DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE CONVECCIÓN CRÍTICO PARA LA MODIFICACIÓN DE UN SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE ÁNODO

Gutiérrez, Edgar;  Tolentino, San Luis

MSc. Edgar Gutiérrez: Coordinador del Centro de Estudios Energético y Profesor Agregado en el Dpto. de Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”, (UNEXPO), Vicerrectorado Puerto Ordaz, Apartado Postal 78, Puerto Ordaz, Edo. Bolívar, Venezuela. Teléfono 0416-6863744, correo electrónico egutierrez@poz.unexpo.edu.ve.

Ing. San Luis Tolentino: desempeña sus actividades en el mismo Centro, teléfono 0286-7176935, correo electrónico sanluis@hotmail.com.

Resumen: La producción de Aluminio a nivel mundial se realiza mediante el proceso Hall-Héroult, con celdas de reducción de aluminio. Uno de los insumos requeridos para la producción de aluminio son los ánodos, que reaccionan con el oxígeno contenido en la alúmina y forman dióxido de carbono; esto cuando pasa a través de ellos una corriente de alto amperaje (entre 180 kA a 350 kA). Los ánodos verdes, después que salen de la vibrocompactadora a una temperatura entre 150ºC a 160ºC, son pasados por un sistema de enfriamiento por inmersión en agua para que adquieran la dureza necesaria para ser transportados a la sala de hornos donde se realiza el procedimiento de cocción. En este trabajo se presenta el cálculo del coeficiente de convección crítico para validar la posibilidad de aumentar la capacidad del sistema de enfriamiento actual para un eventual incremento de la producción de ánodos. El procedimiento utilizado fue de diseño experimental, dado que se requirió de un estudio analítico y se realizaron algunas mediciones para validar algunas propiedades requeridas. Los resultados demuestran que el coeficiente de convección crítico para este sistema de enfriamiento es de 600 W/m2K.

Palabras clave: Ánodos / Celdas de reducción de Aluminio / Coeficiente de convección /Sistema de Enfriamiento.

DETERMINATION OF THE CRITICAL CONVECTION COEFFICIENT FOR THE MODIFICATION OF A COOLING SYSTEM OF ANODE

Abstract:The aluminum production in the world is carried out through the Hall-Heroult process, by means of aluminum reduction cells. One of the inputs required for the aluminum production are the anodes, which react with oxygen contained in the alumina and form carbon dioxide; this is when a current of high amperage (between 180 kA to 350 kA) passes through them. The green anodes, after they leave the vibro-compactor at a temperature between 150°C to 160°C go through a cooling system by immersion in water to acquire the necessary hardness to be transported to a room of ovens where the cooking procedure is carried out. In this work, the calculation of the critical convection coefficient is presented to validate the possibility of increasing the capacity of the current cooling system for a possible raise of the production of anodes. The procedure used was of experimental design, since it was required an analytic study and some measurements were taken to validate some properties required. The results show that the critical convection coefficient for this cooling system is of 600 W/m2K.

Keywords: Aluminum Reduction Cells/ Anodes / Convection Coefficient./ Cooling System.

Finalizado el 2004/9/16   Recibido el 2004/10/25   Aceptado el 2005/04/28.

I. INTRODUCCIÓN

Los ánodos verdes fabricados por la empresa Venezolana C.V.G. Carbones del Orinoco C.A. (CARBONORCA), se obtienen mediante el proceso de compactación de una mezcla compuesta de coque de petróleo, cabos, brea de alquitrán y desechos verdes, a una temperatura promedio de 160 ºC. Estos ánodos son empleados en la producción de Aluminio y son consumidos durante el proceso de la electrólisis.

El sistema de enfriamiento por inmersión en agua del área de molienda y compactación, consta de: una torre de enfriamiento, una bomba para recircular el agua, y una piscina, tal como se muestra en la Figura 1. Los ánodos verdes entran a la piscina con una temperatura inicial promedio de aproximadamente 160 ºC y al salir de ésta deben tener una temperatura, en un punto de control ubicado a cinco (5) centímetros por debajo de la superficie, menor de 90 °C, para poder garantizar la resistencia necesaria para ser transportados a la sala de cocción.

II. DESARROLLO

1. Formulación matemática

Para determinar la distribución de temperatura dentro del ánodo se debe resolver la ecuación de conducción de calor, bajo las siguientes consideraciones [1-2]:

• En el rango de temperatura entre 150 ºC a 160 ºC, se considera que las propiedades del material están uniformemente distribuidas en todo el volumen y son isotrópicas.

• Todo el borde esta sometido a convección natural uniforme, ya que la velocidad con la cual se mueve el ánodo dentro de la piscina es muy pequeña y el gradiente de temperatura dentro del agua, alejado del ánodo, es insignificante.

• La configuración geométrica del ánodo se aproxima a un paralelepípedo rectangular, tal como se muestra en la Figura 2.

Al aplicar las consideraciones anteriores, la ecuación de conducción se reduce a [3]:

Todas las caras están sometidas a convección, por tanto la condición de borde se expresa de la siguiente manera:

Donde n es el vector normal a los planos de simetría y T_¥ la temperatura del fluido en la piscina.

