TERMODINAMICA Y TRANSFERENCIA DE CALOR

Transcripción

1 TERMODINAMICA Y TRANSFERENCIA DE CALOR BASE MATERIAL CENTRO POLITÉCNICO DEL PETRÓLEO Elaborado por: Ing. Verónica Lamela Hernández

2 INDICE Capítulo 1 Introducción a la Termodinámica... 3 Ejercicios Propuestos. Capítulo Capítulo 2 Mecanismos de Transferencia de Calor Transferencia de calor por Conducción Transferencia de calor por convección Transferencia de calor por radiación Ejercicios Propuestos Capítulo Capítulo 3 Intercambiadores de calor Coeficiente global de transferencia de calor Intercambiadores de calor Arreglos Superficies extendidas (aletas) Condensación Ejercicios Propuestos Capítulo Capítulo 4 Tratamiento de Agua para la Industria El agua. Propiedades Impurezas más comunes en el agua Procesos de tratamiento del agua Ejercicios Propuestos Capítulo Capítulo 5. Generadores de Vapor Propiedades de los combustibles Combustión Generador de vapor Ejercicios Propuestos Capítulo Capítulo 6 SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO Ejercicios Propuestos Capítulo

3 Capítulo 1 Introducción a la Termodinámica La termodinámica es parte de la física teórica. La misma sirve para describir y relacionar las propiedades físicas de la materia y los intercambios energéticos que en ella ocurren. La aplicación de la termodinámica es muy usada en todas las ramas de la ingeniería, por la aplicación que tiene en los procesos industriales. Un sistema puede pasar de un estado de equilibrio inicial a un estado de equilibrio final, y sus propiedades macroscópicas han pasado de un estado a otro. Este proceso se denomina proceso termodinámico, y se caracteriza fundamentalmente por tres variables medibles denominadas variables de estado que son Presión, Volumen y Temperatura. Existen otras variables termodinámicas que ayudan a describir aún más los sistemas y su entorno tales como densidad, calor específico, energía interna, coeficiente de dilatación lineal, etc. En este capítulo se estudiarán algunas de esas magnitudes. Estados de la materia. Se pueden dividir en tres categorías principales: sólidos, líquidos y gases. Estado gaseoso: No tiene una superficie límite y por eso tiende a llenar cualquier espacio disponible. El volumen de los gases cambia sensiblemente con variaciones de presión y temperatura. Estado líquido: No tiene forma definida como los gases y toma la forma del recipiente que se encuentre, pero debido a la superficie que posee un límite de espacio que puede ocupar. Estado sólido: Tiene una forma definida, a diferencia de líquidos y gases. Al igual que en los líquidos, su volumen no varia apreciablemente con cambios de presión y temperatura. Sistema. Puede definirse como un grupo de componentes conectados que funcionan en conjunto para llevar a cabo una tarea determinada. Una instalación de proceso industrial contiene un gran número de tuberías que conecta los diferentes equipos tales como bombas, tanques e intercambiadores de calor entre otros. Los equipos relacionados y las tuberías asociadas a éstos están arreglados en grupos individuales de equipos llamados sistemas. Se considera un sistema cerrado cuando no intercambia masa con el medio exterior, es decir, no entra ni sale sustancia. De lo contrario se considera un sistema abierto. Un ejemplo de sistema abierto es un líquido en ebullición donde el vapor se escape a la atmósfera. Sistemas abiertos de flujo estacionario: Es un caso en particular de los sistemas con circulación de fluidos donde: 3

