La
S: t xl superficie del canal de flujo en el elemento de enfriamiento, que esencialmente es de una sección transversal redonda, se agranda al formar ranuras o roscas que en la superficie interior del canal, por 5 medio de trabajado a máquina subsecuente. Como resultado, se requiere una menor diferencia de temperatura entre el agua y la pared del canal de enfriamiento con la misma cantidad de calor, y adicionalmente, una temperatura menor del elemento de
10 enfriamiento. La invención también se refiere al elemento de enfriamiento fabricado por este método. Las características esenciales llegarán a ser evidentes en las reivindicaciones de patente anexas. En el elemento de enfriamiento descrito en la
15 presente invención, el área superficial de transferencia de calor se incrementa de modo que, aunque el canal de flujo del elemento de enfriamiento sea básicamente de una sección transversal redonda, su pared no es lisa, sino que al cambiar el contorno de la
20 pared muy ligeramente, se puede lograr una mayor área superficial de transferencia de calor con la misma área de sección transversal de flujo (la misma velocidad se puede lograr con la misma cantidad de agua) en comparación con la unidad de longitud del canal de
25 enfriamiento. Este incremento en el área superficial se
^é^^S^h^^^^^ t puede lograr de las siguientes maneras: un elemento de enfriamiento, fabricado al trabajar, por ejemplo por laminado o forjado, en el cual al menos un canal de fl jo que es de sección transversal redonda se trabaja a máquina por ejemplo por perforación, roscas se trabajan a máquina posteriormente en la s-, erficie anterior del canal de flujo. La sección transversal del canal permanece esencialmente redonda. - un elemento de enfriamiento, fabricado al trabajar, en el cual se trabaja a máquina al menos un canal de flujo que es de una sección transversal redonda, ranuras tipo rifle se trabajan a máquina posteriormente en la superficie interior del canal de flujo. La sección transversal del canal permanece esencialmente redonda. Las ranuras tipo rifle se pueden obtener de manera ventajosa al usar ün llamado mandril de expansión, que se jala a través del canal de flujo. El ranurado se puede hacer por ejemplo por un agujero, cerrado de un extremo, caso en el cual el mandril se jala hacia fuera. Se puede hacer un agujero en un canal, que se abre en ambos extremos, ya sea, al jalar o empujar una herramienta diseñada para el propósito a través del canal .
Es evidente en todos los métodos descritos anteriormente que, si hay partes de canal transversales en el canal de flujo, vistos desde la dirección de moldeo, estas partes se hacen mecánicamente al trabajar 5 a máquina por ejemplo por perforación, y los agujeros que no corresponden al canal se tapan. El beneficio del método descrito en esta invención se compara con la técnica anterior al usar el ejemplo anexo. Con el ejemplo están algunos diagramas para ilustrar la 10 invención, en donde la Figura 1 muestra un principio de la extracción del elemento de enfriamiento usado en las pruebas , la Figura 2 muestra un perfil en sección 15 transversal del elemento de enfriamiento de prueba, las Figuras 3a -3d indican la temperatura dentro del elemento en diferentes puntos de medición como una función de la temperatura de fusión, la Figura 4 representa el coeficiente de 20 transferencia térmica calculado de las mediciones tomadas como una función de la masa fundida, y la Figura 5 representa las diferencias en la temperatura del agua de enfriamiento y la pared de canal a diferentes niveles de enfriamiento para 25 elementos de enfriamiento normalizados.
a-a»>AttaMaa i Annt E emplo Los elementos de enfriamiento que están relacionados con la invención se probaron en pruebas prácticas, donde el fondo de estos elementos A, B, C y D se sumergieron en aproximadamente 1 cm de profundidad de plomo fundido. El elemento de enfriamiento A tuvo un canal de flujo de superficie lisa, convencional, y este elemento se uso para mediciones comparativas. La cantidad de agua de enfriamiento y las temperaturas tanto antes de la alimentación de agua en el elemento de enfriamiento como después se tomaron cuidadosamente en las pruebas . La temperatura del plomo fundido y las temperaturas del elemento de enfriamiento mismo también se midieron cuidadosamente en varios puntos diferentes de medición. La Figura 1 muestra elemento de enfriamiento 1 usado en las pruebas, y el canal 2 de flujo dentro del mismo. Las dimensiones del elemento de enfriamiento son como sigue: altura 300 mm, ancho 400 mm y espesor 75 mm. El tubo de enfriamiento o canal de flujo se situó dentro del elemento como en la Figura 1, de modo que el centro de la parte horizontal del tubo en la figura fue de 87 mm desde el fondo de elemento y cada pieza vertical fue de 50 mm desde el borde de la placa. La parte horizontal del tubo se hace por perforación, y un extremo de la abertura horizontal se taponea (no mostrado en detalle) . La Figura 1 también muestra la ubicación de los puntos TI - T7 de medición de temperatura. La Figura 2 representa la forma superficial de los canales de enfriamiento y la Tabla 1 contiene las dimensiones de los canales del elemento de enfriamiento de prueba y ' las superficies de transferencia de calor de calculo por metro así como las superficies relativas de transferencia de calor.
