precalentadores de aire

CALCULO DE PRECALENTADORES DEL AIRE PRIMARIO Y SECUNDARIO DE LA CALDERA 5 DEL INGENIO CASTILLA INDUSTRIAL S.A.

RAUL EDUARDO MONTAÑO MARMOLEJO

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGETICA Y MECANICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA

SANTIAGO DE CALI 2007

CALCULO DE PRECALENTADORES DEL AIRE PRIMARIO Y SECUNDARIO DE LA CALDERA 5 DEL INGENIO CASTILLA INDUSTRIAL S.A.

RAUL EDUARDO MONTAÑO MARMOLEJO

Pasantía para optar el titulo de Ingeniero Mecánico

DirectorJORNEY JARAMILLO

Ingeniero Mecánico. MB.

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ENERGETICA Y MECANICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2007

Nota de Aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado encumplimiento de los requisitosexigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al titulo de Ingeniero Mecánico.

Ing. JORNEY JARAMILLO Director

Santiago de Cali, 10 de Diciembre de 2007

A mis Padres Raúl Alfonso Montaño y Ana Julia Marmolejo que con su gran esfuerzo y sacrificio hicieron realidad el sueño que me propuse alcanzar.

AGRADECIMIENTOS

Deseo agradecer primeramente a Dios por haberme dado la oportunidad de poder alcanzar uno de mis grandes sueños, sin duda alguna él es principal responsable de que haya podido culminar esta meta.

Agradezco profundamente a la familia De la Cruz Batero, que con su ayuda incondicional, me ayudaron a darle forma al sueño que hoy es una realidad.

A mi padre le agradezco su esfuerzo y sacrificio.

A mi madre le agradezco su dedicación, sus concejos, su sacrificio y sobre todo su apoyo incondicional.

Agradezco a los Ingenieros Néstor Arturo Pincay, Juan Guillermo Ayalde, Jorney Jaramillo y Leiber Alzate, por su colaboración en la realización de este proyecto, a ellos mil gracias.

CONTENIDO

Pág.

GLOSARIO

RESUMEN

INTRODUCCIÓN 20

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 21

2. MARCO TEORICO 22

2.1. DESCRIPCIÓN BÁSICA DE UNA CALDERA 22

2.2. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS 22

2.3. CALDERA ACUOTUBULAR 22

2.4. PARTES DE LA CALDERA 25

2.4.1. Hogar 25

2.4.2. Domos 25

2.4.3. Equipos recuperadores de calor 25

2.4.4. Quemadores 25

2.4.5. Parrillas 25

2.4.6. Bomba de alimentación 30

2.4.7. Equipo de tiro 30

2.4.8. Chimenea 31

2.4.9. Controles 31

2.5. PRECALENTADORES DE AIRE 31

2.6. TIPOS DE PRECALENTADORES 32

2.6.1. Recuperativo 32

2.6.2. Regenerativo 33

2.7. ECUACIONES 33

2.7.1. Cálculo de combustión 34

2.7.2. Calculo de flujo másico del vapor ( ) y del aire ( ) 35vm.

am.

2.7.3. Cálculo de eficiencia de la caldera 38

2.7.4. Cálculo de número de tubos y filas del precalentador 39

2.7.5. Cálculo de caída de presión 41

2.7.6. Cálculo de caída de temperatura en el haz de tubos 41

2.7.7. Cálculo de aletas en los tubos 42

3. ANTECEDENTES 44

4. OBJETIVOS 45

4.1. OBJETIVO GENERAL 45

4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 45

5. JUSTIFICACIÓN 46

6. METODOLOGÍA 47

6.1. MEDIA LOGARÍTMICA DE LAS DIFERENCIAS DE TEMPERATURA (LMTD) 47

6.2. COMPOSICIÓN DE LOS GASES 50

6.2.1. Nitrógeno 52

6.2.2. Oxigeno 52

6.2.3. Agua 53

6.2.4. Acido carbónico 53

6.2.5. Peso productos gaseosos de la combustión 54

6.2.6. Peso de aire empleado por Kg. de bagazo 54

6.3. DETERMINACIÓN DEL FLUJO MÁSICO DE VAPOR ( ) Y AIRE ( ) 55vm.

am.

6.3.1. Calor total en vapor 55

6.3.2. Calor total en agua de alimentación 56

6.3.3. Calor a ser suplido por Kg. de agua 56

6.3.4. Perdida de calor sensible 56

6.3.5. Calor Disponible por Kg. de Bagazo 56

6.3.6. Peso de vapor suplido por Kg. de bagazo quemado 57

6.3.7. Peso total de bagazo para ser quemado 57

6.3.8. Flujo másico de aire 58

6.3.9. Rata de transferencia de calor total 59

6.3.10. Flujo másico de vapor total 59

6.4. MÉTODO BTU 60

6.5. DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE TUBOS Y FILAS PARA EL PRECALENTADOR DEL VENTILADOR FORZADO 66

6.6. CÁLCULO DEL ÁREA DE TRANSFERENCIA DE CALOR DEL PRECALENTADOR DEL VENTILADOR FORZADO 74

6.7. CAÍDA DE PRESIÓN PRECALENTADOR VENTILADOR FORZADO 95

6.8. CAÍDA DE TEMPERATURA EN EL HAZ DE TUBOS 100

6.9. ALETAS PARA TUBOS PRECALENTADOR VENTILADOR FORZADO 103

6.10. DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE TUBOS Y FILAS PARA EL PRECALENTADOR DEL VENTILADOR DE SOBREFUEGO 106

6.11. CALCULO DEL ÁREA DE TRANSFERENCIA DE CALOR DEL PRECALENTADOR DEL VENTILADOR DE SOBREFUEGO 115

6.12. CAÍDA DE PRESIÓN PRECALENTADOR VENTILADOR DE SOBREFUEGO 137

6.13. CAÍDA DE TEMPERATURA EN EL HAZ DE TUBOS 141

6.14. ALETAS PARA TUBOS PRECALENTADOR VENTILADOR SOBREFUEGO 144

6.15. ANÁLISIS ECONÓMICO 148

7. FINANCIACION 151

8. CONCLUSIONES 152

BIBLIOGRAFIA 154

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Relación entre la temperatura y el volumen especifico del Agua a Presión Constante. 24

Figura 2. Parrilla estacionaria. 26

Figura 3. Parrilla Móvil o Viajera. 27

Figura 4. Parrilla Estacionaria-Volcable. 28

Figura 5. Hogar o Ciclón de Lecho Fluidizado. 29

Figura 6. Stoker. 30

Figura 7. Tabla Método BTU. 38

Figura 8. Diagrama de Mollier. 48

Figura 9. LMTD en intercambiadores de calor calentados por vapor. 49

Figura 10. Relación entre el Contenido de de los Gases de la 2CO

Chimenea y el Exceso de Aire. 52

Figura 11. Sección Transversal Ducto Ventilador Forzado. 67

Figura 12. Arreglo Alternado. 68

Figura 13. Tabla del Aire. 69

Figura 14. Velocidad Para Sistemas de calentamiento Spirax-Sarco. 76

Figura 15. Factor de Propiedades del Vapor. 81

Figura 16. Factor de velocidad de convección y geometría básico de flujo longitudinal. 82 Figura 17. Factor Propiedades Físicas del Vapor. 84

Figura 18. Factor de Temperatura. 85

Figura 19. Factor de velocidad de convección y geometría básico de flujo cruzado. 89 Figura 20. Factor Propiedades Físicas del Aire. 91

Figura 21. Factor de Arreglo para Bancos de tubos en línea. 93

Figura 22. Factor de Transferencia de Calor Profundo. 94

Figura 23. Factor de fricción para Bancos de tubos en línea. 96

Figura 24. Factor corriente de pérdida de profundidad. 98

Figura 25. Sección Transversal Ducto Ventilador Sobre fuego. 107

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Tabla de Datos. 49



Tabla 4. Condiciones de entrada Caldera. 61

Tabla 5. Cálculos Gases de Combustión Caldera. 64

Tabla 6. Cálculos de Eficiencia Caldera. 65

Tabla 7. Parámetros de Desempeño Caldera. 66







LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo A. Tabla de Dimensiones de Tubería. 156

Anexo B. Carta Psicometría. 157

Anexo C. Boletín Meteorológico de Cenicaña. 158

Anexo D. Cronograma. 159

Anexo E. Presupuesto. 160

GLOSARIO

MACERACIÓN: este es un proceso que se aplica paralelo a la imbibición y que tiene la misma finalidad (aumentar la extracción). Consiste en remojar el bagazo con el jugo diluido producto de la imbibición. El jugo extraído por un molino se aplica a la entrada del molino anterior.

SACAROSA: la sacarosa se obtiene a partir de la caña de azúcar o de la remolacha azucarera. Es estable al aire pero en polvo se torna higroscópica, absorbiendo hasta el 1% de humedad. Es fermentable pero a concentraciones altas (~ 17%) resiste a la descomposición bacteriana. Es el principal endulzante utilizado por el sabor excelente que imparte. También se utiliza como preservante, antioxidante, excipiente, agente granulador y tenso activo en jabones, productos de belleza y tintas

RESUMEN

En el presente proyecto se realizará el cálculo de los precalentadores del aire primario y secundario de la caldera 5 del Ingenio Castilla Industrial S.A. ubicado en el municipio de Pradera, Valle del Cauca.

Una vez se haya realizado el cálculo de los precalentadores, se determinara la eficiencia de la caldera asumiendo teóricamente que esta posee el precalentador y se comparará este resultado con la eficiencia actual de la caldera, esperando desde luego que la eficiencia del equipo aumente con la implementación de los ya mencionados precalentadores.

Finalmente se realizará un análisis económico para determinar el aumento de eficiencia en la caldera, el ahorro que se puede obtener en combustible y sobre todo cuantificar el ahorro económico que pueden generar los precalentadores una vez acoplados a la caldera.

De esta manera se podrá determinar si es favorable para la empresa o no implementar los precalentadores de aire en la caldera.

INTRODUCCIÓN

Una de las grandes generadoras de energía térmica son las calderas y en nuestra región se puede considerar que juegan un papel fundamental en la industria azucarera y papelera entre otras. Ahora bien, al producir energía térmica se producen muchas perdidas, las cuales hacen que los maquinas térmicas no rindan a su máxima eficiencia. Este es el caso de la Caldera 5 perteneciente al Ingenio Castilla Industrial S.A. en el municipio de Pradera Valle. La caldera no posee sistema de precalentamiento en las tomas del aire primario y secundario lo cual indica que la caldera esta dejando de ser un poco mas eficiente en su proceso de producción de vapor, además de esto en las mañanas se presentan temperaturas promedio de 25 ºC (Datos tomados del Boletín Meteorológico de Cenicaña. Ver Anexo C), así pues el aire que se introduce para la combustión es frío. La propuesta planteada para solucionar dicho problema radica en instalar precalentadores de aire a vapor en la entrada de aire de los ventiladores forzado y sobre fuego de la caldera, los cuales calentaran el aire antes de introducirlos a la caldera, logrando de esta manera elevar la eficiencia de esta misma. Así pues, se lograría tener un ahorro de combustible (bagazo) disminuyendo los costos de producción en la fábrica.

20

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Los directivos del Ingenio Castilla Industrial S.A. han determinado realizar en la planta proyectos que la mejoren en cuanto se refiere a economía energética y es por esto que han realizado una auditoria energética en la cual han detectado diversos puntos en la planta de producción los cuales se deben mejorar con la meta de poder lograr el objetivo de ser mas eficientes energéticamente.

La caldera 5 es uno de esos puntos clave para el ahorro de energía puesto que esta caldera es la encargada de producir vapor para el área de molinos lo cual deja percibir que su funcionamiento es importante para la producción de la fábrica. La caldera trabaja en condiciones normales pero esta dejando de ganar eficiencia debido a las tomas de aire de los ventiladores forzado y de sobre fuego ya que estos toman el aire del medio ambiente y lo introducen a la caldera sin precalentamiento alguno, además de esto, el consumo de bagazo de la caldera es un poco mayor dado que el bagazo utilizado es húmedo y por la tanto tiene que consumir mas para generar la cantidad de vapor necesaria para el proceso.

La solución planteada requiere que se debe calcular un precalentador de aire, para lo cual se deben realizar cálculos para hallar el área de transferencia de calor, cálculos de combustión y de eficiencia de la caldera. Así pues, se puede determinar el tipo de precalentador que se necesita para las condiciones de operación que exige la caldera.

21

22

2. MARCO TEORICO

2.1. DESCRIPCIÓN BÁSICA DE UNA CALDERA

Una caldera puede describirse como un generador de vapor o como “la combinación de equipos para producir o recuperar calor, junto con aparatos para transferir el calor disponible a un fluido” (según el código ASME). Una caldera esta diseñada para obtener el máximo calor creado del proceso de combustión. Las características y diseño de cada una de ellas son muy variadas en función de la calidad-cantidad del vapor a obtener.

Las condiciones que pueden observarse en una caldera oscilan desde presiones de 10 y 120 °C hasta 280 con vapor recalentado hasta 540 °C. 2/ cmKg 2/ cmKg

2.2. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

Las calderas se clasifican en dos grandes grupos; las Pirotubulares y las Acuotubulares, estas a su vez se subclasifican tomando en cuenta otros elementos, pero como la caldera que se analizara en este proyecto es una caldera acuotubular entonces nos concentraremos en estas.

2.3. CALDERA ACUOTUBULAR

En las calderas Acuotubulares el sistema agua-vapor circula por el interior de los tubos y los gases calientes de la combustión van por fuera.

Este tipo de calderas es utilizado para elevadas producciones de vapor de alta presión y para generación de potencia. Según los parámetros de caudal-presión-temperatura se diseñan cada una de ellas, siendo por dicho motivo muy variados los tipos y diseños.

Para pasar el agua desde la fase liquida a vapor es necesario añadir calor con el fin de aumentar la temperatura hasta su punto de ebullición este calor que eleva

la temperatura del agua se conoce como vapor sensible. La temperatura de ebullición del agua es de 100 °C a presión atmosférica, aumentando cuando la presión aumenta y viceversa. La temperatura de ebullición se conoce también temperatura de saturación del vapor producido. Las relaciones entre la temperatura de saturación y presión son propiedades termodinámicas fijas de vapor.

Cuando empieza la conversión del agua a vapor, la temperatura se mantiene constante, aunque se siga añadiendo calor. El fluido se encuentra a las condiciones de saturación presión/temperatura durante toda la conversión de agua a vapor. El calor que añade durante el periodo de conversión del agua a vapor se conoce como calor latente de vaporización. La cantidad de calor total suministrado al vapor incluye el vapor sensible y el calor latente de vaporización. Generalmente, cuando la presión del vapor saturado aumenta, la cantidad necesaria de calor sensible aumenta y la cantidad de calor latente disminuye.

Añadiendo calor sensible al vapor saturado, aumenta la temperatura por encima de la correspondiente a la de saturación. El vapor que se obtiene por encima de la temperatura de saturación se conoce con el nombre de vapor recalentado. El recalentamiento aumenta la entalpía del vapor, o lo que es igual, su calor total. El recalentamiento también produce la expansión del vapor, aumentado su volumen especifico.

23

Figura 1. Relación entre la Temperatura y el Volumen especifico del Agua a Presión Constante

Fuente: PEÑALBA GALÁN, Jordi. Modelado y simulación de una caldera convencional [en línea]. Rovira: Sauron, 2004. [Consultado 27 Mayo 2007]. Disponible en Internet: http://sauron.etse.urv.es/public/propostes/pub/pdf/462pub.pdf

En una caldera existen dos sistemas independientes. Uno de los sistemas esta relacionado con el agua y vapor, mientras que el otro sistema lo forma el conjunto de combustibles, aire y gases provenientes de la combustión. Mediante el primer sistema se introduce agua a la caldera y después de recibir calor proveniente del segundo se transforma en vapor, el cual abandona la caldera como vapor de agua. La combustión resultante del segundo sistema convierte la energía química del combustible en energía calorífica, la cual después se transfiere al agua en la zona de radiación. Los gases provenientes de la combustión abandonan el hogar pasando a través de tubos de agua situados en una zona donde estos tubos no pueden ver la llama, de esta manera el calor se transfiere por convección.

