Según la teoría formulada por V. Ganapathy, de Industrias ABCO, en el cálculo y

dimensionado de la caldera la determinación del área de transferencia,

independientemente de la posición constructiva. Es importante, pero no debería

ser el único criterio para medir calderas debido a que las Calderas Piro tubulares y

Acuo tubulares que son ampliamente usados en los procesos industriales

químicos.

Como por ejemplo para recuperar energía de calefactores a gas y para generar

vapor en generadores a gas o petróleo. Uno de los principales criterios que los

ingenieros usan para especificar o evaluar las calderas es el área de superficie.

Calderas tubulares por ejemplo requieren 5 pie2 por caldera HP (1 caldera caballo

de fuerza es equivalente a 34,500 Btu/h de salida).

Sin embargo, la superficie ó área es una variable desconcertante pues la

transferencia del calor depende de otros factores así como incluir la velocidad del

gas ,el tamaño de los tubos, el área del tubo, la instalación, la configuración de las

aletas del tubo, si fuera el caso, factores fuera de las expectativas y otros. Para la

misma tarea o energía transferida uno puede desarrollar diferentes diseños con

diferencias significativas en las superficies de área y los diferentes diseños pueden

tener diferencias importantes en los costos.

Para explicar mejor esta teoría desarrollaremos la parte conceptual por separado

para calderas piro tubulares y calderas acuo tubulares

2.1.1 Calderas Piro-Tubulares.

En este tipo de calderas el gas fluye dentro de los tubos mientras que el vapor esta

generado fuera de los tubos, dependiendo de la pureza del vapor, los tamaños de

los tubos pueden variar de 1.5 a 3.5 pulg en O.D., dependiendo del tipo de

combustible a emplear; si este es sólido ó de desechos, la caldera debe ser con un

diseño multipaso, donde el primer pase es un tubo con diámetro oscilante de 30 a

48 pulgadas, y los siguientes pases consisten en tubos de diámetros menores.

Calderas de petróleo o a gas tienen una similar configuración. Las velocidades

específicas de los gases pueden variar dependiendo de la caída de la presión del

gas. Ambos factores (tamaño del tubo y velocidad del gas) influyen en el

coeficiente de transferencia de calor, y todo esto en el área de superficie.

Procedimiento de Medida

Este proceso es como sigue:

El área de superficies, S, está calculada por:

S= QUΔT (1a)

Si U está basado en el diámetro exterior del tubo, entonces el área superficial esta

también basada en el diámetro exterior del tubo de igual manera si U esta basada

en el diámetro interno, luego el área superficial estará basada en el diámetro

interno del tubo.

Esto puede ser expresado como:

U0 S0=U iS i

Donde:

S0=

πd0NL12

y

Si=

πd iNL12

Así de esta manera, la ecuación puede ser reescrita:

Si=

QU i ΔT (1b)

S0=

QU0ΔT (1c)

La energía transferida Q, es:

Q=W gC p (T I−T 2)hI

Q=W sΔH s (2)

El término hI representa el factor de pérdida de calor y es igual a Uno menos la

perdida debida a la radiación y la transmisión de calor de las superficies de la

caldera. Es típico un 2% menos o hI = 0.98.

La diferencia de temperatura logarítmica ∆T está determinada por:

ΔT=(T I−t s )−(T 2−t s)

ln(T I−t sT 2−t s ) (3)

El coeficiente global de transferencia de calor, U0 está dado por:

1U0

=d0d ihi

+ 1h0

+ ff i( d0d i)+ ff 0+( d0

24K ) ln ( d0d i)…….. (4)

ó

Figura 1: Caldera horizontal piro tubular mostrando el concepto de parte posterior húmeda

1. Base tipo caja 10. Área de Calentamiento 2. Ventilador de tiro forzado 11. Cobertura metálica 3. Gabinete de control 12. Válvula de seguridad de vapor 4. Quemador 13. Asas de levantamiento5. Puertas frontales 14. Salida de gases con platillo redondo6. Sello de calidad ASME 15. Tres pasos de recorrido de gases7. Columna de control de nivel 16. Cámara de combustión8. Controles de presión 17. Puertas traseras independiente 9. Tubo de fuego de 2” ó 2 ½”

El coeficiente de transferencia de calor del tubo hi es la suma del coeficiente de

transferencia de calor convectivo hc y el coeficiente de transferencia de calor no

luminoso hn el valor de hn depende de las presiones parciales de gases triatómicos

en el gas circulante (ejm: CO2, H2O) y es usualmente pequeño en el orden de 5%

de hc en calderas piro tubulares, por esta razón muchos diseñadores son

conservadores y descuidan hn (en calderas acuo tubulares sin embargo hn es muy

significativa y no puede ser descuidada), detalles en adelante respecto a calcular

hn pueden ser encontrados en referencia bibliográfica (1).

El valor de hi es obtenido de la ecuación de Cittus-Boelter:

Nu = O.023ReO·3Pr0.4 (5)

Donde Nu=

hcd i

12K , Re=15.2w

(μd i ) y Pr=μCp

K .

Sustituyendo estas expresiones en la ecuación (5) y simplificando:

hc=2.44 w0 .8F

di1 .8 (6)

Donde: F=(Cpμ )

0 .4K 0.6

Los factores de incrustaciones interiores o exteriores están denotados por ffi y ff0

respectivamente. Para gases limpios y calderas de agua, se puede asumir ser

0.001 pie2hºF/Btu.

Para corrientes de gases que pueden causar equivocaciones ff puede ser más

alto en el orden de 0.05 pie2hºF/Btu Tablas con factores equivocados están

disponibles en muchas fuentes publicadas. Tales como referencias (2) y (3).

El coeficiente de transferencia de calor h0 es muy alto, en el orden de 2.000

Btu/pie2hrºF, así incluso un 20% de variación en su valor no impactará U, pues el

coeficiente de lado del tubo hi el cual es típicamente de el orden de 10-20

Btu/pie2hrºF gobierna U.

El último término en la ecuación (4) es la resistencia de la pared del tubo al calor

transferido. La conductividad térmica del material del tubo K. es aprox. 20-25

Btu/pie2hr ºF para aceros al carbón (típico material usado para calderas).

Para medir la caldera, la masa que fluye por el tubo varía de 120 a 200 lb/h para

un tubo de 2 pulgadas y la velocidad del gas típicamente varia de 60 a 170

pies/seg son asumidas y la medida del tubo es calculada.

La relación entre la masa que fluye y la velocidad es:

V g=0 .05wv

di2 (7)

Mientras que pareciera más fácil asumir un número de tubos que asumir la

constante de masa y la velocidad del gas en la práctica ya que estos cálculos

están hechos por computadora los términos son esencialmente concebidos en

paralelo.

Basado en la temperatura y propiedades del gas hc y luego U son determinados,

luego la ecuación (1) es usada para calcular S el cual luego es usado para

determinar la longitud del tubo L.

La caída de presión del gas es luego calculada:

ΔPg=(93×10−6 ) fLe vw

2

di5 (8)

Si la caída de presión calculada es más alta que lo permitido por la especificación,

otra constante de masa que fluye por el tubo es asumida y el procedimiento es

repetido.

En el Anexo N° 01 se puede observar un ejemplo de cálculo de una caldera piro

tubular con las variaciones del área que se muestran en la siguiente tabla

formuladas por el autor Ganapaty.

Tabla N° 1

Resultados para el calculo de diseños de calderas Pirotubulares.