intercambiadores de calor y calderas
DESCRIPTION
PRESENTO INFORMACION IMPORTANTE PARA EL ESTUDIO DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALORTRANSCRIPT
Un intercambiador de calor es un
aparato que facilita el intercambio
de calor entre dos fluidos que se
encuentran a temperaturas diferentes
DEFINICION
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
rpmN
NZC
hAUA
AhAhUA fc
:
2
111
max
93.1
min
max )(9
11
C
Ccc
Εcc = eficacia del intercambiador contracorriente
COEFICIENTE U DE TRANSFERENCIA TERMICA GLOBAL
)( FC TTUAQ
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
212
121
FC
FC
TTT
TTT
Caso que U varíe apreciablemente de un extremo a otro
TbaU
FACTOR CORRECTOR DE LA MLDT
FACTOR CORRECTOR: F
)(DMLTFT
COEFICIENTE DE EFECTIVIDAD: P
11
21
CF
FF
TT
TTP
RELACION DE CAPACIDADES TERMICAS:
12
21
FF
CC
C
F
PCC
PFF
TT
TT
C
C
cm
cmZ
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
maximacalor de ciatransferen
realcalor de ciatransferen
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
)( 11minmax FC TTCQ
Flujo paralelo corriente directa:
Flujo paralelo contra corriente
GRADIENTE DE TEMPERATURA EN EL INTERCAMBIO
DE CALOR POR CONVECCION FORAZADA
Ts: temperatura en envolvente
Tt: temperatura en tubos
Factor de corrección para cambiadores de calor con un paso por
envolvente y dos ( o múltiplo de dos) pasos por tubos
)(
)(
121
212
ttFtt
TTFTT
c
c
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
pc
ph
mcC
mcC
)(
)(
min entent
salent
ch
hhh
TTC
TTCn
)(
)(
min entent
entsal
ch
ccc
TTC
TTCn
Eficacia de un cambiador de calor con un paso por
envolvente y un múltiplo de dos pasos por tubos
PROYECTO DE UN
REGENERADOR TUBULAR
tAKQa ..
)( 22
.
" TTcQ pa m
Cálculo de la superficie total
kt
TTmceA
pR
.
)(.
22"
• Cálculo de t
entsal
salent
entsalsalent
st
st
stst
cc
TT
TTLn
TTTTt
)()(
salsal
entent
salsalentent
st
st
stst
cd
TT
TTLn
TTTTt
)()(
ccccr tt
Φ: coeficiente en función de la eficiencia del regenerador
y de parámetro u
22
44
"
"
tt
ttu
CALCULO DE K
ag
K11
1
α: coeficiente de transmisión de calor
δ: espesor del tubo
λ: coeficiente de conductividad térmica
8.002.0 ei
i
aa R
d
e
i
E
d
s
d
S
dd
22
11
21 14
Calculo de αg es la misma ecuación anterior
solo sustituir dE por di para el caso de corriente
directa y contracorriente.
S1 : Paso a lo ancho del paquete
S2: Paso en profundidad del paquete
Para corriente cruzada:
e
eng
e
e
d
ds
ds
si
6.0
'
2
1
Re27.0
7.0
:
S1: paso transversal
S’2: paso diagonal
25.0
'
2
16.0
'
2
1
Re295.0
7.0
:
e
e
e
eng
e
e
ds
ds
d
ds
ds
si
Φn: coeficiente que depende del numero de filas del
paquete de tubos
CALCULO DEL NUMERO DE
TUBOS DEL REGENERADOR
cd
vmZ
i
a
2
4
La longitud de los tubos está ligada con
la superficie de transmisión de calor
zd
AL
d : diámetro medio de los tubos
Cálculo de pérdidas hidráulicas
2Re18.2
2
25.0 g
e
cnP
53.0
1
1
1
'
2
e
e
d
s
s
d
2Re
1
1
186.3
2
25.0
1
'
2 g
e
e
e
c
d
s
s
d
nP
53.01
1
1
'2
e
e
d
s
s
d
Aplicable para:
•Barométricos
El agua de enfriamiento y el vapor circulan ensentido contrario.
La bomba de aire debe de manejar tanto la partedel aire liberado del agua de enfriamiento comolas fugas de aire.
La altura requerida de la bomba de agua, estádada por la fricción en el tubo mas la cargaestática, 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 setransfiere la energía calorífica de uncombustible 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 tieneun hogar desde el punto de vista de lacombustión son:
a) Proveer el espacio necesario para acomodarla llama, sin que ésta toque los tubos.
De no evitar esto, se corre el riesgo de laextinción anticipada de los extremos de lallama que entran en contacto con los tubos,ya que estos últimos están a mucho menortemperatura que la llama. Este fenómeno seexterioriza 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 lateralesconforman el horno de la caldera.
• Este tipo desbalancea la llama hacia unou otro lado dependiendo del estado decirculación 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 conformacióngeométrica para hacer circulación natural.
• El resto de tubos se extiendehorizontalmente desde los tambores devapor y lodo hasta las paredes del horno,donde se convierten en tubos de pared deagua.
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 40ºCTubos 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
INEXPLOSIVOS EXPLOSIVOS
CLASIFICACIÓN
Seguridad
TUBOS DE AGUA TUBOS DE FUEGODiseño
RETORNO HORIZONTAL
ESPALDA SECA Y HÚMEDA
HOGAR INTERIOR Y EXTERIOR
SIN TUBOS
DOMO SIMPLE
DOMOS MÚLTIPLES HORIZONTALES VERTICALES
Distribuciónde
gases.
UN PASO Y PASOS
MÚLTIPLES
Ensamble MODULARES Y TIPO PAQUETEMODULARES
TUBOS RECTOS
TUBOS ACODADOS
SERPENTÍN
**
*
CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE VAPOR Y
CALDERAS.
TUBOS DE AGUA TUBOS DE FUEGO
CLASIFICACIÓ
N
Presión ALTA PRESIÓNALTA Y BAJA PRESIÓN
COMBUSTIBLES:
Orgánico, Diesel, Bunker
Gas Natural, Gas LP
SIN TUBOS
COMBUSTIBLES:
Orgánico, Diesel, Bunker
Gas Natural, Gas LP
Energía Radioactiva.
Fluído Térmico
CONTINUACIÓN: CLASIFICACIÓN CALDERAS
Fuente de Energía
Tiro NATURAL, FORZADO E
INDUCIDO.
Circulación del agua
NATURAL Y FORZADA
VAPOR DE AGUA
AGUA CALIENTE.ACEITE TÉRMICO
SERPENTÍN
*
*
ELECTRICAS
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.