El agua circula dentro de los tubos, los cuales esta conectados entre dos o mas depósitos cilíndricos. En algunas calderas se reemplaza el depósito inferior por un colector. El depósito superior se denomina domo superior y se mantiene aproximadamente con 50 % de nivel de agua. El depósito inferior se mantiene lleno completamente siendo el punto mas bajo de la caldera. Este depósito se suele conocer con el nombre de “Mud Drum” por recoger los lodos que se forman en el proceso de producción de vapor y que son drenados desde este punto.

24

2.4. PARTES DE LA CALDERA

2.4.1. Hogar. Es el espacio en el que se quema el combustible y de donde se parten los productos de la combustión para pasar a la caldera propiamente dicha. En el hogar se convierte energía química de un combustible, en un agente dinámico, el calor.

2.4.2. Domos. Son recipientes de almacenamiento del agua de alimentación y del vapor producido en la caldera.

2.4.3. Equipos recuperadores de calor. Son los que aprovechan el calor que va en los humos, para realizar una función determinada. (Economizador, calentador, recalentador).

2.4.4. Quemadores. Utilizados para quemar combustibles líquidos o gaseosos.

2.4.5. Parrillas. Utilizadas para quemar combustible sólido; se clasifican:

Fijas o estacionarias. Se utilizan en unidades pequeñas y medianas. Estas parrillas son medianas y permiten el paso del aire desde abajo hacia el combustible que descansa sobre la superficie misma.

25

Figura 2. Parrilla Estacionaria

Fuente: PUENTE BECERRA, James. Criterios y métodos fundamentales para el diseño de calderas. Santiago de Cali, 1990. p. 31. Trabajo de grado (Ingeniero mecánico). Universidad Autónoma de Occidente. Facultad Ingenierías.

Viajera. Su uso es casi siempre para quemar carbón en unidades pequeñas y medianas y básicamente es una oruga sin fin, conducida por una catalina motriz, en la cual el combustible esta dentro del hogar, permitiendo durante su funcionamiento el paso del aire de combustión desde abajo.

26

Figura 3. Parrilla Móvil o Viajera


Estacionaria - Volcable. Esta es construida en segmentos o secciones de parrilla, que en determinados intervalos de tiempo son abatibles dejando caer las cenizas al cenicero cada vez que se halla acumulado.

27

Figura 4. Parrilla Estacionaria-Volcable


Hogar ciclón o de lecho fluidizado. Es el utilizado para quemar combustible sólido, a los cuales se ha dividido el tamaño del grano, suspendiéndolo en la atmósfera, tal es el caso del carbón pulverizado.

28

Figura 5. Hogar Ciclón de Lecho Fluidizado

Fuente: Termodinámica aplicada [en línea]. Valladolid: Universidad de Valladolid, 2007. [Consultado 15 Mayo 2007]. Disponible en Internet: http://www.iq.uva.es/termoap/TEMA7_calor.pdf

Stoker. Son caracterizados por la alimentación por gravedad del combustible sobre una parrilla ajustable que controla la altura de la capa de combustible. El método de encendido envuelve la capa de combustible que se mueve a lo largo de la parrilla con aire que entra por debajo de esta misma perpendicular al flujo de combustible.

29

Figura 6. Stoker

Fuente: BABCOCK & WILCOX. Steam: its generation and use. 40 ed. Barberton: McDermott Company, 1992. p. 15-20.

2.4.6. Bomba de alimentación. Es la encargada de mantener la presión de operación dentro de la caldera.

2.4.7. Equipo de tiro. Existen diferentes tipos de tiro:

Tiro natural. Cuando el humo sale de la caldera por si solo gracias a sus propiedades de estado.

Tiro mecánico. Existen tres tipos de tiro mecánico:

Tiro inducido. Se logra con la utilización de un ventilador colocado en la base de la chimenea, dicho ventilador produce vacío en el hogar.

30

Tiro forzado. Los humos son forzados bajo presión por un ventilador que sopla hacia el hogar, esta presión sirve a la vez para propulsar los gases a través de la caldera.

Tiro balanceado. Es una combinación de los anteriores.

2.4.8. Chimenea. Ducto utilizado para descargar productos de la combustión. Debe tener una altura mínima sujeta a la reglamentación local. Se rige por condiciones ambientales y por factores tales como la contaminación, edificaciones cercanas y dirección del viento.

2.4.9. Controles. Existen varios tipos de control en las calderas:

Control de combustión. Se encarga de asegurar el suministro correcto de aire y combustible, para mantener la generación de vapor requerida a la presión establecida.

Control de nivel de agua. Asegurar la entrada de agua en la cantidad adecuada, para que el nivel en el tambor (domo) fluctúe lo mínimo posible. Si el nivel subiera mucho la unidad se inundaría, y si se baja demasiado se puede quemar.

Control de seguridad de la llama. Asegurar que el procedimiento de encendido y apagado de la caldera se haga correctamente sin que se presente incendios ni explosiones. Durante la operación vigilan la presencia de la llama y si esta falla se encarga de que la caldera no sufra daños.

2.5. PRECALENTADORES DE AIRE

Uno de los métodos para la recuperación de calor es la utilización de un precalentador de aire de combustión. El aire pasa a través de este cambiador de calor antes de ser mezclado con el combustible, y dado que la temperatura de los gases es superior a la temperatura del ambiente, se transfiere una cantidad de calor que reduce las perdidas de energía. El calor añadido al aire pasa al hogar, reduciendo el combustible necesario en una cantidad igual, en valor calorífico, al que ha sido transferido el aire. Aproximadamente por cada 25 °C que se eleve la temperatura del aire, se ahorra un 1% de combustible.

31

Los precalentadores de aire, por un lado, enfrían los gases de combustión antes de que salgan a la atmósfera y, por el otro, elevan la temperatura del aire que entra a la caldera para la combustión; de esta forma, aumentan la eficiencia en el quemado del combustible. La corrosión es el principal problema que se presenta al mantener operando eficientemente los precalentadores de aire. El contenido de azufre en algunos combustibles, la humedad en los gases de combustión y el tipo de quemado tienen una gran influencia para que se presente la corrosión.

Las ventajas son:

Aprovechamiento de calor que en otra forma se perdería, lo que significaría aumento del rendimiento de la unidad generadora de vapor.

La combustión es más completa.

Aumenta la producción de la caldera.

Las desventajas son:

Fuertes corrosiones del lado de los gases de la combustión.

La elevación de temperatura facilita la fusión de la escoria. Por esto puede haber problemas en la explotación de ciertos carbones para los cuales la temperatura de fusión (de las cenizas) no se alcanzaría sin el precalentador de aire, y es sobrepasada con el empleo de este aparato.!!!2.6. TIPOS DE PRECALENTADORES

2.6.1. Recuperativo. En el recuperativo, los dos fluidos están separados por una superficie metálica a través de la cual se transmite el calor. Según la forma de estas superficies se subdividen a su vez en precalentadores:

Precalentadores tubulares. Un precalentador de aire tubular está constituido por un haz de tubos, como se indica, encerrado en una cubierta y con uno o más tabiques para obtener la circulación de los fluidos.

Precalentadores de placas. Este tipo de precalentadores está constituido por elementos de chapas de acero, en forma de cajas, dispuestos uno a lado del otro, cada uno de ellos con cubiertas laterales para la entrada y salida de aire con espaciadores interiores y exteriores para mantener la distancia correcta entre

32

placas y los elementos adyacentes y actuar simultáneamente como guías de las corrientes gaseosas.

2.6.2. Regenerativo. En el tipo regenerativo, la superficie es calentada intermitentemente en ambas caras por los humos, y enfriada también intermitentemente en ambas caras, por el aire.

2.7. ECUACIONES

Para el diseño de los precalentadores es necesario utilizar las siguientes ecuaciones:

Para el desarrollo del cálculo del área de transferencia de calor1 se utilizara la siguiente ecuación:

)(* LMTDAUq "

Donde:

)(

)(ln

)()(

'

12

'

21

'

12

'

21

TT

TT

TTTTLMTD

#

#

###"

Hmq

TTCmTCmq

g

pgPg

$"

#"$".

21

..

)(

)/()( sgsg hhhhU %"

1 BABCOCK & WILCOX. Steam: its generation and use. 40 ed. Barberton: McDermott Company, 1992. p. 21-8.

33

2.7.1. Cálculo de combustión. Para realizar el cálculo de combustión es se utilizaran las siguientes ecuaciones2:

&196.0

"m

Donde

m = Relación del peso del aire empleado al peso del aire estrictamente necesario.

& = Contenido de Ácido Carbónico ( ) de los gases secos en relación a la unidad.

2CO

Nitrógeno

mwN )1(42.42 #"

Oxigeno

)1)(1(33.12 ##" mwO

Agua

wwOH %#" )1(585.02

Acido Carbónico

)1(72.12 wCO #"

Peso de los Productos Gaseosos de la Combustión (Pg).

Pg = 5.75 (1- w) m + 1

2 HUGOT, E. Manual de energía para fábricas de azúcar. 2 ed. Chapingo: Editorial Continental. 1963. p. 626 – 627.

34

Donde


w = Humedad de bagazo con relación a la unidad.

Peso de Aire empleado en la combustión por Kg. de Bagazo (Pa).

Pa = 5.75 (1- w) m

Donde



2.7.2. Cálculo de Flujo Másico del Vapor ( ) y del Aire ( ). Para determinar los valores del flujo masico del vapor y del aire se utilizaran las siguientes ecuaciones

vm.

am.

3:

Calor a ser suplido por Kg. de Agua

AAvapor hh #

Perdida de Calor Sensible

' (tmwq .5.0)13.04.1)(1( %##"

Donde



t = Temperatura de los gases a la salida de la caldera.

35

3 Ibíd., p. 906 – 1039.

Calor Disponible por Kg. de Bagazo

36

))6009.5022223721200( # ###" qsAwM v # *+

Donde

A = Ceniza (Ash).


s = Sacarosa.

q = Perdida de calor sensible.

) = Coeficiente de pérdida de calor por inquemados.

* = Coeficiente de pérdida de calor por radiación.

+ = Coeficiente de pérdida de calor por combustión incompleta.

Peso de Vapor Suplido por Kg. de Bagazo Quemado

CSA

CDB

Donde

CDB = Calor Disponible por Kg. de Bagazo.

CSA = Calor a Ser Suplido por Kg. de Agua.

Peso Total de Bagazo para ser Quemado (B)

PVSBQ

CGCB "

Donde

CGC = Capacidad de Generación Caldera.

PVSBQ = Peso de Vapor Suplido por Kg. de Bagazo Quemado.

Flujo Másico de Aire

37

))(( BPama ".

Donde

Pa = Peso de Aire empleado en la combustión por Kg. de Bagazo.

B = Peso Total de Bagazo para ser Quemado.

Rata de Transferencia de Calor Total

)( 12

.

TTCpmq a #"

Donde T1 y T2 son las temperaturas a la entrada y salida del precalentador respectivamente.

Flujo Másico de Vapor

hmq v $".

2.7.3. Cálculo de eficiencia de la Caldera.

Figura 7. Método BTU


38

2.7.4. Cálculo de número de tubos y filas del precalentador. Para realizar el cálculo del número de tubos y filas del precalentador es necesario usar las siguientes ecuaciones4:

Velocidad en sección vacía del ducto

A

mV

.

.

0 ,"

Ecuación Número de Reynolds

v

DVD

__

Re "

Velocidad de masa del fluido

DS

S

V

V

T

T

)4/(0

__

-#"

Donde es el paso transversal TS

Numero de Nusselt para la primera fila de tubos

' ( 4/13/2

3/12/11__

Pr)/4.0(1

PrRe62.03.0

%%" D

DuN

Paso transversal adimensional

D

SP T

T "

39

4 MILLS, Anthony F. Transferencia de calor. 3 ed. Los Ángeles: McGraw Hill, 1997. p. 331 – 332.

Factor de arreglo

T

ALTERNADOP3

1%".2

Numero de Nusselt promedio para un precalentador de menos de 10 filas

1______ )1(1DD Nu

N

NNu

.#%"

Coeficiente de calor por convección

D

kNuh D

c

_____

"

Efectividad

ENTS

ENTSAL

TT

TT

#

#"/

Numero de unidades de transferencia de calor

/#"

1

1lnNut

Área de transferencia de calor

__

.

.

__

c

c

h

CpmNutA

Cpm

AhNut

"

"

40

Numero de Filas

TS

W

Donde W es el ancho del ducto.

2.7.5. Cálculo de caída de presión. El cálculo de caída de presión se calcula mediante la siguiente ecuación5:

2

35 1010*76.1

46030)( 0

1

234

501

234

5 %01

234

5"$ ad

GT

BfNFP

Donde

.f = Factor de fricción para Bancos de tubos en línea

N = Número de filas

dF = Factor corriente de pérdida de profundidad

B = Presión barométrica

T = Temperatura

aG = Flujo de aire

2.7.6. Cálculo de caída de temperatura en el haz de tubos. Para determinar la caída de temperatura en el haz de tubos es necesario utilizar las siguientes ecuaciones6:

Área

rLA .2-"

5 BABCOCK & WILCOX, Op. cit., p. 21-18.

41

7 YUNUS, Çengel. Transferencia de calor. 4 ed. Chabacano: McGraw Hill, 2004. p. 146 – 151.

Resistencia térmica convección

42

hARconv

1"

Resistencia térmica conducción

kL

rrR

.2

)/ln( 12

-"

Velocidad de transferencia de calor

TOTR

TTQ 21

.66 #

"

2.7.7. Cálculo de aletas en los tubos. El cálculo del número de aletas necesarias por tubo se calcula mediante las siguientes ecuaciones7:

Longitud de la aleta

7 8tuboaleta DDL #"2

1

Área total de aletas en los tubos

aletastubosTotal AreaAreaArea %"

7 Ibíd., 156 - 159 p.

43

Área de la aleta

trrrA aletatuboaletaaleta ..2)(2 22 -- %#"

Área de aletas por tubo

tuboaletasNAA aletatuboaletas /º*/ "

Área total de las aletas (comprobada)

tubosdetotalNAArea tuboaletascomprobadaaletas ..º*/"#

3. ANTECEDENTES

El Valle del Cauca es uno de los departamentos del estado Colombiano con un alto desarrollo industrial debido a que en el están ubicadas empresas de transformación de procesos entre las cuales se destacan la industria papelera, la industria azucarera y hoy por hoy la del alcohol carburante.

Tanto la industria papelera como la azucarera necesitan generar vapor para poder llevar a cabo la transformación de su producto final. En estas fábricas, específicamente en las calderas se han implementado los precalentadores de aire, logrando con esto elevar la eficiencia de estas mismas. Este es el caso de Ingenios como Providencia y aun el mismo Castilla Industrial S.A. entre otros.

El Ingenio Castilla Industrial S.A. utiliza dos calderas para la producción de vapor, una de ellas, la Caldera DZ, posee precalentadores en las tomas de aire primario y secundario, esta caldera es de fabricación Brasilera y fue puesta en operación en el año de 1997. Vale la pena mencionar que el diseño de la caldera incluía los precalentadores, lo cual permite concluir que el uso de precalentadores en las calderas hoy por hoy es casi obligatorio si se quiere tener una alta eficiencia tanto en la caldera como en la fabrica. El uso de los precalentadores en la Caldera DZ marca diferencia cuando se encuentra en operación respecto de la Caldera 5 y es por esta razón que se desea implementar el uso de los precalentadores en esta caldera.

