INTERCAMBIADORES DE CALOR Y CALDERAS

DEFINICION Un intercambiador de calor es un aparato que facilita el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes

INTERCAMBIADORES DE CALOR Se pueden clasificar de acuerdo a tres categorías: Regeneradores Intercambiadores tipo abierto Intercambiadores tipo cerrado

REGENERADORES • Tubulares • De placas • Rotativos

TIPO TUBULAR

TIPO PLACA

TIPO ROTATIVO

1 UA

1 hc A

1 hf A

hA UA 2 Cm ax NZ N : rpm

cc

1

1 Cm ax 1.93 9( ) Cm in

Εcc = eficacia del intercambiador contracorriente

COEFICIENTE

U DE TRANSFERENCIA TERMICA GLOBAL

Q UA (TC TF )

TUBOS: INTERIOR O EXTERIOR

El coeficiente global de transferencia de calor en una pared cilíndrica depende del área en función de la cual se exprese:

Coeficiente global de transferencia de calor en un intercambiador:

donde los subíndices c y h indican el fluido frío y caliente (cold y hot), respectivamente, y Rw es la resistencia térmica de conducción.

Los términos 1/(hohA) son las resistencias térmicas del dispositivo de aletas de cada fluido y no la eficiencia o rendimiento global de la superficie con aletas que es el cociente entre el calor transmitido por el sistema con aletas y el que se transmitiría si toda la superficie estuviera a la temperatura de la base de las aletas:

siendo At el área total de transferencia de calor (superficie de la base más aletas).

El rendimiento global se evalúa en función del rendimiento de una aleta:

siendo At el área superficial de todas las aletas.

Para una aleta recta de longitud L y el extremo adiabático la expresión del rendimiento es:

Siendo:

t : espesor de la aleta recta.

Para tubos concéntricos, en el flujo entre los dos tubos se trabaja con el diámetro hidráulico, definido como el cociente entre cuatro veces el área transversal y el perímetro mojado:

Para tubos de sección circular:

Si la capacidad térmica de flujo de uno de los fluidos es mucho mayor que la del otro o uno de los fluidos experimenta un cambio de fase, C → , la temperatura de ese fluido permanece prácticamente constante a lo largo del intercambiador. Si el cambio de temperatura de un fluido es despreciable (cambio de fase), P o R es cero y F es 1, es decir, el comportamiento del intercambiador es independiente de su configuración.

FACTOR DE SUCIEDAD (incrustaciones)

TRANSMISIÓN DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO, A TEMPERATURAS VARIABLES, A TRAVÉS DE UNA PARED

T1 TC 2 TF 1 T2

TC1 TF 2

Caso que U varíe apreciablemente de un extremo a otro

U

a b T

FACTOR CORRECTOR DE LA MLDT FACTOR CORRECTOR: F

T

F (DMLT)

COEFICIENTE DE EFECTIVIDAD: P

P

TF 1 TF 2 TF 1 TC1

RELACION DE CAPACIDADES TERMICAS:

Z

m F cPF mC cPC

CF CC

TC1 TC 2 TF 2 TF 1

EFICACIA DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR (

ε)

Se conoce la descripción del intercambiador y las Tas de entrada, desconociendo las de salida ε compara transferencia térmica en el fluido frío

transferencia de calor real transferencia de calor maxima Qmax intercambiador contracorriente, A infinita Q= CC(Tc1-Tc2) = CF (TF2 – TF1) Supuesto sin pérdidas térmicas: Si Cc < CF => ∆TC >∆TF =>TC2min = TF1 y Qmax =

CC(TC1 – TF1 )

Si CF < CC => ∆TF >∆TF =>TF2max = TC1 y Qmax = CF (TC1 – TF1 ) En cualquier caso

Qm ax

Cm in (TC1 TF 1 )

Flujo paralelo corriente directa:

