TANQUES DE EXPANSIN Y REBOSE: CRITERIOS DE DISEO

En una planta termosolar basada en tecnologa HTF (Heat Transfer Fluid), el fluido empleado en este tipo de tecnologa, es un aceite trmico que normalmente posee unas propiedades fsicas muy cambiantes con la temperatura, y ms especial, en los rangos de temperatura en que opera la planta, debido a que estos aceites suelen tener un punto de solidificacin bastante alto. Por ello, se hace necesario la implantacin de un sistema que absorba las contracciones y dilataciones del fluido de transferencia empleado (aceite trmico), a causa del rango tan amplio de temperaturas de operacin.

La densidad sufre grandes cambios en este tipo de aceites, por lo que es de vital importancia el disponer de un buen sistema que haga que la planta funcione correctamente. El sistema ms habitual en este tipo de plantas, se basa en la introduccin de un depsito de expansin que sirva para que el aceite pueda dilatarse ante una bajada de temperaturas por debajo de la temperatura de operacin, o contraerse ante una subida de temperaturas.

Adems de este sistema para controlar la expansin del aceite, cuando la planta est parada, tiempo que suele comprender desde entrada la noche hasta el amanecer aproximadamente, es cuando entra en juego un sistema de calentamiento y recirculacin del aceite que la mantiene siempre por encima de una determinada temperatura lmite, en torno a los 100 C, sin el cual el aceite se congelara y dara lugar a multitud de problemas en la planta, tales como aos en equipos y tuberas, as como la imposibilidad de efectuar el arranque en tiempo previsto, entre otros. Ambos sistemas se complementan y ayudan a que el circuito primario de aceite funcione correctamente y con continuidad.

Normativa a cumplir

ASME VIII Div.1API 610Reglamento de Aparatos a Presin. ITC 1, Captulo 4.

Requerimientos

El depsito de expansin de aceite a disear, ha de cumplir con los siguientes requisitos:

Su interior podr alojar al menos el volumen extra de aceite expandido al pasar de la temperatura mxima posible de operacin, a la temperatura mnima posible. Para el clculo de dicho volumen, se considerar como temperatura mnima posible, la temperatura de recirculacin del aceite en rgimen de paro de la planta, unos 100 C, y como temperatura mxima posible, la temperatura de operacin de la planta en condiciones de diseo. Estas temperaturas extremas se explicitarn en el documento de la filosofa de operacin y control del sistema de HTF. La temperatura de operacin en el interior del depsito, est condicionada por el propio proceso. Se considerar que la temperatura de operacin existente en el interior del depsito coincide con la temperatura media de mezcla de aceite de todas las corrientes de entrada al depsito. Estas corrientes son las conexiones a las salidas del recalentador y del precalentador.

La presin de operacin en el interior del depsito, est tambin condicionada por el propio proceso. Se considerar que la presin de operacin existente en el interior del depsito coincide con la presin mas baja de aceite de todas las corrientes de entrada al depsito, de manera que las otras corrientes se expandiran una vez entrado al depsito. Lgicamente, se ha diseado la planta para que la diferencia de presin en estas corrientes sea mnima.

Proceso de diseo

El clculo y diseo del depsito de expansin de aceite se ha efectuado mediante el Cdigo ASME, Seccin VIII, Divisin 1, el cual es el cdigo ms ampliamente utilizado para calcular un depsito de almacenamiento, bajo condiciones de presin, ya sean internas externas. En este caso, se usar la parte del cdigo referente al clculo bajo presin interna de depsitos horizontales soportados por silletas, siguiendo ntegramente los clculos indicados en el apartado correspondiente del Anexo de Clculos.

El alcance del diseo llevar a cabo el dimensionado del depsito y los espesores de casco y cabeza, as el clculo y ubicar elementos de de refuerzo, como anillos rigidizadores y placas de desgaste, y elementos de apoyo del depsito, como son los soportes silletas. El diseo y clculo de otros elementos auxiliares, como son los registros, bocas de hombre, orejas de izaje, etc., as como el clculo de soldadura del depsito y elementos de medida, proteccin y control, quedan fuera del alcance del diseo efectuado.

Se va a proceder al proceso de dimensionamiento en las siguientes etapas:

1) Calcular el volumen de aceite dilatado.2) Elegir el volumen y dimensiones adecuadas del depsito. Tipo de tapas.3) Calcular los espesores del casco y cabezas.4) Posicionar silletas con placas de desgaste.5) Calcular esfuerzos.6) Si es imposible cumplir los criterios, poner anillos rigidizadores y recalcular.7) Clculo de las silletas, orejetas de izado y elementos auxiliares.

Para elegir el volumen apropiado de depsito, se opta por elegir un depsito de un 20 % de capacidad extra aproximadamente que el volumen de aceite extra calculado, para tener en cuenta que:

El depsito estar aproximadamente a un 10 % de nivel cuando la planta est funcionando en su punto de diseo. Este criterio se adopta para conseguir un correcto funcionamiento de las bombas de impulsin de aceite. El depsito tendr un 10 % de capacidad libre cuando se est en rgimen de paro y se est recirculando el aceite a la temperatura mnima de 100 C. Este criterio se toma por seguridad, aunque el depsito disponga de las vlvulas de seguridad pertinentes a tal efecto. Segn el RAP, se debe disear el depsito con un factor de seguridad de 1,3 respecto al volumen dilatado calculado.