4 La masa de la sustancia de trabajo que entra al sistema en un tiempo dado, es igual a la masa de la sustancia que sale en un tiempo dado, por tanto, no existe acumulación de masa dentro del sistema. La presión, la temperatura y las demás variables características de trabajo, en cada punto del sistema, no varían con el tiempo. No existe acumulación de energía positiva ni negativa en el sistema. Estado de la sustancia. Es la situación en que se encuentra en un momento dado. Si el estado es tal que la presión, la temperatura y el resto de las variables que lo caracterizan tienen el mismo valor en todos y cada uno de los puntos de la sustancia de trabajo, se dice que el estado es de equilibrio. Variables de estado. Son las magnitudes que caracterizan el estado de equilibrio de un sistema.(p- presión, V-volumen, T-temperatura) Presión P. Es la fuerza ejercida por unidad de área. P = F/A Volumen total. V [ m 3 ] Es el espacio que ocupa la sustancia de trabajo. En el caso de sistemas fluentes puede expresarse por unidad de tiempo como sigue. [ m 3 /s, m 3 /min, m 3 /h, etc.] Volumen especifico, v. Volumen que ocupa cada unidad de masa de la sustancia de trabajo. v = V/m [ m 3 /Kg. ] La densidad ( )de una sustancia es el inverso del volumen específico. = 1/v [ Kg / m 3 ] Ej. 6Kg de aire que ocupa 12 m 3 de volumen, por tanto, el volumen específico será 2m 3, que es el volumen de cada Kg de aire. Temperatura. Es una medida de la energía cinética media de traslación de las moléculas. Mientras mayor sea la temperatura de un sistema, mayor será su capacidad para ceder calor a otro sistema que este a menor temperatura. Existen varias escalas de temperatura. Ej. la centígrada, la Kelvin y la Fahrenheit En la centígrada se toma como cero la fusión del hielo, y como 100 la ebullición del agua. El espacio entre cero y 100 se divide en 100 partes iguales, trazos que también continúan por debajo del cero y por encima del 100. Las temperaturas inferiores al cero son negativas. La Kelvin es una escala absoluta, pues no posee temperaturas negativas. Se toma como cero absoluto una temperatura calculada teóricamente, por debajo de la cual no puede existir ninguna sustancia. (En cursos muy avanzados se trabajan con temperaturas negativas absolutas pero no es de nuestro interés). El punto de fusión del hielo corresponde en esta escala a 273 y la temperatura de ebullición del agua a 1 atmósfera de presión, a

5 Si representamos como T la temperatura Kelvin y como t los centígrados: T = t La Fahrenheit se relaciona con la centígrada mediante la ecuación: o F = 1.8 ( o C) Es muy útil ya que a veces en estas unidades es que aparecen los valores de mediciones de temperatura y conociendo su equivalencia con la escala centígrada se puede comparar, o verificar según se necesite. Gas ideal. Es un estado gaseoso donde se tiene las siguientes características: el volumen de las moléculas es despreciable. no intervienen fuerzas entre las moléculas de cohesión y repulsión. choques elásticos entre las moléculas donde la energía cinética perdida en una molécula, sea ganada por otra que choque con ella. No existe en la naturaleza ningún gas con estas características pero esta consideración de un gas como gas ideal es muy usada en situaciones prácticas en la industria ya que muchos de los gases usados su temperatura, es suficientemente alta y su presión baja, por lo que las moléculas están mas separadas y actúan menos las fuerzas de interacción entre ellas. Las ecuaciones de trabajo cuando se usa el modelo de gas ideal, son muy sencillas. Vaporización: Es el proceso de transformación de un líquido en vapor. La vaporización de un líquido puede ocurrir por medio de la evaporación o la ebullición. La evaporación es cuando la formación de vapor es solo en la superficie. En la ebullición de un líquido se forman burbujas de vapor en toda la masa del líquido, de ahí que sea más importante este proceso y es más usado en las industrias. La ebullición de un líquido, a presión constante, ocurre a una temperatura definida e invariable. Esta es la temperatura de ebullición o de saturación. La presión de un líquido en ebullición es la presión de saturación. La temperatura de saturación no cambia mientras el líquido ebulle, puesto que el calor que se le suministra no se emplea en elevar la temperatura sino en aumentar la energía de las moléculas de líquido, para que estas pasen a la fase de vapor. Por tanto, la ebullición a presión constante es también a temperatura constante. Si la presión de saturación aumenta, aumenta también la temperatura de saturación. Debido a que las fracciones de petróleo son mezclas e compuestos, no hierven isotérmicamente como sucede con los líquidos puros, sino que tienen rangos de ebullición característicos. A presión atmosférica, la temperatura menor a la que empieza la ebullición del liquido se denomina (PEI o F) La condensación es el fenómeno donde el vapor se convierte en líquido. Es el fenómeno opuesto a la vaporización. La condensación de un vapor a presión 5