Este problema tiene solución analítica que se expresa en términos de los productos de las soluciones unidimensionales en las tres direcciones, de una pared plana sometida a convección [3]:

Las constantes de la serie son

2. Procedimiento

Para determinar el coeficiente de convección crítico se siguieron los siguientes pasos:

• Se determinaron experimentalmente las propiedades del ánodo verde [1-2], tales como: conductividad térmica y calor específico. Esta evaluación era necesaria pues no se disponía de valores confiables a la temperatura de trabajo y dichas propiedades son importantes para resolver la ecuación (1).

• Se fijó el tiempo de permanencia que deben tener los ánodos para garantizar la producción. Los tiempos máximos de permanencia de cada ánodo en la piscina son: 4106 seg para el ánodo de Venalum, 1991 seg. para el ánodo de Alcasa y 1560 seg. para el ánodo Ormet, que son los tres tipos de ánodos que produce Carbonorca.

• Se resolvió la ecuación (1) en forma analítica (ec. 3) para diferentes valores del coeficiente de convección promedio alrededor del ánodo.

• Se graficaron los valores de la temperatura máxima en la superficie (ubicada en el centro de la cara lateral más grande, tal como se muestra en la Figura 2) como función del coeficiente de convección, para cada uno de los ánodos que serán manejado por la piscina.

• Se determinó el coeficiente de convección mínimo que garantice que la temperatura máxima en un punto de control, ubicado a cinco (5) centímetros de profundidad perpendicular a la superficie de la cara lateral mayor, sea menor de 90°C.

3. Presentación y Discusión de los Resultados

La Figura 3 muestra la temperatura en el punto de control del ánodo verde como función del coeficiente de convección, para el caso del ánodo de Venalum. Aquí se destaca que a partir de h = 400 W/m²K, la temperatura se hace asintótica en torno a T = 60 °C. Por otro lado, para h = 100 W/m²K se observa que la temperatura en el punto de control es menor de 90°C.

La Figura 4 muestra la temperatura en el punto de control del ánodo verde como función del coeficiente de convección, para el caso del ánodo de Alcasa. Se observa que a partir de h = 600 W/m2K, la temperatura se hace asintótica en torno a T = 85 °C. Por otra parte, para h = 400 W/m2K se observa que la temperatura en el punto de control es menor de 90°C.

La Figura 5 muestra la temperatura en el punto de control del ánodo verde como función del coeficiente de convección, para el caso del ánodo de Ormet. Se observa que a partir de h = 600 W/m²K la temperatura se hace asintótica en torno a T = 90 °C; también se nota que para h = 600 W/m²K se observa que la temperatura en el punto de control es menor de 90°C.

Al comparar los tres resultados se observa que el coeficiente de convección mínimo que satisface los tres tipos de ánodos es de 600 W/m²K.

III. CONCLUSIONES

1. Los resultados demuestran que el coeficiente de convección mínimo que debe generar el sistema de enfriamiento para garantizar sus condiciones mecánicas es de 600 W/m2K.

2. Un valor superior al coeficiente de convección crítico, no disminuye significativamente la temperatura en el punto de control del ánodo.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece al Centro de Estudios Energéticos de la UNEXPO Puerto Ordaz por su apoyo en el desarrollo del presente trabajo, y a la empresa Carbonorca y a Fundacite Guayana por el apoyo económico para presentar parte de este trabajo en congresos.

IV. BIBLIOGRAFÍA

1) Tolentino, S. L., “Evaluación Térmica y Propuesta de Mejora del Sistema de Enfriamiento de Ánodos Verdes de la empresa CVG-CARBONORCA”, Práctica Profesional de Grado, UNEXPO, Puerto Ordaz, 2003 131 pp.        [ Links ]

2) Tolentino, S. L. y Gutiérrez E. “Determinación de la Conductividad Térmica de los Ánodos Verdes, Utilizando un Modelo Numérico Tridimensional”. Memorias del VII Congreso Internacional de Métodos Numérico en Ingeniería y Ciencias Aplicadas, CIMENICS 2004. San Cristóbal, Venezuela, 28 al 30 de abril del 2004. pp. MF-46 – MF-52.        [ Links ]

3) Incropera, F.P. y DeWitt, D.P., "Fundamentos de Transferencia de Calor", 4ª Edición, México, Prentice Hall, 1999, 888 pp.        [ Links ]

4) McAdams, W.H., “Heat Transmission”, 3ª Edición, Capítulo 7, New York, McGraw-Hill, 1954.        [ Links ]

5) Warner. C.Y. y Arpaci, V.S., “An Experimental Investigation of Turbulent Natural Convection in Air at Low Pressure for vertical Heated Flat Plate”, Int. J. Heat Mass Transfer 11, 397, 1968, 397 pp.        [ Links ]

6) Bayley, F.J., “An Analysis of Turbulent Free Convection Heat Transfer”, Proc. Inst. Mech. Eng., 169, 361, 1955 pp 169-361.        [ Links ]