Clculo del volumen de aceite dilatado

Lo primero es calcular cuanto volumen de aceite se va a almacenar para saber el volumen de depsito que necesitamos. Este volumen de aceite es el volumen extra de aceite expandido dilatado cuando el todo el aceite del circuito primario baja su temperatura desde la temperatura mxima de operacin en rgimen de funcionamiento de la planta en su punto de diseo, hasta la temperatura de recirculacin del aceite en rgimen de paro de la planta (100C). Se tendr en cuenta que, tanto en un rgimen como en otro, es imposible que todo el aceite del circuito primario est a la misma temperatura, aunque en el caso del rgimen de paro, se podra considerar que el aceite est a una temperatura media de unos 100 C. En el caso de rgimen de funcionamiento de la planta en su punto de diseo, el aceite se encontrar en tres niveles diferentes de temperatura:

1) La parte del circuito primario que va desde la salida del campo solar hasta el intercambiador para el almacenamiento mediante sales fundidas y hasta la zona de produccin de vapor, entrando tanto en el sobrecalentador, como en el recalentador directamente. Este aceite se puede decir que est a la temperatura de operacin en el punto de diseo, dadas las pocas prdidas trmicas que sufre el aceite en su recorrido debido al aislante de las tuberas.2) La parte del circuito primario que va desde la salida del intercambiador para el almacenamiento mediante sales fundidas y desde la zona de produccin de vapor, saliendo tanto del precalentador, como del recalentador hacia el depsito de expansin directamente. Este aceite se puede decir que est a la temperatura de retorno al campo solar en el punto de diseo, que coincide prcticamente con la temperatura media en el depsito de expansin por las mismas razones que antes.3) Otro nivel trmico est entre las dos temperaturas anteriores, y comprende el aceite que est en el interior de los colectores cilndricos parablicos, y en el interior de todos los intercambiadores por los que pase, as como por las conexiones entre stos. Se repartir el aceite a partes iguales entre las dos temperaturas anteriores.

Basada en lo anterior, se har una estimacin del aceite total que opera en la planta y aplicarle las condiciones expuestas para calcular el volumen extra expandido. El clculo de la masa de aceite en que opera en la planta debe estimarse en las condiciones de funcionamiento en el punto de diseo, en base a dimensiones de la planta, longitud de colectores, ubicacin y dimensiones de los equipos, etc., siendo tal cantidad de aceite la que habr permanentemente circulando por la planta en uno u otro rgimen.

Los criterios que se han tomado para establecer los datos de partida en los clculos son los siguientes:

Si se calcula el depsito en funcin de las condiciones de funcionamiento en el punto de diseo de la planta, estar lleno al 10% de capacidad con un aceite a la temperatura de mezcla de las lneas procedentes del recalentador y del precalentador. Si se calcula el depsito en funcin de las condiciones de paro de la planta, est claro que vamos a tener un depsito al 90% de capacidad y con un aceite a unos 100 C.

Ambos supuestos implican soluciones diferentes. Adems, se escapa la posibilidad de que, por ejemplo, haya uno varios colectores que no estn operativos por averas y su aceite (que no puede quedar en su interior porque correra riesgos grave de congelacin) provoque un aumento en el nivel del depsito; o incluso que por una avera en el circuito de vapor, el aceite llegue a bastante ms temperatura que la prevista inicialmente.

Todos estos supuestos entre otros, llevan a concluir que hay que posicionarse en la situacin ms conservadora posible, por lo que para el diseo se considerar que el depsito est lleno al 100% de un aceite que est a la mxima temperatura posible del aceite en todo el circuito, es decir, a la temperatura de salida del aceite del campo solar.

Datos de partida

Fluido almacenadoACEITEDowtherm A

Incremento de volumenVm3

Presin de operacinPobar

Presin de diseo Pbar

Temperatura de operacinToC

Temperatura de diseoTC

Densidadkg/m3

Volumen de depsitoVdm3

Eficiencia juntase-0,85

Corrosion allowance C.A.mm3,175

Clculo del tanque de expansin

Dimetro interior del cascoDim2,443

Longitud cascoLm15,44

Tipo de tapasCabeza semiesfrica

Profundidad interior de la cabezaHim1,222

Espesor total del cascotsmm28,58

Espesor total de tapasthmm15,88

Dimetro exterior del cascoDem2,500

Longitud total del depsitoLTm17,91

Distancia de la lnea de tangencia de la cabeza al centro de la silleta Am2,80

Ancho de la silletabm0,40

ngulo de contacto de las silletas 120

Espesor de la placa de desgastetpdmm6,35

Anillos rigidizadores

1 interior con cierre en cada ensilladura

Espesor de la seccin del anillotrmm28,58

Altura de la seccin del anillohmm120,00

Espesor del cierre temm28,58

Ancho de la seccin del cierre

Lmm120,00

Propiedades del material empleado

Material (depsito, anillos, placas de desgaste y ensilladuras)Acero al carbono SA 515-70Punto de cedencia, a la T de diseo Su MPa 170,00Valor del esfuerzo tensin admisible, a la T de diseoSy MPa 85,00Mdulo de elasticidad del, a la T de diseo E MPa 144000,00Densidad del material, a la T de diseo Kg/m3 7850,00

El acero al carbono SA 515-70, es uno de los recomendados para estas temperaturas de diseo, por presentar buenas propiedades an en estos niveles, por lo que se ha optado por el mismo para la totalidad de elementos del depsito. Para las silletas, bastara con un acero al carbono SA-283-C, no obstante disearn en acero al carbono SA-515-70 al igual que el resto del depsito.Clculo del volumen de aceite dilatado

Esfuerzos calculados en las distintas zonas del depsito y lmites admisibles por normativa