Flujo paralelo contra corriente

GRADIENTE DE TEMPERATURA EN EL INTERCAMBIO DE CALOR POR CONVECCION FORAZADA

Factor de corrección para cambiadores de calor con un paso por envolvente y dos ( o múltiplo de dos) pasos por tubos

Ts: temperatura en envolvente Tt: temperatura en tubos

Tc

T2

F (T1 T2 )

tc

t1 F (t2 t1 )

Factor de corrección para cambiadores de calor con dos pasos por envolvente y dos ( o múltiplo de dos) pasos por tubos

Eficacia de un cambiador de calor con un paso por envolvente y un múltiplo de dos pasos por tubo

n

n

Ch

mc p

Cc

mc p

Ch (Thent Thsal ) Cmin (Thent Tcent ) Cc (Tcsal

Tcent )

Cmin (Thent Tcent )

Eficacia de un cambiador de calor con un paso por envolvente y un múltiplo de dos pasos por tubos

PROYECTO DE UN REGENERADOR TUBULAR Cálculo de la superficie total

Qa

K . A. t .

Qa

mc

p

(T2" T2 ) .

A

eR mc p (T2" T2 ) t.k

• Cálculo de

tcc

tcd

t (Ttent Tssal ) (Tt sal Tsent ) Ttent Tssal Ln Ttsal Tsent (Ttent Tsent ) (Tt sal Tssal ) Ttent Tsent Ln Tt sal Tssal

tccr

tcc

Φ: coeficiente en función de la eficiencia del regenerador y de parámetro u

u

t4 t4" t2" t 2

CALCULO DE K

K

1 1

1

g

a

α: coeficiente de transmisión de calor δ: espesor del tubo λ: coeficiente de conductividad térmica

0.02

a

a

di

Rei 0.8

Calculo de αg es la misma ecuación anterior solo sustituir dE por di para el caso de corriente directa y contracorriente. 4

dE 1

2

1

S1 di s2 de

2

1d

S1 : Paso a lo ancho del paquete S2: Paso en profundidad del paquete

Para corriente cruzada:

si : s1 d e ' s2 d e g

S1: paso transversal S’2: paso diagonal

0.7

0.27

n

Re

0.6 e

de

si : s1 d e ' s2 d e g

0.7

0.295

n

Re

0.6 e

de

s1 d e ' s2 d e

0.25

Φn: coeficiente que depende del numero de filas del paquete de tubos

CALCULO DEL NUMERO DE TUBOS DEL REGENERADOR

Z

4 ma v 2 di c

La longitud de los tubos está ligada con la superficie de transmisión de calor

L d

A dz

: diámetro medio de los tubos

Cálculo de pérdidas hidráulicas

P

2.8 n 1 Re e de 1 ' s2 0.53 s1 1 de

0.25

c

2 g

2

P

de 1 ' s2 0.25 3.86 n 1 Re e s1 1 de

Aplicable para:

1

de ' s2

s1 1 de

0.53

c

2 g

2

•Barométricos El agua de enfriamiento y el vapor circulan en sentido contrario. La bomba de aire debe de manejar tanto la parte del aire liberado del agua de enfriamiento como las fugas de aire.

La altura requerida de la bomba de agua, está dada por la fricción en el tubo mas la carga estática, menos el 75% debido al diseño del vacío.

•De nivel bajo Se emplean como sustituto de la bomba para obtener la columna de agua del condensador barométrico para remover el liquido del espacio vacío. •De chorro Aprovecha el efecto aspirante de un chorro para transportar los productos no condensables.

GENERADOR DE VAPOR Se define como un recipiente en el que se transfiere la energía calorífica de un combustible a un líquido.

En un sistema grande, donde existen cargas de vapor variables, pueden utilizarse varios generadores de vapor.

• Caldera: Es la parte del generador de vapor donde se inyecta el combustible y se genera el vapor saturado.

• Precalentador de aire: Es el componente del generador de vapor que precalienta el aire secundario antes de entrar al hogar de la caldera, aprovechando sus gases de combustión su instalación es después del economizador.