Tabla 1
Las Figuras 3a - 3d demuestran que las temperaturas de los elementos de enfriamiento B, C y D son menores a todas las velocidades de flujo de agua de enfriamiento que las menciones de referencia tomadas del elemento de enfriamiento A. Sin embargo, puesto que las secciones transversales de flujo de estas piezas de prueba se ha hecho con diferentes dimensiones por razones de medición técnica, la eficiencia de la transferencia de calor no se puede comparar directamente de los resultados en las Figuras 3a y 3d.
Por lo tanto, los resultados de prueba se normalizaron como sigue : La transferencia de calor estacionaria entre dos puntos se puede escribir: Q = Sx?x(T?-T2), donde Q = cantidad de calor transferido entre los puntos [ ] S = factor de forma (dependiendo de la geometría) [m] ? = conductividad térmica del medio [ /mK] Ti = temperatura de punto 1 [K] T2 = temperatura de punto 2 [K] Aplicando la ecuación anterior a los resultados de prueba, se obtienen las siguientes cantidades : Q = potencia térmica medida transferida al agua de enfriamiento ? = conductividad térmica de cobre [ /mk] Ti = temperatura en el fondo del elemento como se calcula de las pruebas [K] T2 = temperatura de pared de canal de agua como se calcula de las pruebas [K] S = factor de forma para un cilindro finito enterrado en un medio semi - infinito (longitud L, diámetro D) el factor de forma se puede determinar de acuerdo a la ecuación S = 2pL/ln(4z/D) donde Z>1.5D, Z = profundidad de inmersión medida desde la línea central y el cilindro [m] . Los coeficientes de transferencia de calor determinados de la manera anterior se presentan en la Figura 4. De acuerdo al análisis mult ivariable se obtiene una buena correlación entre el coeficiente de transferencia de calor y la velocidad de flujo de agua así como la cantidad de calor transferido al agua. Los coeficientes de transferencia de calor de la ecuación de regresión para cada elemento de enfriamiento se presentan en la Tabla 2. De esta manera a [ /m2K] = c + a x v [m/s] + b x Q [kW] . Tabla 2
Para hacer los resultados comparables, las áreas en la sección transversal en los canales de flujo se normalizaron de modo que la cantidad de flujo de agua corresponde a la misma velocidad de flujo. Las dimensiones del canal de flujo y las áreas superficiales de transferencia de calor normalizadas de acuerdo a la cantidad de flujo y velocidad se presentan en la Tabla 3. Usando las dimensiones dadas en la Tabla 3 para los casos A' , B' . C y D' y los coeficientes de transferencia de calor determinados como antes, la diferencia de temperatura de la pared y agua para casos normalizados con respecto a la cantidad de flujo se calcularon como una función de la velocidad de agua para cantidades de calor de 5, 10, 20 y 30 kW con la ecuación . ?T 0 Q/ (axA) Tabla 3
Los resultados se muestran en la Figura 5. La Figura muestra que todos los elementos de enfriamiento fabricados de acuerdo a esta invención logran una cierta cantidad de transferencia de calor con una menor diferencia de temperatura entre el agua y la pared del canal de enfriamiento. El canal de enfriamiento, lo que ilustra la efectividad del método. Por ejemplo, a una potencia de enfriamiento de 30k y una velocidad de flujo de agua de 3 m/s, la diferencia de temperatura entre la pared y el agua, en diferentes casos es:
Tabla 4
10 Cuando los resultados son comparados con la superficie de transferencia de calor, se encuentra que la diferencia de temperatura entre la pared y el agua necesaria para transferir la mi'sma cantidad de calor es inversamente proporcional a la superficie relativa de
15 transferencia de calor. Esto significa que los cambios en el área superficial descritos en esta invención pueden tener influencias significativamente en la eficiencia de la transferencia de calor.
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