Por otro lado, Ingenios centroamericanos, como el Pantaleón, Madre Tierra, La Unión, Santa Ana entre otros, radicados en Guatemala también utilizan los precalentadores de aire en sus calderas, cabe anotar que los ingenios Guatemaltecos son líderes en Latinoamérica en cuanto se refiere a economía energética y cogeneración.

44

4. OBJETIVOS

4.1. OBJETIVO GENERAL

Realizar el cálculo de los precalentadores del aire primario y secundario de la caldera 5 del Ingenio Castilla Industrial S.A. utilizando los conceptos de eficiencia energética para lograr un ahorro tanto térmico como económico en la planta.

4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Determinar el área de transferencia de calor en los ductos de los ventiladores. Con este cálculo se pretende conocer el tipo de flujo que pasa por allí para poder cuantificar el número de tubos que debe tener el precalentador en el área específica del ducto de cada ventilador mediante las fuentes bibliograficas citadas.

Mediante un análisis de combustión determinar la cantidad de aire que la caldera necesita para que esta se desarrolle eficientemente.

Realizar un balance de eficiencia en la caldera y de esta manera poder realizar un análisis comparativo con los datos existentes en la empresa determinando así cuanto asciende la eficiencia y a su vez poder cuantificar cuanta cantidad de bagazo se ahorra.

45

5. JUSTIFICACIÓN

Las calderas son maquinas térmicas que producen vapor, son muy utilizadas en los procesos industriales que utilizan energía térmica, en este caso un Ingenio Azucarero.

Con la realización de este proyecto se podrá empezar a dar cumplimiento a las metas propuestas por los directivos del Ingenio puesto que la eficiencia de la caldera tendría un aumento, lo cual representa un ahorro en el consumo de combustible puesto que la caldera seguiría trabajando para las mismas condiciones de operación consumiendo menos bagazo, aumentado así la eficiencia energética en la fabrica.

Para los directivos del Ingenio es de suma importancia ser los mas eficientes energéticamente a nivel nacional e internacional ya que los mercados hoy por hoy son mucho mas exigentes, de esta manera las empresas deben tratar de producir mas azúcar (en este caso) a un menor precio, convirtiéndose en empresas competitivas y así poder abrirse paso en los mercados internacionales.

Por otro lado el desarrollo del proyecto hace un gran aporte a la comunidad universitaria que se interesa en esta importante área de la Ingeniería Mecánica, ya que los cálculos desarrollados en el proyecto aportarían una base sólida en cuanto se refiere a concepto y análisis de una maquina térmica en la realidad, puesto que en la teoría se parte de muchas suposiciones y en ocasiones se toman situaciones o casos ideales lo cual en la industria y en la realidad es totalmente diferente.

46

6. METODOLOGÍA

6.1. CÁLCULO MEDIA LOGARÍTMICA DE LAS DIFERENCIAS DE TEMPERATURA (LMTD)

El precalentador de aire es un aparato de intercambio de calor, a través del cual se pasa el aire que es calentado por medios cuya temperatura es mayor, tales como los productos que proceden de la combustión, o por medio de vapor. Se le utiliza para la recuperación de calor de los gases de escape en una unidad generadora de vapor.

El precalentador de aire se compone en lo esencial, de una superficie de intercambio de calor instalada en el curso de la corriente de vapor (para este caso particular el precalentador utilizara vapor de baja presión para su funcionamiento). El aire para la combustión es calentado por el vapor, al ser empujado a través del precalentador por medio de un ventilador de tiro forzado.

Para la realización de un cálculo de intercambiador de calor, en este caso, un precalentador de aire con vapor, se debe tomar la condición de operación promedio de la caldera para los datos de temperatura del aire.

La temperatura promedio alrededor de la caldera es de 25 °C y la temperatura a la cual se quiere elevar el aire que entra a la caldera es de 60 °C. Este valor de temperatura se supone basándose en la opinión de expertos en el tema y por supuesto en los libros8, los cuáles recomiendan una temperatura de 56 ºC a la salida del precalentador en calderas que utilicen carbón en su proceso de combustión, en este caso se asume 60 ºC, ya que el combustible que alimenta la caldera es bagazo húmedo.

El precalentador funcionara con vapor de baja presión (o vapor escape) a una presión de 25 PSI y 135 °C de temperatura. Estos valores son tomados de la tubería de vapor escape que va hacia el área de elaboración.

47

8 SHIELD, Carl D. Calderas Tipos, características y sus funciones. 4 ed. México D.F.: Casa Editorial, 1965. p. 366.

Para determinar la temperatura de entrada y salida del vapor en el precalentador es necesario referirnos a los conceptos termodinámicos:

Figura 8. Diagrama de Mollier

48

Como se puede observar en el diagrama de Mollier (Figura 8), el área azul es mucho más grande que el área roja, lo cual quiere decir que hay una mayor transferencia de energía calorífica, es por esto que la temperatura de entrada y salida adecuada para el precalentador es la temperatura de evaporización (130.45 °C).

En el caso de los intercambiadores de calor que son calentados por vapor, la temperatura del medio de calentamiento permanece prácticamente constante.

Figura 9. LMTD en intercambiadores de calor calentados por vapor

Fuente: HUGOT, E. Manual de energía para fábricas de azúcar. 2 ed. Chapingo: Editorial Continental, 1963. p. 73.

La LMTD se obtiene como sigue:

Tabla 1. Tabla de Datos

Temperatura °C ºFVapor (Tv) 130.45 266.81Ambiente (T1) 25 77Entrada aire caldera (T2) 60 140

La formula para el cálculo de la media logarítmica de las diferencias de temperatura es:

01

234

5##

###"

001

2334

5

#

#

###"

FF

FF

FFFFLMTD

TT

TT

TTTTLMTD

v

v

vv

º140º81.266

º77º81.266ln

)º140º81.266()º77º81.266(

ln

)()(

2

1

21

LMTD = 156.20 ºF

49

El paso a seguir en el cálculo del precalentador es determinar el flujo másico de aire total que entra a la caldera y también el flujo másico de vapor que necesitaran los precalentadores para su correcto funcionamiento.

Por esta razón es necesario calcular la composición de los gases de combustión de la caldera.

6.2. COMPOSICIÓN DE LOS GASES

Es importante tener en cuenta que la combustión de las calderas bagaceras y las carboneras tiene una gran diferencia, la caldera 5 del Ingenio Castilla Industrial S.A. tiene como combustible el bagazo que sale del área de molinos. Por esta razón, para este cálculo de combustión se tomó como referencia el método del libro9 Manual para Ingenieros Azucareros de E. HUGOT.

Para determinar la composición de los gases en la caldera es importante conocer algunas variables importantes para el cálculo:

& = Contenido de Ácido Carbónico ( ) de los gases secos en relación a la unidad.

2CO



El contenido de en los gases varia entre 12 y 19.6 % de esta manera se asume un valor del 15 % para la realización de este calculo. La humedad del bagazo es un dato conocido en la fábrica, el cual es proporcionado por el laboratorio.

2CO

La humedad del bagazo tiene un valor del 51 %. Este es un dato histórico de los últimos seis meses, aunque cabe anotar que el dato de humedad del bagazo es un dato que se registra cada hora y depende prácticamente de dos variables: la

9 BABCOCK & WILCOX, Op. Cit., p. 21-8.

50

primera es el estado de los molinos ya que si estos no tienen un buen ajuste no habrá una buena extracción, por lo tanto el bagazo que sale a las calderas tendrá un alto porcentaje de humedad; y la segunda variable es la maceración, cuyo valor es el 0.25 % por tonelada de caña. El valor de la maceración no puede ser muy alto puesto que el bagazo quedaría muy húmedo para la combustión en las calderas, y no puede ser muy bajo porque no se cumpliría el objetivo de la maceración que es el de extraer la sacarosa. Este valor varía entre el 48 y el 55 % de humedad.

Por otro lado la relación del peso de aire empleado al estrictamente necesario (m) se puede calcular de dos formas:

Mediante la siguiente formula

0126.0196.0

%"&

m

Como el segundo término es muy pequeño respecto del primero, podemos despreciarlo; así pues la ecuación queda replanteada de esta forma:

&196.0

"m

De esta manera podemos calcular (m):

3.1

15.0

196.0

"

"

m

m

La otra manera de calcular (m) es mediante la siguiente forma:

51

Figura 10. Relación entre el Contenido de de los Gases de la Chimeneay el Exceso de Aire.

2CO

Fuente: HUGOT, E. Manual de energía para fábricas de azúcar. 2 ed. Chapingo: Editorial Continental, 1963. p. 627.

Como se puede apreciar en la Figura 10, a un valor determinado de le corresponde un valor determinado del exceso de aire. Con lo cual se puede corroborar los valores obtenidos mediante la formula anteriormente mencionada.

2CO

Después de conocer y calcular los valores de las variables se procede a calcular la composición de los gases, con exceso de aire del 30 % y una humedad del bagazo del 51%:

m = 1.3

w = 51 %

6.2.1. Nitrógeno.

KgN

N

mwN

830.2

3.1)51.01(42.4

)1(42.4

2

2

2

"

#"

#"

6.2.2. Oxigeno.

KgO

O

mwO

200.0

)13.1)(51.01(33.1

)1)(1(33.1

2

2

2

"

##"

##"

52

2O derivado del aire 1.330(1-w) m 1.330(1-0.51)1.3 = 0.847 Kg.

2O derivado del bagazo 0.440(1-w) 0.440(1-0.51) = 0.215 Kg.

- para formar agua 0.520(1-w) 2O

0.520(1-0.51) = -0.254 Kg.

- para formar -1.250(1-w) 2O 2CO

-1.250(1-0.51) = -0.612 Kg. ___________ 0.200 Kg.

6.2.3. Agua.

.797.0

51.0)51.01(585.0

)1(585.0

2

2

2

KgOH

OH

wwOH

"

%#"

%#"

6.2.4. Ácido Carbónico.

.843.0

)51.01(72.1

)1(72.1

2

2

2

KgCO

CO

wCO

"

#"

#"

En este momento se han calculado los pesos individuales de los gases, para saber sus porcentajes es necesario calcular una variable llamada Peso de los Productos Gaseosos de la Combustión (Pg).

53

6.2.5. Peso de los Productos Gaseosos de la Combustión (Pg).

Pg = 5.75(1- w) m + 1 Pg = 5.75 (1- 0.51) 1.3 +1

Pg = 4.68 Kg.

Después de calcular esta variable se procede a dividir cada uno de los componentes entre Pg y de esta manera se calculan los porcentajes de cada uno de los elementos anteriormente calculados.


Elemento Operación %(3.032 Kg.)/ (4.68 Kg.) 60.45

2N

(0.261 Kg.)/ (4.68 Kg.) 4.272O

(0.797 Kg.)/ (4.68Kg.) 17.02OH 2

(0.843 Kg.)/ (4.68 Kg.) 18.002CO

CO

54

0.26Total 100

Analizando los porcentajes obtenidos en la Tabla 2, se puede concluir que la composición de los gases es apropiada para la combustión de la caldera ya que el Oxigeno se encuentra en un 4.27 % lo cual es normal en la combustión de calderas bagaceras, cuyo rango oscila entre el 4 y el 5 %; de esta forma se puede calcular el Peso de Aire empleado en la combustión por Kg. de Bagazo (Pa).

6.2.6. Peso de Aire empleado por Kg. de Bagazo (Pa).

Pa = 5.75 (1- w) m Pa = 5.75 (1- 0.51) 1.4

Pa = 3.68 Kg. Aire/Kg. Bagazo

De esta manera se determina la cantidad de aire que se necesita por Kg. de Bagazo.

Este dato es muy importante para la determinación del flujo másico de aire.

6.3. DETERMINACIÓN DEL FLUJO MÁSICO DE VAPOR ( ) Y AIRE ( )vm.

am.

Para la determinación del flujo másico del vapor y del aire de la caldera es necesario tomar algunos datos de operación, y a partir de estos, poder encontrar las variables ya mencionadas.

Los datos necesarios para la realización de este cálculo se citan a continuación:


55

2cmDatos PSI Kg./Presión de Trabajo 380 26

°C °FTemp. Agua Alimentación 128 262,4Temp. Super heater 288 550Temp. Gas Salida Caldera 200 392Coeficientes Perdidas de Calor RangosInquemado ) 0,975 0,99Radiación * 0,975 0,99 - 0,95 Combustión Incompleta + 0,97 0,80 - 0,99

Los coeficientes de perdidas de calor tienen un rango respectivo, los valores de cada uno de los coeficientes deben estar dentro de estos valores, ahora bien, los valores que se describen en la Tabla 3 son relativamente altos debido a que se esta calculando el precalentador asumiendo situaciones de operación un tanto criticas para tener un margen de seguridad en el precalentador cuando este se encuentre en operación.

En primera instancia se procede a determinar:

6.3.1. Calor total en vapor.

Presión de Trabajo: 380 PSI

Temperatura Super heater: 550 F

Por medio de tablas termodinámicas: h = 1278 Btu / lb.

6.3.2. Calor total en Agua de Alimentación.

Temperatura Agua Alimentación: 262.4 F

Por medio de tablas termodinámicas: h = 231.22 Btu / lb.

6.3.3. Calor a ser suplido por Kg. de Agua.

(1278 Btu / lb.) – (231.22 Btu / lb.) = 1064.78 Btu / lb.

6.3.4. Perdida de Calor Sensible.

m = 1.3

w = 51 %

t = 200 °C

! ! !

KgKcalq

q

q

tmwq

/53.266

2005.0)83.1*49.0(

2005.0)13.03.1*4.1)(51.01(

.5.0)13.04.1)(1(

"

#"

#$$"

#$$"

lbBtulb

Kg

Kcal

Btu

Kg

Kcal/76.479

1

4535924.0*

1

968321.3*53.266 "

6.3.5. Calor Disponible por Kg. de Bagazo. La sacarosa es una de las variables que se necesita para este caso particular, este también es un dato conocido en la planta y el cual es proporcionado por el laboratorio. Este dato al igual que la humedad depende de la maceración y se registra su valor cada dos horas. Este valor varía entre el 1.5 y el 2 %. Para el caso de la fábrica la sacarosa varía entre los valores anteriormente establecidos, pero para este cálculo se asumirá un valor

56

del 2% siendo este un dato un tanto crítico para la operación general de la caldera. Una vez más se reitera que se asumen datos críticos, asumiendo que en algún momento la caldera estará en estas situaciones y el precalentador tendrá que ser exigido.

s = 2%

w = 51 %

% & !% & !% &

lbBtuM

M

M

qSAwM

qsAwM

v

v

v

v

v

/46.2361

)97.0*795.0*795.0(60076.47957.3627

)97.0*975.0*975.0(60076.479)43.0()2(9.50)59.2(222)51(23721200

)97.0*975.0*975.0(600)43.0(9.5022223721200

)6009.5022223721200(

"

$$"

$$$$$"

$$$$$"

$$$$$" '()

Si se analiza detenidamente la formula, se puede apreciar que aparece un valor de 0.43, este valor es un factor de conversión, para pasar de Kcal. /Kg. a Btu/lb.

6.3.6. Peso de Vapor Suplido por Kg. de Bagazo Quemado.

26.2/78.1046

/46.2361"

lbBtu

lbBtu

6.3.7. Peso Total de Bagazo para ser Quemado.

La capacidad de generación de la caldera es 150000 lb. /h lo cual equivale a 68038.86 Kg. /h

hKghKg

B /99.3015926.2

/86.68038""

De esta manera se obtiene el flujo másico de combustible apropiado para la combustión.

57

Ahora bien, conociendo el flujo másico de combustible y el peso del aire empleado por Kg. de bagazo se puede calcular el flujo másico de aire total que entra a la caldera, de la manera siguiente:

Pa = 3.68 Kg. Aire/Kg. Bagazo

B = 30159.99 Kg. Bagazo/h

h

KgAirem

h

KgBagazo

KgBagazo

KgAirem

a

a

01.111035

99.30159*68.3

.

.

"

*+

,-.