• Economizador: Es la parte del generador de vapor que aprovecha el calor de los gases de combustión para precalentar el agua de alimentación que se inyectará a la caldera. Su instalación es después del sobrecalentador y del recalentador de vapor.

• Sobrecalentador de vapor: Componente que permite elevar la temperatura del vapor saturado que produce la caldera. Su instalación es a la salida de vapor de la caldera.

SOBRECALENTADOR La función del sobrecalentador es la de elevar la temperatura de vapor por encima de la de saturación a la presión de domo. Existen varios motivos para realizar esto: a)Una ventaja se debe a la ganancia termodinámica que implica trabajar con un fluido con mayor entalpía. Dicha ganancia atribuible al aumento de entalpía es de aproximadamente un 3 % por cada 50°C

b) Si el vapor ha de ser utilizado para alimentación de máquinas rotantes, es indispensable asegurar el secado total de este antes de ingresar a la turbina. Además, el vapor sobrecalentado posee mucha menor tendencia a condensarse en las últimas etapas de la turbina que utilizando vapor saturado.

ATEMPERACION DIRECTA POR CONTACTO INDIRECTO

ATEMPERACION DIRECTA POR INYECCION DE AGUA

• Recalentador de vapor: Permite elevar la temperatura del vapor residual de un proceso y a una presión menor. Su instalación es posterior al sobrecalentador de vapor.

• Hogares Un hogar es una cámara donde se efectúa la combustión. La cámara confina el producto de la combustión y puede resistir las altas temperaturas que se presentan y las presiones que se utilizan. Sus dimensiones y geometría se adaptan a la velocidad de liberación del calor, el tipo de combustible y al método de combustión, de tal manera que se haga lo posible por tener una combustión completa.

HOGAR Las tres funciones más importantes que tiene un hogar desde el punto de vista de la combustión son: a) Proveer el espacio necesario para acomodar la llama, sin que ésta toque los tubos. De no evitar esto, se corre el riesgo de la extinción anticipada de los extremos de la llama que entran en contacto con los tubos, ya que estos últimos están a mucho menor temperatura que la llama. Este fenómeno se exterioriza mediante la emisión de humos, producto de una combustión incompleta.

b) Mantener la temperatura de la llama y de los gases lo más alta posible durante el tiempo necesario, con la finalidad de que la combustión se complete sin humos ó cenizas.

c) Proveer un recinto hermético que evite las fugas de gases (hogar presurizado) ó entrada de aire ajeno a la combustión (hogar subpresurizado).

• Superficie de calefacción Es la superficie de metal de la caldera que se encuentra en contacto al mismo tiempo con los gases de combustión y con el agua o vapor. Se mide del lado de los gases en las calderas tubos de fuego y por el lado del agua en las calderas tubos de agua.

SUPERFICIE DE CALEFACCIÓN

CLASIFICACION DE LAS CALDERAS • • • • •

Por el tipo de diseño estructural. Por aspectos de seguridad. Por su geometría. Por el tipo de fuente de energía. Por el tipo de ventilación para la combustión. • Por el tipo de atomización. • Por la presión de trabajo. • Por el fluido térmico.

DISEÑO ESTRUCTURAL Las calderas se pueden clasificar como: • calderas de tubos de agua • calderas de tubos de fuego • calderas sin tubos.

CALDERA DE TUBOS DE AGUA También son denominadas como acuotubulares, se definen así por ser el agua el fluido que circula por el interior de los tubos y los gases de combustión se encuentran a su alrededor.

CALDERA ACUOTUBULAR

CALDERA DE TUBOS DE AGUA

Los tubos que manejan agua-vapor son de acero al carbono

Los tubos que manejan vapor sobrecalentado o recalentado deben ser de una aleación austenítica.