/**+

,--.

/"

h

lbAire

Kg

lb

h

KgAire00.244790

1

20462.2*01.111035 "

6.3.8. Flujo Másico de Aire ( ) = 244790 lb. /h. am.

Una vez obtenido el flujo másico de aire se puede determinar la rata de transferencia de calor por medio de la siguiente ecuación:

)( 12

.

TTCpmq a $"

El Calor Especifico del aire a presión constante se determina promediando las temperaturas 1 y 2, de esta manera:

T1= 77 ºF

T2=140 ºF

Tprom = 108.5 ºF El calor específico Cp se obtiene de tablas tomando como referencia la Tprom:

Cp= 0.2405 Btu/lb. ºF

58

hBtuq

FFlbFBtuhlbq

/3708936

)º77º140)(/2405.0)(/00.244790(

"

$"

6.3.9. Rata de Transferencia de Calor Total (q) = 3708936 Btu/h.

Conociendo la rata de transferencia de calor se puede determinar el flujo másico de vapor total que necesitan los precalentadores, este cálculo se puede determinar mediante la siguiente formula:

hmq v 0".

Para realizar este cálculo es necesario conocer la entalpía de vaporización del vapor ( ), esta se determina mediante tablas a una presión de 25 PSI; tal valor

es registrado en el PLC que monitorea la línea de vapor escape en la fábrica. fgh

lbBtuh fg /96.933"

De la formula anterior se despeja el flujo másico de vapor total ( ) y se procede a calcular:

vm.

hlbm

lbBtu

hBtum

h

qm

v

v

v

/19.3971

/96.933

/3708936

.

.

.

"

"

0"

6.3.10. Flujo Másico de Vapor Total ( ) = 3971.19 lb. /h. vm.

59

6.4. MÉTODO BTU

Ver figura 7

60

Como se puede apreciar, se ha retomado la Figura 7, con el Método BTU se puede determinar los cálculos de combustión, eficiencia y parámetros de desempeño de la caldera.

Para la realización de este calculo, el Método BTU se utilizo básicamente para determinar la eficiencia de la caldera.

La figura 7 arriba mostrada, permite que se pueda interpretar la forma en que se debe desarrollar cada uno de los cálculos para determinar la eficiencia y los otros parámetros allí mostrados.

Tabla 4. Condiciones de Entrada Caldera

Para una mejor comprensión del método se procederá a explicar como se realizaron los cálculos, para esto se dividirá la tabla de la Figura 7 en partes, y de esta manera lograr tener una mejor comprensión de los datos.

Como se puede observar en la parte derecha de la Tabla 4 aparecen las condiciones de entrada de combustible y aire de la caldera.

Como primera instancia es necesario determinar el exceso de aire con el que trabaja o trabajara la caldera, en este caso particular, el exceso de aire tiene un valor del 30%.

61

La Temperatura de Referencia hace alusión a la temperatura del medio ambiente en el que se encuentra la caldera que para este caso es 25 ºC; la Temperatura de Entrada del Aire es la temperatura a la que sale del precalentador la cual se estima en 60 ºC. La temperatura del combustible, es la temperatura a la cual se encuentra el bagazo al ingresar a la caldera. La Temperatura de Salida de los Gases es la temperatura a la cual salen los gases de la caldera, este es un dato que se monitorea constantemente en el PLC de la caldera.

La humedad del Aire es un valor que se puede determinar con la Carta Psicométrica (Ver Anexo B) y que para el lugar donde se encuentra la caldera tiene un valor de 0.013 lb. /lb. aire seco. Los datos de humedad adicional y Residuos a la Salida de la caldera se estiman como cero, debido a que estas variables se toman en cuenta más que todo cuando el combustible utilizado es carbón.

La variable llamada Producción se determina de la siguiente manera: La caldera produce 150000 lb. /h de vapor Vivo o Sobrecalentado a una presión de 380 PSI y temperatura de 288 ºC. Con estos valores de presión y temperatura se puede determinar la entalpía del vapor la cual tiene un valor de 1278 Btu/lb.

El agua de alimentación de la caldera tiene una temperatura de 128 ºC; con esta temperatura se puede determinar el valor de la entalpía del agua que tiene un valor de 231.22 Btu/lb.

Al tener los datos necesarios, se puede utilizar la siguiente formula para hallar el valor de producción citado en la Tabla 4:

hBtuoducción

lbBtulbBtuhlboducción

hhmoducción avv

/157017000Pr

)/22.231/1278(*/150000Pr

)(*Pr.

"

$"

$"

Pero la Tabla 4 dice que es por 1.000.000 Btu/h, así pues, el resultado queda como:

Producción = 157.017 Btu/h.

62

Analizando detenidamente la Figura 7 se puede observar una casilla que dice Corrections for Sorbent ubicada entre los ítems 10 y 11, debajo de esta casilla aparecen otras variables mas (ítems 11 al 14), estas variables no se tienen en cuenta en este cálculo porque se utilizan más que todo cuando el combustible utilizado es carbón.

Por otro lado es importante tener en cuenta un elemento importante en este cálculo como lo es el combustible.

El análisis básico del combustible es la composición química de este mismo, estos valores se pueden encontrar en Laboratorio de Fabrica del Ingenio; de esta manera se obtiene cada uno de los valores de los elementos que componen el combustible, en este caso Bagazo en base húmeda, ya que cuando este sale del molino sale húmedo y no totalmente seco.

De esta manera se puede determinar el Aire Teórico en el combustible y la cantidad de Agua en el combustible de una forma muy sencilla.

Solo se debe multiplicar el peso de cada elemento por la constante indicada K1 y K2 respectivamente como indica la Tabla 4 y de esta manera se puede conocer el peso de Aire Teórico en el combustible como también el peso de Agua en el combustible.

Hay un dato muy importante y es el Poder Calorífico del Combustible (HHV), el cual se determina mediante una formula10 sencilla la cual involucra los valores de humedad del bagazo (w), ceniza (Ash = A) y azufre (S). La formula es la siguiente:

% &% &

Kg

KcalHHV

HHV

SAwHHV

053.8537

)019.0*9.50()59.2*222()51*237(21200

9.5022223721200

"

$$$"

$$$"

Debido a que la tabla del Método BTU maneja el Sistema Ingles se procede a convertir las unidades a dicho sistema.

63

10 CARVAJAL, Arbey. Estmation of the heating value of bagasse blended with different quantities of trash as a biomasa fuel. Pradera, 2007. 1 Archivo de computador.

lb

BtuHHV

lb

Kg

Kcal

Btu

Kg

Kcal

27.3670

1

4535924.0*

1

9478171.0*053.8537

"

Las perdidas por inquemados es un dato que varia según el tipo de combustible que se este utilizando en un momento dado en la caldera. Para el bagazo las perdidas por inquemados oscilan entre el 2.5 y 3 %, para este calculo se asume un valor de 3%.

Para entender el concepto del Aire Teórico es importante tener en cuenta el concepto.

El aire de la combustión es el aire total necesario para que el combustible se queme en el horno. Es la suma entre el Aire Teórico y el exceso de aire. El Aire Teórico es la mínima cantidad de aire necesaria para convertir el carbón, el hidrogeno y el azufre en combustible preciso para los productos de la combustión. Los datos Aire Teórico y Bagazo Inquemado citados en la Tabla 4. se determinan de la manera citada en la Figura 7 ítems 20 y 21.

Hasta esta instancia se ha explicado cual es el origen de varios datos que aparecen en la Figura 7 del Método Btu pero que esta no explica su procedencia. A partir de este momento la Figura 7 explica la procedencia de cada uno de los datos allí suministrados, así que a partir de este momento solo se detallara las modificaciones que se realizaron para el libre desarrollo de este cálculo.

Tabla 5. Cálculos Gases de Combustión Caldera

64

La Tabla 5 hace referencia al cálculo de combustión de la caldera. Todos los datos citados en la Tabla 5 son calculados de la forma en que se cita en Figura 7 a excepción de los ítems 31 y 32 los cuales no se tienen en cuenta debido a que estos dependen de los ítems 12 y 13 de la misma Figura 7 los cuales se omitieron anteriormente.

Tabla 6. Cálculos de Eficiencia Caldera

La Tabla 6 hace referencia al cálculo de eficiencia de la caldera, y los datos citados en ella se calculan de la forma citada en la Figura 7 en los ítems 38 al 53, salvo el ítem 46 el cual se omite por razones anteriormente citadas. Al realizar los cálculos de eficiencia para la caldera con y sin precalentador se puede apreciar una diferencia notable puesto que la eficiencia de la caldera sin precalentador tiene un valor del 65.5%.

Al realizar el calculo de la eficiencia de la caldera con precalentador obtenemos una eficiencia del 66.8%, logrando de esta manera elevar la eficiencia de la caldera en un 1.3%.

Posteriormente se realizará el calculo económico para saber cuanto dinero representa elevar la eficiencia un 1.3%.

65

Tabla 7. Parámetros de Desempeño Caldera

Finalmente la Tabla 7 muestra los Parámetros de Desempeño de la caldera para las condiciones de entrada que se definieron anteriormente. De la misma forma, los datos citados en la Tabla 7 se determinan de la manera en que muestra la Figura 7 en los ítems 54 a 61.

6.5. DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE TUBOS Y FILAS DEL PRECALENTADOR DEL VENTILADOR FORZADO

El flujo a través de un haz de tubos o de un lecho compacto en un intercambiador de calor es un flujo cruzado que presenta características tanto de un flujo interno como de uno externo. El comportamiento global del flujo es interno debido a que esta contenido en una coraza o un conducto, pero el flujo alrededor de un tubo o de un elemento del lecho particular se asemeja a un flujo externo.

El primer paso para empezar a calcular el número de tubos y filas para el precalentador es necesario conocer algunos datos:


Datos ºC KTemperatura Ent. Aire 25 298,15Temperatura Sal. Aire 60 333,15TemperaturaSaturación 130.45 403.6

Presión Entrada atm 1.70Flujo Masico Kg./s 24,67

Área Ducto 2m 3,79

66

Las temperaturas citadas en la Tabla 5 son las temperaturas de entrada y salida del aire antes y después del precalentador.

La temperatura de saturación a 25 PSI (1.70 atm) corresponde a un valor de temperatura de 130.45 ºC.

El valor del flujo másico de aire corresponde al flujo de aire que pasa por el ducto el cual tiene una dimensión de 1.03 m de ancho y 3.68 m de largo.

Figura 11. Sección Transversal Ducto Ventilador Forzado

Por lo cual el área transversal del ducto tiene un valor de .279.3 m

Es importante tener en cuenta que el ventilador forzado es el que introduce el 80% de aire a la caldera, teniendo en cuenta este concepto se puede determinar el flujo másico de aire que pasa por el ducto, multiplicando el flujo másico de aire total que se calculó anteriormente y multiplicarlo por el 80 %.

s

Kg

seg

h

lb

Kg

h

lb

h

lb

h

lb

67.243600

1*

1

4535924.0*195832

19583280.0*244790

"

"

67

Para este precalentador se utilizaran tubos con un diámetro nominal de 3/8 de pulgada (17.10 mm), una longitud de 3.68 m de largo y un paso transversal y longitudinal de 1.9 pulgadas (48.26 mm).

Existen dos tipos de arreglos para la ubicación de los tubos dentro del precalentador, alineado y alternado. En este caso se utilizara el tipo de arreglo alternado ya que con este se logra una mejor transferencia de calor.

Figura 12. Arreglo Alternado

Para calcular la transferencia de calor se evalúan las propiedades del aire a la temperatura media de película basada en la temperatura de las paredes de los tubos así como la media de las temperaturas de masa de aire de entrada y de salida:

KTr 3602

15.33315.2986.403

2

1"*

+

,-.

/ ##"

Con base en esta temperatura se procederá a determinar por medio de tablas del aire (Figura 13) las siguientes variables:

68


Datos Unidades Valor

Conductividad Térmica (k) mKW / 0,0306

Viscosidad cinemática (v) v sm /10* 26$ 21,3

Densidad3/ mKg 0,983

Calor esp. a Presión Cte (Cp) KgKJ / 1007Numero de Prandtl (Pr) 0,69

Figura 13. Tabla del Aire

Fuente: MILLS, Anthony F. Transferencia de calor. 3 ed. Los Ángeles: McGraw Hill, 1997. p. 875.

La velocidad en la sección vacía del ducto es:

69

smV

mmKg

sKgV

A

mV

/62.6

)79.3)(/983.0(

/67.24

.

0

230

.

0

"

"

"1

Ahora se procederá a calcular el número de Reynolds mediante la siguiente formula:

v

DVD

__

Re "

Pero antes es necesario conocer el valor de la velocidad de masa del fluido el cual se puede calcular mediante la siguiente formula:

__

V

DS

S

V

V

T

T

)4/(0

__

2$"

Donde es el Paso Transversal. TS

Se procede a despejar :__

V

smV

mmmm

mmsmV

DS

SVV

T

T

/18.9

)10.17)(4/(26.48

26.48)/62.6(

)4/(

__

__

0

__

"

$"

$"

2

2

De esta manera se puede determinar el número de Reynolds.

70

88.7366Re

/10*3.21

)01710.0)(/18.9(Re

Re

26

__

"

"

"

$

D

D

D

sm

msm

v

DV

Ahora se procede a calcular el número de Nusselt para la primera fila de tubos.

Para la selección de esta formula es necesario conocer los Número de Reynolds y de Prandtl, ya que esta formula solo sirve para Reynolds < 10000 y Prandtl > 0.5.

Analizando el valor del número de Reynolds obtenido y el valor del número de Prandtl obtenido mediante la tabla del aire (Figura 13), se concluye que la formula es correcta para el desarrollo de este calculo.

!

!51.41

)69.0/4.0(1

)69.0()88.7366(62.03.0

Pr)/4.0(1

PrRe62.03.0

1__

4/13/2

3/12/11__

4/13/2

3/12/11__

"

##"

##"

D

D

DD

uN

uN

uN

Se parte de la suposición que se necesitan menos de 10 filas en el precalentador. Primeramente es necesario determinar el paso transversal adimensional:

82.2

10.17

26.48

"

"

"

T

T

TT

P

mm

mmP

D

SP

Como se convino anteriormente, el precalentador tendrá el haz de tubos en arreglo alternado o también definido como tres bolillos.

71

A continuación se procede a determinar el factor de arreglo para este caso:

72

T

ALTERNADOP3

21#"3

24.1

)82.2)(3(

21

"3

#"3

ALTERNADO

ALTERNADO

En un haz de tubos el coeficiente de transferencia de calor va en aumento desde la primera fila hasta alrededor de la quinta. El número de Nusselt promedio en un haz de tubos con menos de 10 filas se puede calcular a partir de la relación:

1______ )1(1DD Nu

N

NNu

3$#"

Donde N es el número de filas.

05.48

51.413

24.1)13(1

___

___

"

$#"

D

D

Nu

Nu

Determinando el número de Nusselt promedio se pude determinar el coeficiente de calor por convección:

Km

Wh

m

mKWh

D

kNuh

c

c

Dc

2

__

__

_____

98.85

01710.0

)/0306.0)(05.48(

"

"

"

Como la temperatura de las paredes de los tubos es constante por todo el haz, este calentador es un intercambiador de una sola corriente, por lo que podemos determinar la efectividad de la siguiente forma:

73

3319.0

15.2986.403

15.29815.333

$$

"

$

$"

4

ENTS TT4 ENTSAL TT

4 "

Por lo tanto, el número de unidades de transferencia necesario es:

4033.0

3319.01

1ln

1

1ln

"$

"

$"

Nut

Nut

Nut4

El área de transferencia necesaria es entonces:

2

2

__

.

.