VENTAJAS DE LAS CALDERAS DE TUBOS DE AGUA O ACUOTUBULAR Debido al pequeño volumen de agua que contienen y una mayor superficie de calefacción la capacidad de generación de vapor es alta, siendo ideal para cubrir las demandas picos

Esta caldera es inexplosiva, debido a que es menos crítico que el domo superior quede al descubierto. Alguna rotura en domos o en la soldadura de la tubería de agua podría producir fuga de vapor y agua sin que produzca una explosión excesiva debido a que la presión liberada se disipa en todo el volumen de la cámara de combustión.

La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones dependiendo del diseño hasta 350 psi.

Las calderas tubos de agua o acuotubulares son de dos tipos:

•Tubos Inclinados. •Tubos doblados y paredes de agua.

DE TUBOS INCLINADOS Están construidas por bancos de tubos en zigzag con una inclinación de 15° a 25° para favorecer la inclinación y propiciar el drenaje libre de lodos, formados como consecuencia de los tratamientos químicos del agua en la caldera.

CALDERA DE TUBOS INCLINADOS

Su principal desventaja consistía en su limitada capacidad para una separación adecuada del vapor y del agua y una pobre distribución de la circulación dentro de la caldera.

TUBOS DOBLADOS Y PAREDES DE AGUA

VENTAJAS • Respuesta rápida a fluctuaciones de carga. • Gran economía en la construcción y operación. • Mayor accesibilidad para limpieza y mantenimiento. • Producción de vapor de mejor calidad.

A partir del desarrollo de este tipo de caldera, los diseños se estandarizaron en tres tipos básicos: • Calderas tipo A • Calderas tipo O • calderas tipo D

CALDERAS TIPO A

• Cada uno de los haces de tubos laterales conforman el horno de la caldera. • Este tipo desbalancea la llama hacia uno u otro lado dependiendo del estado de circulación natural de cada extremo.

CALDERAS TIPO O

En este tipo el horno es un tubo por el cual, como lo muestra la figura, la llama recorre toda su extensión, propiciando condiciones de limpieza de las tuberías, puesto que los gases avanzan paralelos a las tuberías de convección.

CALDERAS TIPO D

CALDERAS TIPO D • Esta es la clásica conformación geométrica para hacer circulación natural. • El resto de tubos se extiende horizontalmente desde los tambores de vapor y lodo hasta las paredes del horno, donde se convierten en tubos de pared de agua.

CALDERA TUBOS DE FUEGO Llamadas también Pirotubulares, este tipo es el más utilizado en la industria para aplicaciones pequeñas. En estas calderas el fuego o los gases de combustión circula por dentro de los tubos y el fluido frío, el agua, a su alrededor, siendo ésta su principal característica.

CALDERA TUBOS DE FUEGO

• Las calderas pirotubulares se mantienen a baja temperatura, debido al volumen de agua que contiene la tubería de fuego. • Dificulta la evaporación del agua para cubrir demandas picos • Es del tipo explosiva

Clasificación por los materiales –Calderas de fundición: por elementos, la transmisión de calor tiene lugar en el hogar, área de intercambio pequeña y rendimientos bajo;tienen poca pérdida de carga en los humos y por ello suelen ser de tiro natural. –Calderas de acero: combustibles líquidos o gaseosos, por lo que tienen una mayor superficie de contacto y su rendimiento es mejor. –Calderas murales: de diseño compacto y reducido, empleadas para instalaciones familiares de ACS y calefacción actualmente se está incrementando su potencia y permiten asociamiento de varias.

CLASIFICACION DE CALDERAS POR MATERIALES: CALDERA DE FUNDICION

CLASIFICACION DE CALDERAS POR MATERIALES: CALDERA DE ACERO

CLASIFICACION DE CALDERAS POR MATERIALES: CALDERAS MURALES

Clasificación por su aplicación • Usos domésticos: calefacción, ACS o mixtas. •Generación de energía para plantas termoeléctricas: para la generación de vapor sobrecalentado a altas presiones. •Plantas de cogeneración: usan los gases calientes de escape son calderas llamadas de recuperación. •Generación de vapor o agua sobrecalentada en plantas industriales.