__

55.116

/98.85

)/983.0)(/67.24)(4033.0(

4033.0

mA

KmW

KgKJsKgA

h

CpmA

Cpm

AhNut

c

c

"

"

"

"

Por ultimo se puede determinar el número tubos por fila mediante la siguiente formula:

2134.2104826.0

03.15""

m

m

S

W

T


6.6. CÁLCULO DEL ÁREA DE TRANSFERENCIA DE CALOR DEL PRECALENTADOR DEL VENTILADOR FORZADO.

Para realizar el cálculo del área de transferencia de calor que necesita el precalentador es preciso como primera medida determinar el diámetro del tubo que estará en el cabezal del precalentador.

Para esto es necesario conocer algunos datos que se citaran a continuación.

El precalentador utilizara Vapor Escape o de Baja Presión para calentar el aire que requiere la caldera a una presión de 25 PSI; la densidad del vapor para esta presión es de 0.09463 .3/ ftlb

Como ya se había dicho, el ventilador forzado introduce a la caldera el 80% del aire que esta requiere para su funcionamiento. Se sabe que la caldera necesita un flujo total de aire de 244790 lb. /h, de esta manera se puede calcular la cantidad de flujo de aire que introduce el ventilador forzado a la caldera multiplicando el flujo total del aire por el 80%

Flujo de Aire Ventilador Forzado = 195832 lb. /h

Por otro lado es necesario conocer la rata de transferencia de calor que necesitara el precalentador, la cual se puede calcular mediante la siguiente formula:

)(.

FCAireVF TTCpmq $"

74

AireVFm.

Donde es la temperatura del medio ambiente (25 ºC o 77 ºF), es la

temperatura a la salida del precalentador (60 ºC o 140 ºF) y es el flujo másico de aire que pasa por el ventilador forzado.

FT CT

hBtuq

FFFlbBtuhlbq

/57.2967148

)º77º140)(º/2405.0)(/195832(

"

$"

Habiendo determinado la rata de transferencia de calor, se puede calcular el flujo másico de vapor que necesitará el precalentador, y se puede calcular mediante la siguiente formula:

hlbm

lbBtu

hBtum

h

qm

hmq

Vapor

Vapor

Vapor

Vapor

/95.3176

/96.933

/57.2967148

.

.

.

.

"

"

0"

0"

Como el precalentador tiene una perdida estimada del 5% entonces se divide el valor obtenido por el 95% y se obtiene el vapor total del flujo másico del vapor para el precalentador del ventilador forzado.

hlbm

m

Vapor

Vapor

/16.3344

95.0

95.3176

.

.

"

"

Conociendo el flujo másico del vapor y el valor de la densidad del vapor para una presión de 25 PSI, se puede determinar el caudal de vapor que necesario para el precalentador.

hftQ

ftlb

hlbQ

mQ

Qm

Vapor

Vapor

/35.35339

/09463.0

/16.3344

3

3

.

.

"

"

"

"

1

1

75

El manual Spirax – Sarco para sistemas de calentamiento tiene unas velocidades recomendadas las cuales oscilan entre los 4000 y 6000 ft/min., para este cálculo se promedian estas dos velocidades y se obtiene una velocidad promedio de 5000 ft/min. para el vapor.

Figura 14. Velocidad Para Sistemas de calentamiento Spirax-Sarco

Fuente: Design of fluids systems [en línea]. Northpoint Blvd: Spirax – Sarco, 2004. [Consultado 01 junio 2007]. Disponible en Internet: http://www.spiraxsarco.com/us/pdfs/training/hookup.pdf

76

Una vez conocida la velocidad del vapor y conociendo el caudal se procede a determinar el diámetro del tubo del cabezal del precalentador, y este cálculo se puede determinar mediante una formula muy sencilla y conocida como lo es la ecuación de continuidad:

hfth

ft/300000

1

min60*

min5000 "

2

3

1178.0

/300000

/35.35339

ftA

hft

hftA

V

QA

VAQ

"

"

"

"

El área que se acaba de calcular corresponde al área de la sección transversal del tubo, como se conoce el área se puede calcular el diámetro del tubo del cabezal del precalentador:

adaspuftd

ftd

Ad

dA

lg65.43873.0

)1178.0(4

4

4

2

2

5"

"

"

"

2

2

2

Debido a que no es posible encontrar en el comercio un tubo con este valor de diámetro especifico, entonces se escoge un tubo con un diámetro similar que sea comercial, en este caso se escoge un tubo de 4.5 pulgadas de diámetro. De modo que es necesario volver a recalcular el área de la sección transversal para este diámetro y asegurarse de que la velocidad del vapor para este diámetro en la tubería este entre los rangos de la velocidad recomendada por el manual Spirax – Sarco.

77

Área de la sección transversal del tubo corregida:

22

2

2

1104.0lg90.15

4

lg)5.4(

4

.

ftpuA

puA

dA

5"

"

"

2

2

Verificación de la velocidad de calentamiento:

min/12.5333/44.319987

1104.0

/35.353392

3

fthftV

ft

hftV

A

QV

VAQ

5"

"

"

"

Como se puede apreciar la velocidad de calentamiento para el diámetro escogido se encuentra en los rangos anteriormente establecidos.

Para continuar con el objetivo de hallar el área de transferencia de calor para el precalentador es de suma importancia conocer las temperaturas peliculares del aire y del vapor la cuales se determinan a continuación:

Para el vapor.

FTf

FFFTf

LMTDTTTf

V

V

V

º76.227

)º20.156(25.0)º81.266º81.266(5.0

)(25.0)(5.0 21

"

$#"

$#"

78

Para el aire.

FTf

FFFTf

LMTDTTTf

A

A

A

º55.147

)º20.156(25.0)º77º140(5.0

)(25.0)''(5.0 21

"

##"

##"

En análisis anteriores se determinó que el precalentador necesita 3 filas y 21 tubos por fila; el tubo tiene un diámetro nominal de 17.10 mm o 3/8 de pulgada y 3.68 m (144.9 pulg.) de largo. Se hace remembranza de estos datos porque es necesario calcular el área de la sección transversal del haz de tubos, la cual se calcula de la siguiente forma:


Dato mm pulg. ftDiámetro ext. Tubo (Di) 17,10 0,6732 0,0561Diámetro int. Tubo (Do) 15,45 0,6082 0,0507

2

2

2

lg2905.0

4

lg)6082.0(

4

.

puA

puA

dA

"

"

"

2

2

Al área que se acaba de calcular es el área de la sección transversal de un solo tubo calculada con el diámetro interno de este mismo.

Al conocer este dato importante se puede determinar el área de la sección transversal del haz de tubos.

79

2

2

22

2

.

1292.0

lg144

1*lg30.18

)lg2905.0)(21)(3(

))(º)(º(

ftA

pu

ftpuA

puA

AdeTubosNdeFilasNA TransvSecc

"

"

"

"

De esta manera se puede determinar el flujo de vapor por medio de la siguiente formula:

2

2

.

.79.25887

1292.0

/16.3344

fth

lbG

ft

hlbG

A

mG

V

V

V

V

V

"

"

"

Al conocer el flujo de vapor se puede calcular el número de Reynolds:

El se determina mediante la siguiente figura: ReK

Para determinar el es necesario conocer la temperatura pelicular del vapor y

el diámetro del tubo, con estas dos variables se puede determinar el Factor de Propiedades del Vapor.

ReK

80

Figura 15. Factor de Propiedades del Vapor

25.44009Re

.79.25887

.7.1Re

Re

2

2

Re

"

**+

,--.

/**+

,--.

/"

"

fth

lb

lb

fth

GK V


El coeficiente pelicular de transferencia de calor es la suma del coeficiente de transferencia de calor por convección longitudinal de flujo del vapor en el interior del calentador de tubos de aire y un pequeño componente de la radiación de gases en el tubo.

El coeficiente de transferencia de calor por convección del vapor se calcula de

la siguiente manera: cvh

o

iTppl

cvD

DFFhh

'"

81

Antes de realizar el desarrollo de la formula anteriormente planteada es preciso conocer cada una de las variables que la componen y como se calculan.

82

lh' = Factor de velocidad de convección y geometría básico de flujo

longitudinal.

Este factor se puede determinar por medio de la siguiente figura:

Figura 16. Factor de velocidad de convección y geometría básico de flujo longitudinal.

También se puede calcular mediante la siguiente formula:

FfthBtuh

ft

fthlbh

D

Gh

l

l

i

l

º./66.141'

)0507.0(

)./79.25887)(023.0('

023.0'

2

2.0

8.02

2.0

8.0

"

"

"


De acuerdo a la temperatura pelicular del vapor se determinan por medio de tablas las siguientes variables:


Datos Unidades Valores Calor esp. a Presión Cte. (Cp)

(Btu/lb.°F) 0,7852

Conductividad Térmica (k)

(Btu/ft h °F) 0,02625

Viscosidad ( 6 ) (lb./ft h) 0,04033

ppF = Factor Propiedades Físicas del Vapor.

Por medio de la siguiente figura se puede determinar el factor:

83

Figura 17. Factor Propiedades Físicas del Vapor.

También se puede calcular por medio de la siguiente formula:

369.0

)04033.0(

)02625.0()7852.0(4.0

6.04.0

4.0

6.04.0

"

"

"

pp

pp

p

pp

F

F

kCF

6


TF = Factor de Temperatura

Para determinar el factor de temperatura es necesario conocer la temperatura de bulbo húmedo.

84

La temperatura de bulbo húmedo para el lugar donde se encuentra la caldera que es en zona rural del municipio de Pradera Valle, tiene un valor de 21.2 ºC (70.16 ºF).Al igual que los otros factores este también se puede determinar mediante la figura:

Figura 18. Factor de Temperatura

85

Y también mediante la siguiente formula:

390.0

º76.227

º16.708.0

8.0

"

*+

,-.

/"

**+

,--.

/"

T

T

f

bT

F

F

FF

T

TF


Retomando la ecuación:

Ffth

Btuh

pu

puFhftBtuh

D

DFFhh

cv

cv

o

iTppl

cv

º.42.18

lg)6732.0(

lg)6082.0)(390.0)(396.0)(º/66.141(

'

2

2

"

"

"

Existe también un coeficiente de transferencia de calor por radiación .rvh

Pero este coeficiente para este calculo no plica dado que el precalentador no esta sometido a radiación.

Siguiendo con el desarrollo del cálculo se procede a determinar el coeficiente de transferencia de calor por convección del aire .cah

Para calcular el cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección del aire es necesario recordar algunos parámetros definidos anteriormente:


Datos Unidades ValorDistancia entre centros de tubos TS pulg.

1,9

Longitud Tubo pulg. 144,9Área entre Tubos TA 2lgpu 177.76Numero de espacios 22

El área entre tubos es el valor del espacio que hay entre uno y otro tubo. El número de espacios se refiere a que el precalentador tendrá 21 tubos por fila lo cual quiere decir que tendrá 22 espacios por fila. Con estos valores se puede determinar el valor del Área Libre:

2

2

22

2343.1

lg1

006944.0*lg76.177

ftA

pu

ftpuA

T

T

"

"

86

Este valor se multiplica por el número de espacios que tendrá el precalentador por fila.

2

2

58.27

)22)(2343.1(

ftA

ftA

lIBRE

lIBRE

"

"

Así pues, se puede determinar el flujo de aire mediante la siguiente formula:

2

2

.

.61.7100

58.27

/195832

fth

lbG

ft

hlbG

A

mG

a

a

a

a

a

"

"

"

Al conocer el flujo de aire se puede calcular el número de Reynolds:


Para determinar el es necesario conocer la temperatura pelicular del aire y el

diámetro del tubo, con estas dos variables se puede determinar el Factor de Propiedades del Aire.

ReK

87


Como se pudo apreciar anteriormente, se volvió a utilizar la Figura 15, esto se debe a que el factor se halla utilizando la temperatura pelicular, bien sea del aire o del vapor.

16.13491Re

.61.7100

.9.1Re

Re

2

2

Re

"

**+

,--.

/**+

,--.

/"

"

fth

lb

lb

fth

GK a


El coeficiente de transferencia de calor por convección del aire se calcula mediante la siguiente formula:

dappcca FFFhh '"

88

Después de conocer la formula, es preciso conocer las variables que la componen y determinar sus valores.

89

ch' = Factor de velocidad de convección y geometría básico de flujo cruzado.


Figura 19. Factor de velocidad de convección y geometría básico de flujo cruzado


FfthBtuh

ft

fthlbh

D

Gh

c

c

o

c

2

2.0

8.02

39.0

61.0

./28.197'

)0561.0(

)./61.7100)(023.0('

287.0'

"

"

"




Datos Unidades Valores Calor esp. a Presión Cte. (Cp)

(Btu/lb.°F) 0,2406

Conductividad Térmica (k)

(Btu/ft h °F) 0,01661

Viscosidad ( 6 ) (lb./ft h) 0,04968

ppF = Factor Propiedades Físicas del Aire.

El factor se puede determinar mediante la siguiente figura:

90

Figura 20. Factor Propiedades Físicas del Aire


093.0

)04968.0(

)01661.0()2406.0(28.0

67.033.0

28.0

67.033.0

"

"

"

pp

pp

p

pp

F

F

kCF

6


aF = Factor de Arreglo para Bancos de tubos en línea.

En la figura 21 se aprecian dos términos:

0D

l II = Espacio de tubos en dirección del flujo del aire.

91

0D

l7 = Espacio de los tubos transversal al flujo de aire.

Debido a que el precalentador es para flujo cruzado utilizamos el segundo término y el número de Reynolds para determinar el Factor de arreglo .aF

Entonces primordial conocer el valor de 0D

l7 :

7l Es el espacio entre uno y otro tubo, y su valor se determina de forma sencilla.

Como ya se sabe el espacio entre centros de tubos tiene un valor de 1.9 pulgadas y el diámetro exterior del tubo un valor de 0.6732 pulgadas.

Entonces: (1.9 pulg.) – (0.6732 pulg.) = 1.22 pulg. Que seria el valor de .7l

De manera que 82.1lg6732.0

lg2268.1

0

""7

pu

pu

D

l

Debido a que frecuentemente sucede que el valor del número de Reynolds determinado para el aire no aparece precisamente en la tabla es necesario realizar una interpolación para poder determinar el valor del Factor de arreglo.

92

Figura 21. Factor de Arreglo para Bancos de tubos en línea

6.0"aF


93

94

dF = Factor de Transferencia de Calor Profundo.

Al igual que los otros factores también se determina por medio de la siguiente figura:

Figura 22. Factor de Transferencia de Calor Profundo

1"dF


Como se puede apreciar en la figura = 1si el banco de tubos es precedido por

un damper, y efectivamente el precalentador es precedido por el damper del ventilador del Forzado.

dF


FfthBtuh

FfthBtuh

FFFhh

ca

ca

dappcca

º./01.11

)1)(6.0)(093.0)(º./28.197(

'

2

2

"

"

"

Conociendo los valor de los coeficientes de transferencia de calor por convección del vapor y del aire, se procede a determinar el coeficiente de transferencia de calor total U.

95

carvcv

carvcv

hhh

hhhU

##

#"

)(

Debido a que el precalentador no esta expuesto a radiación el término del coeficiente de transferencia de calor por radiación se omite, quedando la formula de la siguiente forma:

FfthBtuU

FfthBtuFfthBtu

FfthBtuFfthBtuU

hh

hhU

cacv

cacv

º./89.6

)º./01.11º./42.18

)º./01.11)(º./42.18(

))((

2

22

22

"

#"

#"

Finalmente se puede determinar el área de transferencia de calor para el precalentador:

22

2

11.25676.2756

)º20.156)(º./89.6(

/57.2967148

)(

)(

mftA

FFfthBtu

hBtuA

LMTDU

qA

LMTDUAq

5"

"

"

"

6.7. CAÍDA DE PRESIÓN PRECALENTADOR VENTILADOR FORZADO

Es muy importante calcular la caída de presión que puede existir en el precalentador, y esta se puede determinar por medio de la siguiente ecuación:

2

35 1010*76.1

46030)( *

+

,-.

/*+

,-.

/ #*+

,-.

/"0 ad

GT

BfNFP

Donde:

.f = Factor de fricción para Bancos de tubos en línea.

Se determina mediante la siguiente figura:

Figura 23. Factor de fricción para Bancos de tubos en línea

En la figura se aprecian dos términos:

0D


0D


96

Como ya se sabe, se escoge el segundo término para determinar el factor de fricción puesto que el precalentador esta siendo calculado para un flujo cruzado.

97


l7 :





lg2268.1

0

""7

pu

pu

D

l

Con este valor y el valor calculado para el número de Reynolds del aire se determina el factor de fricción. Casi en la mayoría de las veces hay que realizar interpolación para poder determinar el valor correcto para el cálculo desarrollado y este caso no fue la excepción.

.f = 0.3


N = Número de filas.

El número de filas para el precalentador es 3. N = 3.

dF = Factor corriente de pérdida de profundidad.

Su valor se determina mediante la siguiente figura:

Figura 24. Factor corriente de pérdida de profundidad

Como se puede apreciar en la Figura 24 hay dos aristas, una es para tubos en línea o paralelo y la otra para tubos escalonados.

Ya es sabido que el arreglo del haz de tubos del precalentador es a tres bolillos o escalonado.

Conociendo el numero de filas, que es tres, solamente se sigue la línea punteada como cita la figura como ejemplo para determinar el valor apropiado para el calculo que se esta realizando.

13.1"dF


98

B = Presión barométrica.

El valor de la presión barométrica es de 30 in Hg. o 1 atm. Es decir que se toma la presión atmosférica dado que el ventilador forzado de la caldera esta tomando el aire del medio ambiente.

T = Temperatura.

Para determinar el valor de esta temperatura es necesario retomar las temperaturas anteriormente planteadas para la entrada y salida del precalentador las cuales tiene un valor de 77 ºF y 140 ºF respectivamente.

Entonces:

99

FT

FFT

TTT

º075.103

2

)º140º77(95.0

2

)(95.0 21 #

"

#"

"

Por ultimo se tiene que es flujo de aire, calculado anteriormente y que tiene un

valor de 7100.61 .aG

/ hftlb 2

Finalmente se puede determinar la caída de presión:

PSIOHinP

P

GT

BfNFP a

d

0060.0..1669.0

10

61.7100

10*76.1

460075.103

30

30)13.1)(3)(3.0(

1010*76.1

46030)(

2

2

35

2

35

5"0

*+

,-.

/*+

,-.

/ #*+

,-.

/"0

*+

,-.

/*+

,-.

/ #*+

,-.

/"0

Este tipo de precalentadores pueden tener una caída de presión hasta de 50 mm de Agua, como se puede apreciar en el resultado este valor equivale a 4.23 mm de Agua.

6.8. CAÍDA DE TEMPERATURA EN EL HAZ DE TUBOS

Antes que nada es preciso dejar claro que el cálculo que se va a desarrollar a continuación es la caída de temperatura en un solo tubo y no para todo el haz. Teniendo claro lo anteriormente planteado es necesario tener en cuenta algunos datos para desarrollar el cálculo:

Como primera medida se necesita conocer los radios externo e interno del tubo.

100

ftr

ftrext

0253.0

0280.0

int "

"

En mucho calentadores e intercambiadores de calor se utilizan tubos de cobre, pero para este caso se utilizaran tubos de acero inoxidable, diámetro nominal 3/8 de pulgada cedula 10S, longitud 12.073 ft y cuyo valor de conductividad térmica

. FfthBtuk º./10 2"

También es necesario conocer la temperatura del vapor dentro del tubo y la

temperatura que rodea el tubo en este caso seria la temperatura ambiente .18T

28T

FT

FT

º77

º81.266

2

1

"

"

8

8

Por supuesto se debe conocer también los valores de los coeficientes de transferencia de calor por convección del vapor y del aire.

FfthBtuh

FfthBtuh

aire

vapor

º./01.11

º./42.18

2

2

"

"

El objetivo al desarrollar este calculo es el de conocer la temperatura en la pared exterior del tubo y de esta manera compararla con la temperatura de la pared interior del mismo.

En primera instancia es necesario calcular el área de la sección transversal del tubo utilizando el radio externo y el interno.

2

1

1278.2

)073.12)(0280.0)()(2(

.2

ftA

ftftA

LrA

ext

ext

ext

"

"

"

2

2

Ahora el área interna.

2

int

int

2int

9223.1

)073.12)(0253.0)()(2(

.2

ftA

ftftA

LrA

"

"

"

2

2

Así pues, se puede proceder a determinar las resistencias térmicas por convección de la siguiente manera:

Resistencia térmica dentro del tubo.

)9223.1)(º./42.18(

1

1

221

int

1

ftFfthBtuR

AhR

conv

vapor

conv

"

"

BtuFhRconv /.º02824.01 "

Resistencia térmica en el tubo.

BtuFhR

ftFfthBtu

ftftR

kL

rrR

Tubo

Tubo

Tubo

/º00013385.0

)073.12)(º./10)()(2(

)0280.0/0253.0ln(

.2

)/ln(

2

12

$"

"

"

2

2

Resistencia térmica fuera del tubo.

101

BtuFhRconv /.º04269.02

ftFfthBtuR

AhR

conv

extaire

conv

)1278.2)(º./01.11(

1

1

222

2

"

"

"

Se determina la Resistencia térmica total.

BtuFhR

BtuFhBtuFhBtuFhR

RRRR

TOT

TOT

convTuboconvTOT

/º07080.0

)/º04269.0()/º00013385.0()/º02824.0(

21

"

#$#"

##"

Ahora se procede a determinar la velocidad de transferencia de calor ..

Q

hBtuQ

BtuFh

FFQ

R

TTQ

TOT

/05.2681

/º07080.0

º77º81.266

.

.

21.

"

$"

$" 88

Finalmente se puede determinar la temperatura de la pared externa del tubo a la que se llamara .2T

102

FT

FFT

TFBtuFhhBtu

BtuFh

TTQ

BtuFhBtuFh

TTQ

kL

rr

Ah

TTQ

vapor

º45.191

º36.75º81.266

º81.266)/º02811.0)(/05.2681(

/º02811.0

)/º00013385.0(/º02824.0

.2

)/ln(1

2

2

2

21.

21.

12

int

21.

"

$"

$"

$"

$#

$"

#

$"

8

8

8

2

Entonces se concluye que la caída de temperatura en todo el tubo es de 75.36 ºF lo cual equivale a 24.09 ºC.

6.9. ALETAS PARA TUBOS PRECALENTADOR VENTILADOR FORZADO

Para determinar el número de aletas que necesita cada tubo del haz, es necesario saber algunos datos respecto de la aleta.


Datos mm mDiámetro Aleta 48,30 0,0483Espesor Aleta 0,4 0,0004Diámetro tubo 17.10 0.01710 Longitud Aleta 0,0156

El diámetro de la aleta es un diámetro nominal que equivale a 1.5 pulgadas, tanto el diámetro como el espesor de la aleta son datos recomendados por expertos para este tipo de intercambiadores de calor.

La longitud de la aleta si se puede determinar por medio de una formula sencilla:

103

% &

mL

mmL

DDL tuboaleta

0156.0

)01710.004830.0(2

1

2

1

"

$"

$"

Al conocer los diámetros tanto del tubo como de la aleta, se pueden determinar los radios respectivos:

mr

mr

tubo

aleta

00855.0

02415.0

"

"

Ahora bien, es necesario conocer el área total de las aletas en los tubos del precalentador.

Esta área se puede determinar fácilmente ya que se conoce el área total de los tubos del precalentador y también se conoce el área total de transferencia de calor.

Entonces:

Área total de transferencia de calor = 256.11 .2m

Área total de transferencia de los tubos = 116.55 .2m

2

22

56.139

55.11611.256

mArea

mmArea

AreaAreaArea

AreaAreaArea

aletas

aletas

tubosTotalaletas

aletastubosTotal

"

$"

$"

#"

Ya se conoce el área total de las aletas en el precalentador, esta área es el punto de partida para determinar el número de aletas que necesita el precalentador; ahora es indispensable conocer el área de una sola aleta:

104

2

22

22

00327.0

)0004.0)(02415.0(2])00855.0()02415.0[(2

..2)(2

mA

mmmmA

trrrA

aleta

aleta

aletatuboaletaaleta

"

#$"

#$"

22

22

Conocida el área total de las aletas, el objetivo ahora es el de comprobar el valor del área de las aletas anteriormente calculado.

Pero para poder comprobar el área de las aletas es necesario tener conocimiento de algunos datos importantes, que se obtuvieron mediante un proceso de iteración mediante una hoja de cálculo de Excel.

Numero de aletas por pulgada = 5

Longitud del tubo = 3.68 m.

Utilizando la regla de tres:

1 pulgada = 0.0254m.

7240254.0

5*68.3

68.3

50254.0

"

9

9

m

aletasm

Xm

aletasm

Lo cual quiere decir que en un solo tubo hay 724 aletas.

Con estos valores se puede determinar el área de las aletas por tubo:

2

/

2

/

/

3659.2

)724)(00327.0(

/º*

mA

mA

tuboaletasNAA

tuboaletas

tuboaletas

aletatuboaletas

"

"

"

En cálculos anteriores se convino que el precalentador tendría 3 filas y 21 tubos por fila, lo cual quiere decir que el precalentador estaría conformado por 63 tubos.

105

Finalmente, se puede corroborar el área total de las aletas, de la siguiente forma:

/ ..º* tubosdetotalNAArea tuboaletascomprobadaaletas "

106

2

2

05.149

)63)(3659.2(

mArea

tubosmArea

comprobadaaletas

comprobadaaletas

"

"

$

$

$

Al analizar la operación se puede apreciar que el Área de las aletas comprobada es mayor que el Área de las aletas.

Si se hace un análisis retrospectivo se puede notar que para este cálculo se utiliza un valor de 5 aletas por pulgada. Cuando se realizo el proceso iterativo se determino que el número de aletas por pulgada debería ser 4.68. Con este valor el área de las aletas comprobada tendría un valor de 139.51 .2m

Pero como es sabido es imposible en la realidad colocar 4.68 aletas por pulgada en un tubo, es por esta razón que se utiliza 5 aletas por pulgada.

6.10. DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE TUBOS Y FILAS PARA EL PRECALENTADOR DEL VENTILADOR DE SOBREFUEGO

El precalentador del ventilador de sobrefuego se calcula de la misma forma en que se desarrollo el cálculo para el precalentador del ventilador forzado.

El cálculo difiere solo en las áreas puesto que el ducto del ventilador de sobrefuego tiene un área menor respecto del ventilador forzado. El primer paso para empezar a calcular el número de tubos y filas para el precalentador es necesario conocer algunos datos:


Datos ºC KTemperatura Ent. Aire 25 298,15Temperatura Sal. Aire 60 333,15TemperaturaSaturación 130.45 403.6

Presión Entrada Atm 1.70Flujo Másico Kg./s 6.17

Área Ducto 2m 0.7084

Las temperaturas citadas en la Tabla 5 son las temperaturas de entrada y salida del aire antes y después del precalentador.

La temperatura de saturación a 25 PSI (1.70 atm) corresponde a un valor de temperatura de 130.45 ºC.

El valor del flujo másico de aire corresponde al flujo de aire que pasa por el ducto el cual tiene una dimensión de 92 cm (0.92 m) de ancho y 77 cm (0.77 m) de largo.

Figura 25. Sección Transversal Ducto Ventilador Forzado

107

Por lo cual el área transversal del ducto tiene un valor de .27084.0 m

Es importante tener en cuenta que el ventilador forzado es el que introduce el 20% de aire a la caldera, teniendo en cuenta este concepto se puede determinar el flujo másico de aire que pasa por el ducto, multiplicando el flujo másico de aire total que se calculo anteriormente y multiplicarlo por el 20 %.

s

Kg

seg

h

lb

Kg

h

lb

h

lb

h

lb

17.63600

1*

1

4535924.0*48958

4895820.0*244790

"

"

Para este precalentador al igual que para el precalentador del ventilador forzado se utilizaran tubos con un diámetro nominal de 3/8 de pulgada (17.10 mm), una longitud de 77 cm (0.77 m) de largo y un paso transversal y longitudinal de 1.9 pulgadas (48.26 mm).

Para este precalentador también se utilizara el arreglo alternado anteriormente definido con el cual se obtiene una mejor transferencia de calor.

Figura 12. Arreglo Alternado

108

Para calcular la transferencia de calor se evalúan las propiedades del aire a la temperatura media de película basada en la temperatura de las paredes de los tubos así como la media de las temperaturas de masa de aire de entrada y de salida:

KTr 3602

15.33315.2986.403

2

1"*

+

,-.

/ ##"

Con base en esta temperatura se procederá a determinar por medio de tablas del aire (Figura 13) las siguientes variables:


Datos Unidades Valor

Conductividad Térmica (k) mKW / 0,0306

Viscosidad cinemática (v) v sm /10* 26$ 21,3

Densidad3/ mKg 0,983

Calor esp. a Presión Cte (Cp) KgKJ / 1007Numero de Prandtl (Pr) 0,69

109

Figura 13. Tablas de Datos

Fuente: MILLS, Anthony F. Transferencia de calor. 3 ed. Los Ángeles: McGraw Hill, 1997. p. 875.

La velocidad en la sección vacía del ducto es:

smV

mmKg

sKgV

A

mV

/86.8

)7084.0)(/983.0(

/17.6

.

0

230

.

0

"

"

"1

110

Ahora se procederá a calcular el número de Reynolds mediante la siguiente formula:

111

v

DVD

__

Re "

Pero antes es necesario conocer el valor de la velocidad de masa del fluido el cual se puede calcular mediante la siguiente formula:

__

V

DS

S

V

V

T

T

)4/(0

__

2$"

Donde es el Paso Transversal. TS

Se procede a despejar :__

V

smV

mmmm

mmsmV

DS

SVV

T

T

/27.12

)10.17)(4/(26.48

26.48)/86.8(

)4/(

__

__

0

__

"

$"

$"

2

2

De esta manera se puede determinar el número de Reynolds.

35.9853Re

/10*3.21

)01710.0)(/27.12(Re

Re

26

__

"

"

"

$

D

D

D

sm

msm

v

DV

Ahora se procede a calcular el número de Nusselt para la primera fila de tubos.

Para la selección de esta formula es necesario conocer los Número de Reynolds y de Prandtl, ya que esta formula solo sirve para Reynolds < 10000 y Prandtl > 0.5.

Analizando el valor del número de Reynolds obtenido y el valor del número de Prandtl obtenido mediante la tabla del aire (Figura 13), se concluye que la formula es correcta para el desarrollo de este calculo.

112

!

!96.47

)69.0/4.0(1

)69.0()35.9853(62.03.0

Pr)/4.0(1

PrRe62.03.0

1__

4/13/2

3/12/11__

4/13/2

3/12/11__

"

##"

##"

D

D

DD

uN

uN

uN

Se parte de la suposición que se necesitan menos de 10 filas en el precalentador.

Primeramente es necesario determinar el paso transversal adimensional:

82.2

10.17

26.48

"

"

"

T

T

TT

P

mm

mmP

D

SP

Como se convino anteriormente, el precalentador tendrá el haz de tubos en arreglo alternado o también definido como tres bolillos.

A continuación se procede a determinar el factor de arreglo para este caso:

T

ALTERNADOP3

21#"3

24.1

)82.2)(3(

21

"3

#"3

ALTERNADO

ALTERNADO

En un haz de tubos el coeficiente de transferencia de calor va en aumento desde la primera fila hasta alrededor de la quinta. El número de Nusselt promedio en un haz de tubos con menos de 10 filas se puede calcular a partir de la relación:

1______ )1(1DD Nu

N

NNu

3$#"

Donde N es el número de filas.