Clasificación por temperatura de salida de los humos •Estandar: no soportan condensación, Temperatura ret > 70ºC. •Baja Temperatura: soportan temperatura del agua de retorno de 35 o 40ºC Tubos de doble o triple pared ⇒gran tamaño

•Condensación: la soportan de manera permanente.

CLASIFICACION DE CALDERAS POR LA TEMPERATURA

Clasificación por la toma de aire –Circuito abierto y tiro natural. –Circuito abierto y tiro forzado. –Calderas estancas.

Clasificación por el tipo de combustible –Sólidos:engorrosas de operar por la alimentación, las cenizas ysuciedad que generan y el difícil control de la combustión. –Líquidos: el combustible deber ser pulverizado o vaporizado para que reaccione con el aire. –Gaseosos: de combustión más fácil pero más peligrosa que los líquidos.

Clasificación por su diseño –Calderas atmosféricas. –Calderas de depresión, funcionan por la depresión que se crea en la chimenea o por un ventilador que aspira; se evita la salida de humos al local. –Calderas de sobrepresión; los gases circulan empujados por un ventilador; por lo que los gases circulen más rápido que en las calderas de depresión.

Clasificación de las calderas por el fluido caloportador –Calderas de agua. –Calderas de agua sobrecalentada, necesitan bombas de alimentación para elevar la presión, las fugas son muy peligrosas. –Calderas de vapor, las fugas son muy peligrosas, los condensados necesitan ser purgados, necesitan gran control de la calidad del agua. –Calderas de aceite térmico.

CALDERAS MURALES

CALDERAS ELECTRICAS Ventajas:  Limpias, sin humos.  Fácil instalación, sin chimeneas ni combustibles.  Casi nulo mantenimiento, sin partes móviles.

Inconvenientes: –Alto precio de la energía eléctrica –Gran potencia instalada

Tipos:

 De acumulación: una resistencia en un depósito de agua  De acumulación seca: resist. ⇒ladr. refractarios ⇒aire ⇒agua–Instantáneas  De electrodos

CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE VAPOR Y CALDERAS. GENERADORES DE VAPOR Y CALDERAS

CLASIFICACIÓN

Seguridad

INEXPLOSIVOS

Diseño

TUBOS DE AGUA DOMO SIMPLE DOMOS MÚLTIPLES

SERPENTÍN

*

EXPLOSIVOS TUBOS DE FUEGO

HORIZONTALES

VERTICALES

SIN TUBOS

*

RETORNO HORIZONTAL ESPALDA SECA Y HÚMEDA HOGAR INTERIOR Y EXTERIOR TUBOS RECTOS TUBOS ACODADOS UN PASO Y PASOS MÚLTIPLES

Ensamble

MODULARES

*

Distribución de gases.

MODULARES Y TIPO PAQUETE

CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE VAPOR Y CALDERAS.

CLASIFICACIÓ N

CONTINUACIÓN: CLASIFICACIÓN CALDERAS

TUBOS DE AGUA

Presión Fuente de Energía

Tiro Circulación del agua

Fluído Térmico

SERPENTÍN

TUBOS DE FUEGO

ALTA PRESIÓN

SIN TUBOS

ALTA Y BAJA PRESIÓN

COMBUSTIBLES:  Orgánico, Diesel, Bunker  Gas Natural, Gas LP  Energía Radioactiva.

*

COMBUSTIBLES:  Orgánico, Diesel, Bunker  Gas Natural, Gas LP

ELECTRICAS

NATURAL, FORZADO E INDUCIDO.

*

NATURAL Y FORZADA

VAPOR DE AGUA AGUA CALIENTE.

ACEITE TÉRMICO

ORGANISMOS REGULADORES PARA LA FABRICACIÓN DE CALDERAS. • ASME:  American Society of Mechanic Engineering.

• ASTM:  American Society of Testing Materials. • FIA:  Factory Insurance Association.

• FM:  Factory Mutual.