51.55

96.473

24.1)13(1

___

___

"

$#"

D

D

Nu

Nu

Determinando el número de Nusselt promedio se pude determinar el coeficiente de calor por convección:

Km

Wh

m

mKWh

D

kNuh

c

c

Dc

2

__

__

_____

34.99

01710.0

)/0306.0)(51.55(

"

"

"

Como la temperatura de las paredes de los tubos es constante por todo el haz, este calentador es un intercambiador de una sola corriente, por lo que podemos determinar la efectividad de la siguiente forma:

113

3319.0

15.2986.403

15.29815.333

"$$

"

$

$"

4

4

4ENTS

ENTSAL

TT

TT

Por lo tanto, el número de unidades de transferencia necesario es:

4033.0

3319.01

1ln

1

1ln

"$

"

$"

Nut

Nut

Nut4

El área de transferencia necesaria es entonces:

2

2

__

.

.

__

22.25

/34.99

)/983.0)(/17.6)(4033.0(

4033.0

mA

KmW

KgKJsKgA

h

CpmA

Cpm

AhNut

c

c

"

"

"

"

Por ultimo se puede determinar el número tubos por fila mediante la siguiente formula:

19063.1904826.0

92.05""

m

m

S

W

T


114

6.11. CALCULO DEL ÁREA DE TRANSFERENCIA DE CALOR DEL PRECALENTADOR DEL VENTILADOR DE SOBREFUEGO.

El procedimiento correcto para calcular el área de transferencia de calor para este precalentador es exactamente el mismo que se desarrollo anteriormente para calcular el área del precalentador del ventilador forzado.

Funcionara también bajo las mismas condiciones del precalentador del ventilador forzado, es decir, con el mismo tipo de vapor y bajo las misma condiciones ambientales; la diferencia que existe entre estos dos cálculos es la cantidad de aire que entra por los ventiladores, pues el ventilador de sobrefuego es el responsable de introducir a la caldera el 20% del flujo de aire total.

Es necesario conocer algunos datos que se citaran a continuación.

115

3/ ft

El precalentador utilizara Vapor Escape o de Baja Presión para calentar el aire que requiere la caldera a una presión de 25 PSI; la densidad del vapor para esta presión es de 0.09463 lb .

Como ya se había dicho, el ventilador de sobrefuego introduce a la caldera el 20% del aire que esta requiere para su funcionamiento.

Se sabe que la caldera necesita un flujo total de aire de 244790 lb. /h, de esta manera se puede calcular la cantidad de flujo de aire que introduce el ventilador forzado a la caldera multiplicando el flujo total del aire por el 20%.

Flujo de Aire Ventilador Forzado = 48958 lb. /h

Por otro lado es necesario conocer la rata de transferencia de calor que necesitara el precalentador, la cual se puede calcular mediante la siguiente formula:

)(.

FCAireVF TTCpmq $"

Donde es la temperatura del medio ambiente (25 ºC o 77 ºF), es la

temperatura a la salida del precalentador (60 ºC o 140 ºF) y es el flujo másico de aire que pasa por el ventilador forzado.

FT CT

AireVFm.

hBtuq

FFFlbBtuhlbq

/14.741787

)º77º140)(º/2405.0)(/48958(

"

$"

Habiendo determinado la rata de transferencia de calor, se puede calcular el flujo másico de vapor que necesitará el precalentador, y se puede calcular mediante la siguiente formula:

hlbm

lbBtu

hBtum

h

qm

hmq

Vapor

Vapor

Vapor

Vapor

/23.794

/96.933

/14.741787

.

.

.

.

"

"

0"

0"

Como el precalentador tiene una perdida estimada del 5% entonces se divide el valor obtenido por el 95% y se obtiene el vapor total del flujo másico del vapor para el precalentador del ventilador forzado.

hlbm

m

Vapor

Vapor

/04.836

95.0

23.794

.

.

"

"

Conociendo el flujo másico del vapor y el valor de la densidad del vapor para una presión de 25 PSI, se puede determinar el caudal de vapor que necesario para el precalentador.

116

hftQ

ftlb

hlbQ

mQ

Qm

Vapor

Vapor

/84.8834

/09463.0

/04.836

3

3

.

.

"

"

"

"

1

1

El manual Spirax – Sarco para sistemas de calentamiento tiene unas velocidades recomendadas las cuales oscilan entre los 4000 y 6000 ft/min., para este cálculo se promedian estas dos velocidades y se obtiene una velocidad promedio de 5000 ft/min. para el vapor.

117

Figura 14. Velocidad Para Sistemas de calentamiento Spirax-Sarco

Fuente: Design of fluids systems [en línea]. Northpoint Blvd: Spirax – Sarco, 2004. [Consultado 01 junio 2007]. Disponible en Internet: http://www.spiraxsarco.com/us/pdfs/training/hookup.pdf

118

Una vez conocida la velocidad del vapor y conociendo el caudal se procede a determinar el diámetro del tubo del cabezal del precalentador, y este cálculo se puede determinar mediante una formula muy sencilla y conocida como lo es la ecuación de continuidad:

hfth

ft/300000

1

min60*

min5000 "

2

3

0294.0

/300000

/84.8834

ftA

hft

hftA

V

QA

VAQ

"

"

"

"

El área que se acaba de calcular corresponde al área de la sección transversal del tubo, como se conoce el área se puede calcular el diámetro del tubo del cabezal del precalentador:

adaspuftd

ftd

Ad

dA

lg32.21936.0

)0294.0(4

4

4

2

2

5"

"

"

"

2

2

2

Debido a que no es posible encontrar en el comercio un tubo con este valor de diámetro especifico, entonces se escoge un tubo con un diámetro similar que sea comercial, en este caso se escoge un tubo de 2.5 pulgadas de diámetro.

De modo que es necesario volver a recalcular el área de la sección transversal para este diámetro y asegurarse de que la velocidad del vapor para este diámetro en la tubería este entre los rangos de la velocidad recomendada por el manual Spirax – Sarco.

119

Área de la sección transversal del tubo corregida:

22

2

2

0341.0lg91.4

4

lg)5.2(

4

.

ftpuA

puA

dA

5"

"

"

2

2

Verificación de la velocidad de calentamiento:

min/83.4319/83.259189

0341.0

/84.88342

3

fthftV

ft

hftV

A

QV

VAQ

5"

"

"

"

Como se puede apreciar la velocidad de calentamiento para el diámetro escogido se encuentra de los rangos anteriormente establecidos.

Para continuar con el objetivo de hallar el área de transferencia de calor para el precalentador es de suma importancia conocer las temperaturas peliculares del aire y del vapor la cuales se determinan a continuación:

Para el vapor.

FTf

FFFTf

LMTDTTTf

V

V

V

º76.227

)º20.156(25.0)º81.266º81.266(5.0

)(25.0)(5.0 21

"

$#"

$#"

120

Para el aire.

FTf

FFFTf

LMTDTTTf

A

A

A

º55.147

)º20.156(25.0)º77º140(5.0

)(25.0)''(5.0 21

"

##"

##"

En análisis anteriores se determinó que el precalentador necesita 3 filas y 19 tubos por fila; el tubo tiene un diámetro nominal de 17.10 mm o 3/8 de pulgada y 77 cm (30.31 pulg.) de largo.

Se hace remembranza de estos datos porque es necesario calcular el área de la sección transversal del haz de tubos, la cual se calcula de la siguiente forma:


Dato mm pulg. FtDiámetro ext. Tubo (Di) 17,10 0,6732 0,0561Diámetro int. Tubo (Do) 15,45 0,6082 0,0507

2

2

2

lg2905.0

4

lg)6082.0(

4

.

puA

puA

dA

"

"

"

2

2

Al área que se acaba de calcular es el área de la sección transversal de un solo tubo calculada con el diámetro interno de este mismo.

Al conocer este dato importante se puede determinar el área de la sección transversal del haz de tubos.

121

2

2

22

2

.

1154.0

lg144

1*lg61.16

)lg2905.0)(19)(3(

))(º)(º(

ftA

pu

ftpuA

puA

AdeTubosNdeFilasNA TransvSecc

"

"

"

"

De esta manera se puede determinar el flujo de vapor por medio de la siguiente formula:

2

2

.

.77.7245

1154.0

/04.836

fth

lbG

ft

hlbG

A

mG

V

V

V

V

V

"

"

"

Al conocer el flujo de vapor se puede calcular el número de Reynolds:


Para determinar el es necesario conocer la temperatura pelicular del vapor y

el diámetro del tubo, con estas dos variables se puede determinar el Factor de Propiedades del Vapor.

ReK

122


50.9419Re

.77.7245

.3.1Re

Re

2

2

Re

"

**+

,--.

/**+

,--.

/"

"

fth

lb

lb

fth

GK V


El coeficiente pelicular de transferencia de calor es la suma del coeficiente de transferencia de calor por convección longitudinal de flujo del vapor en el interior del calentador de tubos de aire y un pequeño componente de la radiación de gases en el tubo.

El coeficiente de transferencia de calor por convección del vapor se calcula de

la siguiente manera: cvh

123

o

iTppl

cvD

DFFhh

'"

Antes de realizar el desarrollo de la formula anteriormente planteada es preciso conocer cada una de las variables que la componen y como se calculan.

lh' = Factor de velocidad de convección y geometría básico de flujo

longitudinal.


Figura 16. Factor de velocidad de convección y geometría básico de flujo longitudinal

124


FfthBtuh

ft

fthlbh

D

Gh

l

l

i

l

º./12.50'

)0507.0(

)./77.7245)(023.0('

023.0'

2

2.0

8.02

2.0

8.0

"

"

"




Datos Unidades Valores Calor esp. a Presión Cte. (Cp) (Btu/lb. °F) 0,7852Conductividad Térmica (k) (Btu/ft h °F) 0,02625Viscosidad ( 6 ) (lb./ft h) 0,04033

ppF = Factor Propiedades Físicas del Vapor.

Este factor se puede determinar mediante la siguiente figura:

125

Figura 17. Factor Propiedades Físicas del Vapor


369.0

)04033.0(

)02625.0()7852.0(4.0

6.04.0

4.0

6.04.0

"

"

"

pp

pp

p

pp

F

F

kCF

6


126

TF = Factor de Temperatura

Para determinar el factor de temperatura es necesario conocer la temperatura de bulbo húmedo.

La temperatura de bulbo húmedo para el lugar donde se encuentra la caldera que es en zona rural del municipio de Pradera Valle, tiene un valor de 21.2 ºC (70.16 ºF).

Al igual que los otros factores este también se puede determinar mediante la figura:

Figura 18. Factor de Temperatura

Y también mediante la siguiente formula:

390.0

º76.227

º16.708.0

8.0

"

*+

,-.

/"

**+

,--.

/"

T

T

f

bT

F

F

FF

T

TF


127


pu

puFhftBtuh

D

DFFhh

cv

o

iTppl

cv

lg)6732.0(

lg)6082.0)(390.0)(396.0)(º/12.50(

'

2

"

"

Ffth

Btuhcv

º.52.6

2"

Existe también un coeficiente de transferencia de calor por radiación .rvh

Pero este coeficiente para este cálculo no aplica dado que el precalentador no esta sometido a radiación.

Siguiendo con el desarrollo del cálculo se procede a determinar el coeficiente de transferencia de calor por convección del aire .cah

Para calcular el cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección del aire es necesario recordar algunos parámetros definidos anteriormente:


Datos Unidades ValorDistancia entre centros de tubos TS pulg.

1,9

Longitud Tubo pulg. 30Área entre Tubos TA 2lgpu 36.80Numero de espacios 20

El área entre tubos es el valor del espacio que hay entre uno y otro tubo.

El número de espacios se refiere a que el precalentador tendrá 19 tubos por fila lo cual quiere decir que tendrá 20 espacios por fila.

128

Con estos valores se puede determinar el valor del Área Libre:

2

2

22

2142.0

lg1

006944.0*lg86.30

ftA

pu

ftpuA

T

T

"

"

Este valor se multiplica por el número de espacios que tendrá el precalentador por fila.

2

2

13.5

)20)(2142.0(

ftA

ftA

lIBRE

lIBRE

"

"

Así pues, se puede determinar el flujo de aire mediante la siguiente formula:

2

2

.

.04.9548

13.5

/48958

fth

lbG

ft

hlbG

A

mG

a

a

a

a

a

"

"

"

Al conocer el flujo de aire se puede calcular el número de Reynolds:


Para determinar el es necesario conocer la temperatura pelicular del aire y el

diámetro del tubo, con estas dos variables se puede determinar el Factor de Propiedades del Aire.

ReK

129


26.13367Re

.04.9548

.4.1Re

Re

2

2

Re

"

**+

,--.

/**+

,--.

/"

"

fth

lb

lb

fth

GK a


El coeficiente de transferencia de calor por convección del aire se calcula mediante la siguiente formula:

dappcca FFFhh '"

Después de conocer la formula, es preciso conocer las variables que la componen y determinar sus valores.

130

ch' = Factor de velocidad de convección y geometría básico de flujo cruzado.


Figura 19. Factor de velocidad de convección y geometría básico de flujo cruzado


FfthBtuh

ft

fthlbh

D

Gh

c

c

o

c

2

2.0

8.02

39.0

61.0

./34.236'

)0561.0(

)./04.9548)(023.0('

287.0'

"

"

"


131



Datos Unidades Valores Calor esp. a Presión Cte. (Cp) (Btu/lb. °F) 0,2406Conductividad Térmica (k) (Btu/ft h °F) 0,01661Viscosidad ( 6 ) (lb./ft h) 0,04968

ppF = Factor Propiedades Físicas del Aire.

Por medio de la siguiente figura se puede determinar el factor:

Figura 20. Factor Propiedades Físicas del Aire


132

093.0

)04968.0(

)01661.0()2406.0(28.0

67.033.0

28.0

67.033.0

"

"

"

pp

pp

p

pp

F

F

kCF

6


aF = Factor de Arreglo para Bancos de tubos en línea.

En la figura 21 se aprecian dos términos:

0D


0D


Debido a que el precalentador es para flujo cruzado utilizamos el segundo término y el número de Reynolds para determinar el Factor de arreglo .aF


l7 :





lg2268.1

0

""7

pu

pu

D

l

133

Debido a que frecuentemente sucede que el valor del número de Reynolds determinado para el aire no aparece precisamente en la tabla es necesario realizar una interpolación para poder determinar el valor del Factor de arreglo.

Figura 21. Factor de Arreglo para Bancos de tubos en línea

aF

134

8.0"


135

dF = Factor de Transferencia de Calor Profundo.

Al igual que los otros factores también se determina por medio de la siguiente figura:

Figura 22. Factor de Transferencia de Calor Profundo

1"dF


Como se puede apreciar en la figura = 1si el banco de tubos es precedido por

un damper, y efectivamente el precalentador es precedido por el damper del ventilador del Forzado.

dF


FfthBtuh

FfthBtuh

FFFhh

ca

ca

dappcca

º./59.17

)1)(8.0)(093.0)(º./34.236(

'

2

2

"

"

"

Conociendo los valor de los coeficientes de transferencia de calor por convección del vapor y del aire, se procede a determinar el coeficiente de transferencia de calor total U.

carvcv

carvcv

hhh

hhhU

##

#"

)(

Debido a que el precalentador no esta expuesto a radiación el término del coeficiente de transferencia de calor por radiación se omite, quedando la formula de la siguiente forma:

FfthBtuU

FfthBtuFfthBtu

FfthBtuFfthBtuU

hh

hhU

cacv

cacv

º./75.4

)º./59.17º./52.6

)º./59.17)(º./52.6(

))((

2

22

22

"

#"

#"

Finalmente se puede determinar el área de transferencia de calor para el precalentador:

22

2

79.9280.998

)º20.156)(º./75.4(

/14.741787

)(

)(

mftA

FFfthBtu

hBtuA

LMTDU

qA

LMTDUAq

5"

"

"

"

136

6.12. CAÍDA DE PRESIÓN PRECALENTADOR VENTILADOR DE SOBREFUEGO

Es muy importante calcular la caída de presión que puede existir en el precalentador, y esta se puede determinar por medio de la siguiente ecuación:

137

2

35 1010*76.1

46030)( *

+

,-.

/*+

,-.

/ #*+

,-.

/"0 ad

GT

BfNFP

Donde:

.f = Factor de fricción para Bancos de tubos en línea.

Se determina mediante la siguiente figura:

Figura 23. Factor de fricción para Bancos de tubos en línea

En la figura se aprecian dos términos:

0D


0D


Como ya se sabe, se escoge el segundo término para determinar el factor de fricción puesto que el precalentador esta siendo calculado para un flujo cruzado.


l7 :





lg2268.1

0

""7

pu

pu

D

l

Con este valor y el valor calculado para el número de Reynolds del aire se determina el factor de fricción. Casi en la mayoría de las veces hay que realizar interpolación para poder determinar el valor correcto para el cálculo desarrollado y este caso no fue la excepción.

.f = 0.9


N = Número de filas.

El número de filas para el precalentador es 3. N = 3.

138

139

dF = Factor corriente de pérdida de profundidad.

Su valor se determina mediante la siguiente figura:

Figura 24. Factor corriente de pérdida de profundidad

Como se puede apreciar en la figura 24 hay dos aristas, una es para tubos en línea o paralelo y la otra para tubos escalonados.

Ya es sabido que el arreglo del haz de tubos del precalentador es a tres bolillos o escalonado.

Conociendo el numero de filas, que es tres, solamente se sigue la línea punteada como cita la figura como ejemplo para determinar el valor apropiado para el calculo que se esta realizando.

24.1"dF


B = Presión barométrica.

El valor de la presión barométrica es de 30 in Hg. o 1 atm. Es decir que se toma la presión atmosférica dado que el ventilador forzado de la caldera esta tomando el aire del medio ambiente.

T = Temperatura.

Para determinar el valor de esta temperatura es necesario retomar las temperaturas anteriormente planteadas para la entrada y salida del precalentador las cuales tiene un valor de 77 ºF y 140 ºF respectivamente.

Entonces:

FT

FFT

TTT

º075.103

2

)º140º77(95.0

2

)(95.0 21

"

#"

#"

Por ultimo se tiene que es flujo de aire, calculado anteriormente y que tiene un

valor de 9548.04 .aG

/ hftlb 2

Finalmente se puede determinar la caída de presión:

140

PSIOHinP

P

GT

BfNFP a

d

0359.0..9934.0

10

04.9548

10*76.1

460075.103

30

30)24.1)(3)(9.0(

1010*76.1

46030)(

2

2

35

2

35

5"0

*+

,-.

/*+

,-.

/ #*+

,-.

/"0

*+

,-.

/*+

,-.

/ #*+

,-.

/"0

Cuando se realizó el calculo de caída de presión en el precalentador del ventilador forzado, se hizo mención que este tipo precalentadores pueden tener una caída de presión hasta de 50mm de Agua, el resultado que se acaba de obtener equivale a 25.14 mm de Agua, lo cual quiere decir que esta dentro del limite normal.

6.13. CAÍDA DE TEMPERATURA EN EL HAZ DE TUBOS

Antes que nada es preciso dejar claro que el cálculo que se va a desarrollar a continuación es la caída de temperatura en un solo tubo y no para todo el haz. Teniendo claro lo anteriormente planteado es necesario tener en cuenta algunos datos para desarrollar el cálculo:

Como primera medida se necesita conocer los radios externo e interno del tubo.

ftr

ftrext

0253.0

0280.0

int "

"

En mucho calentadores e intercambiadores de calor se utilizan tubos de cobre, pero para este caso se utilizaran tubos de acero inoxidable, diámetro nominal 3/8 de pulgada cedula 10S, longitud 2.52 ft y cuyo valor de conductividad térmica

. FfthBtuk º./10 2"

También es necesario conocer la temperatura del vapor dentro del tubo y la

temperatura que rodea el tubo en este caso seria la temperatura ambiente .18T

28T

FT

FT

º77

º81.266

2

1

"

"

8

8

141

Por supuesto se debe conocer también los valores de los coeficientes de transferencia de calor por convección del vapor y del aire.

142

FfthBtuh

FfthBtuh

aire

vapor

º./59.17

º./52.6

2

2

"

"

El objetivo al desarrollar este calculo es el de conocer la temperatura en la pared exterior del tubo y de esta manera compararla con la temperatura de la pared interior del mismo.

En primera instancia es necesario calcular el área de la sección transversal del tubo utilizando el radio externo y el interno.

2

1

4452.0

)52.2)(0280.0)()(2(

.2

ftA

ftftA

LrA

ext

ext

ext

"

"

"

2

2

Ahora el área interna.

2

int

int

2int

4022.0

)52.2)(0253.0)()(2(

.2

ftA

ftftA

LrA

"

"

"

2

2

Así pues, se puede proceder a determinar las resistencias térmicas por convección de la siguiente manera:

Resistencia térmica dentro del tubo.

)4022.0)(º./52.6(

1

1

221

int

1

ftFfthBtuR

AhR

conv

vapor

conv

"

"

BtuFhRconv /.º38151.01 "

Resistencia térmica en el tubo.

BtuFhR

ftFfthBtu

ftftR

kL

rrR

Tubo

Tubo

Tubo

/º0006397.0

)52.2)(º./10)()(2(

)0280.0/0253.0ln(

.2

)/ln(

2

12

$"

"

"

2

2

Resistencia térmica fuera del tubo.

BtuFhR

ftFfthBtuR

AhR

conv

conv

extaire

conv

/.º12772.0

)4452.0)(º./59.17(

1

1

2

222

2

"

"

"

Se determina la Resistencia térmica total.

BtuFhR

BtuFhBtuFhBtuFhR

RRRR

TOT

TOT

convTuboconvTOT

/º50859.0

)/º12772.0()/º0006397.0()/º38151.0(

21

"

#$#"

##"

Ahora se procede a determinar la velocidad de transferencia de calor ..

Q

143

hBtuQ

BtuFh

FFQ

R

TTQ

TOT

/21.373

/º50859.0

º77º81.266

.

.

21.

"

$"

$" 88

Finalmente se puede determinar la temperatura de la pared externa del tubo a la que se llamara .2T

FT

FFT

TFBtuFhhBtu

BtuFh

TTQ

BtuFhBtuFh

TTQ

kL

rr

Ah

TTQ

vapor

º67.124

º14.142º81.266

º81.266)/º38087.0)(/21.373(

/º38087.0

)/º0006397.0(/º38151.0

.2

)/ln(1

2

2

2

21.

21.

12

int

21.

"

$"

$"

$"

$#

$"

#

$"

8

8

8

2

Entonces se concluye que la caída de temperatura en todo el tubo es de 142.14 ºF lo cual equivale a 61.19 ºC.

6.14. ALETAS PARA TUBOS PRECALENTADOR VENTILADOR SOBREFUEGO

Para determinar el número de aletas que necesita cada tubo del haz, es necesario saber algunos datos respecto de la aleta.

144


Datos mm mDiámetro Aleta 48,30 0,0483Espesor Aleta 0,4 0,0004Diámetro tubo 17.10 0.01710 Longitud Aleta 0,0156

El diámetro de la aleta es un diámetro nominal que equivale a 1.5 pulgadas, tanto el diámetro como el espesor de la aleta son datos recomendados por expertos para este tipo de intercambiadores de calor.

La longitud de la aleta si se puede determinar por medio de una formula sencilla:

% &

mL

mmL

DDL tuboaleta

0156.0

)01710.004830.0(2

1

2

1

"

$"

$"

Al conocer los diámetros tanto del tubo como de la aleta, se pueden determinar los radios respectivos:

mr

mr

tubo

aleta

00855.0

02415.0

"

"

Ahora bien, es necesario conocer el área total de las aletas en los tubos del precalentador.

Esta área se puede determinar fácilmente ya que se conoce el área total de los tubos del precalentador y también se conoce el área total de transferencia de calor.

Entonces:

145

Área total de transferencia de calor = 92.79 .2m

Área total de transferencia de los tubos = 25.22 .2m

2

22

57.67

22.2579.92

mArea

mmArea

AreaAreaArea

AreaAreaArea

aletas

aletas

tubosTotalaletas

aletastubosTotal

"

$"

$"

#"

Ya se conoce el área total de las aletas en el precalentador, esta área es el punto de partida para determinar el número de aletas que necesita el precalentador; ahora es indispensable conocer el área de una sola aleta:

2

22

22

00327.0

)0004.0)(02415.0(2])00855.0()02415.0[(2

..2)(2

mA

mmmmA

trrrA

aleta

aleta

aletatuboaletaaleta

"

#$"

#$"

22

22

Conocida el área total de las aletas, el objetivo ahora es el de comprobar el valor del área de las aletas anteriormente calculado.

Pero para poder comprobar el área de las aletas es necesario tener conocimiento de algunos datos importantes, que se obtuvieron mediante un proceso de iteración mediante una hoja de cálculo de Excel.

Numero de aletas por pulgada = 12

Longitud del tubo = 0.77 m.

Utilizando la regla de tres:

1 pulgada = 0.0254m.

146

3640254.0

12*77.0

77.0

120254.0

"

9

9

m

aletasm

Xm

aletasm

Lo cual quiere decir que en un solo tubo hay 364 aletas.

Con estos valores se puede determinar el área de las aletas por tubo:

2

/

2

/

/

1881.1

)364)(00327.0(

/º*

mA

mA

tuboaletasNAA

tuboaletas

tuboaletas

aletatuboaletas

"

"

"

En cálculos anteriores se convino que el precalentador tendría 3 filas y 19 tubos por fila, lo cual quiere decir que el precalentador estaría conformado por 60 tubos.

Finalmente, se puede corroborar el área total de las aletas, de la siguiente forma:

2

2

/

28.71

)60)(1881.1(

..º*

mArea

tubosmArea

tubosdetotalNAArea

comprobadaaletas

comprobadaaletas

tuboaletascomprobadaaletas

"

"

"

$

$

$

Al analizar la operación se puede apreciar que el Área de las aletas comprobada es mayor que el Área de las aletas.

Si se hace un análisis retrospectivo se puede notar que para este cálculo se utiliza un valor de 5 aletas por pulgada. Cuando se realizo el proceso iterativo se determino que el número de aletas por pulgada debería ser 11.38. Con este valor el área de las aletas comprobada tendría un valor de 67.60 .2m

147

Pero como es sabido es imposible en la realidad colocar 4.68 aletas por pulgada en un tubo, es por esta razón que se utiliza 12 aletas por pulgada.

6.15. ANÁLISIS ECONÓMICO

Al realizar el análisis económico para cuantificar el ahorro en términos de dinero, es necesario conocer el desempeño de la caldera sin precalentador en cuanto a consumo de combustible y eficiencia se refiere, para poder determinar cuanto combustible se ahorra la caldera y cuanto aumenta la eficiencia cuando se encuentre en operación con el precalentador.

La caldera sin precalentador tiene un consumo de 65290 libras de bagazo por hora. (65290 lb. /h) y cuenta con una eficiencia de 65.5%.

Según los cálculos realizados en este documento el precalentador permite que la caldera tenga un consumo de 64010 libras de bagazo por hora (64010 lb. /h) y una eficiencia del 66.8%. Ahora bien, analizando los datos obtenidos hasta este momento se puede apreciar que hay un ahorro de 1280 libras de bagazo por hora.

Para saber cuanto representa esta cifra en un día, lo único que se hace es tomar las 1280 lb. /h y se multiplican por 22 horas (asumiendo que la fabrica trabaja 22 horas diarias) y el resultado se convierte a toneladas.

% &

Tonlb

Tonlb

lbhorash

lb

51.101

0003732417.0*28160

28160221280

"

"*+

,-.

/

De esta manera se puede determinar que hay un ahorro diario de bagazo de 10.51 toneladas.

Si se desea saber cuanto representa este ahorro anualmente solo se tiene que multiplicar el resultado anterior por 300 días (asumiendo que la planta trabaja 300 días al año, debido a que esta realiza paros por mantenimiento). De esta manera se tiene que:

148

149

% &% & TondiasTon 15.315330051.10 "

Así pues, se tiene un ahorro de 3153.15 toneladas de bagazo al año, lo cual es una cifra importante para el ingenio, ya que las calderas de este funcionan con bagazo.

Finalmente se procede determinar cuanto representa el ahorro de combustible en dinero anualmente, teniendo en cuenta que la tonelada de bagazo tiene un valor de $25000 pesos colombianos.

% &% & pesospesosTon 647.828'782500015.3153 "

En conclusión se puede determinar con toda certeza que la implementación del precalentador arrojaría ganancias anuales por 78’828.647 pesos y un aumento en la eficiencia de la caldera del 1.3%.

7. FINANCIACION

La forma de financiación de este proyecto es externa, el Ingenio Castilla Industrial S.A. cubrirá los costos del proyecto. Debido a que este proyecto se refiere a diseño no hay presupuesto definido todavía, debido a que primero se requiere tener hecho el calculo para poder realizar una cotización.

151

8. CONCLUSIONES

El precalentamiento del aire en calderas es sumamente importante. El cálculo que ha sido desarrollado en este documento muestra como resultado un aumento en la eficiencia de la caldera en 1.3% y un ahorro de combustible de 10.51 toneladas diarias de bagazo al precalentar el aire a 60 ºC. El aumento de la eficiencia no procede únicamente del calor que se recupera del vapor, sino también de las condiciones de combustión, que son mejoradas.

Estos resultados son muy importantes para la fábrica puesto que contribuyen a la consecución de uno de los objetivos principales que tiene la gerencia de fábrica del ingenio Castilla Industrial S.A., el cual es convertir la planta en una de las fabricas de azúcar mas eficientes en el país, energéticamente hablando.

Quizá la implementación de los precalentadores no desarrolle completamente el objetivo de los directivos, pero con certeza se puede decir que es un gran avance en la meta de alcanzar el objetivo planteado.

El precalentador ocasiona una temperatura más elevada en el hogar de la caldera, lo que permite un coeficiente mas elevado de absorción de calor, con el consiguiente aumento en la producción de vapor. A consecuencia de esto se obtiene una aceleración de la combustión que admite una mayor liberación de calor para un volumen determinado, además permite una combustión mas completa del combustible lo cual reduce los periodos de parada de la caldera para su limpieza, dando por resultado que la producción de escorias sea menor y que los gases que llegan a los colectores de cenizas volátiles vayan mas limpios.

El precalentador tiene unas ventajas sumamente importantes que pueden ocasionar logros significativos en cuanto a ahorro de combustible se refiere, pero es importante también tener en cuenta que las necesidades del espacio requerido y el peso para el precalentador, para el ventilador de tiro forzado o sobrefuego, así como los ductos requeridos, imponen problemas de diseño que requieren un estudio cuidadoso.

152

Por otro lado en los precalentadores las fugas de aire pueden descompensar la capacidad de calefacción, necesitándose una compensación mediante el aumento de fuerza para el ventilador. Debido a que estas fugas no se perciben usualmente, sino cuando la corrosión esta muy avanzada, se requiere entonces una reparación considerable o en su defecto la total reposición.

Para evitar estas situaciones es necesario realizar un mantenimiento preventivo en estos equipos que permita la detección temprana de este tipo de situaciones que representarían en su momento una inversión de dinero considerable.

El precalentador de aire no es un aditamento absolutamente necesario para la operación de una caldera. Su empleo depende de las condiciones y necesidades de instalación así como de los factores técnicos y económicos de la planta. Los factores económicos más importantes, basados en los ahorros anuales netos, en contraposición a la capitalización de la inversión.

153

BIBLIOGRAFÍA

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ANEXOS

Anexo A. Tabla de dimensiones de tubería

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Anexo B. Carta psicométrica

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Anexo C. Boletín Meteorológico de Cenicaña

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Anexo D. Cronograma

Anexo E. Presupuesto

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precalentadores de aire

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