6 constante, al igual que la ebullición, ocurre a una temperatura definida e invariable. Esta presión y temperatura son también las de saturación. Para una misma presión de saturación, las temperaturas de ebullición y condensación coinciden, y son iguales a la temperatura de saturación para esa presión. La condensación a presión constante es también a temperatura constante. Líquido saturado. Es cualquier líquido en ebullición a la presión y a la temperatura, por tanto, de saturación. El agua en ebullición es por ejemplo, agua saturada. Vapor saturado. Es aquel que se desprende de un líquido en ebullición (líquido saturado) y que está, por lo mismo, a la presión y temperatura de saturación. El vapor saturado esta en equilibrio con el líquido saturado. Vapor húmedo (mezcla húmeda). Mezcla en equilibrio de líquido saturado y de vapor saturado y esta, por tanto, a la presión y temperatura de saturación. Vapor sobrecalentado. Vapor que estando a la misma presión de saturación que un vapor saturado, tiene mayor temperatura que éste, o sea, mayor temperatura que la de saturación. El vapor sobrecalentado que se forma cuando se calienta a presión constante un vapor saturado. El grado de sobrecalentamiento del vapor es la diferencia de temperatura del vapor sobrecalentado y el vapor saturado. Líquido comprimido. Líquido que a la temperatura de saturación de un líquido saturado, tiene mayor presión que la presión de saturación. Temperatura crítica. Cualquier gas real (o vapor) puede ser licuado (condensado) por compresión. 6

7 La temperatura crítica es una temperatura por encima de la cual ningún gas real(o vapor) puede ser licuado (condensado) con solo aumentar la presión. Es la temperatura superior a la cual una sustancia solo puede existir en forma de gas. Es la máxima temperatura que pueden soportar la fase liquida y de vapor como fases separadas. A una temperatura mayor que la temperatura critica se formará el vapor sobrecalentado. La temperatura crítica es la máxima temperatura de saturación de un sistema liquidovapor. La presión de saturación para la temperatura crítica se llama presión crítica y el volumen ocupado por el sistema se llama volumen crítico. En el diagrama PV anterior se muestran estas fases del sistema líquido-vapor. BALANCE DE ENERGIA El balance de energía, al igual que el balance de masa, una de las operaciones más utilizadas en la industria química. Su empleo se extiende desde el control de cualquier equipo o proceso tecnológico hasta el diseño de sistemas y aparatos industriales. Es aplicado para resolver gran cantidad de problemas práctico o teóricos que aparecen en la industria. El balance de energía es tan amplio que se necesita conocer de los distintos tipos de sistemas, de varios conceptos termodinámicos, del manejo de unidades, etc. Principio de conservación de la energía. La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. Por tanto, la suma de todas las energías que entran a un sistema, es igual a la suma de las energías que salen o a la suma de estas con las acumuladas. Et= Es + EE Et: Energía total que entra Es: Energía que sale EE: Energía que se acumula. Para Sistemas de flujo estacionario. No se acumula energía, por tanto. Et=Es Formas de energía. La energía puede tener diferentes formas. Algunas de ellas pueden ser despreciables por su magnitud en un cálculo tecnológico. Se definirán aquellas que más utilidad tienen para nuestro trabajo: calor, trabajo, energía cinética, energía potencial, energía interna, energía de flujo y entalpía. Calor. Se define como la energía que se transmite de manera espontánea desde un cuerpo o sistema de mayor temperatura a otro de menor temperatura. El calor total se representa 7

8 por Q. Esta es una energía no acumulable y solo puede pasar de un cuerpo o sistema a otro. Otras formas de energía como la mecánica, la eléctrica, la radiante, etc, pueden transformarse en calor. Trabajo Es la energía que se transfiere cuando un sistema es capaz de desplazar a otro mediante un vector de fuerza. Es también una energía de transito y por tanto, no es acumulable. Se representa por W y puede expresarse como: W= F.L F: fuerza L: distancia desplazada Energía cinética Es la que tiene un cuerpo o sistema debido a la velocidad que posee. Puede expresarse por: Ec= ½ mv 2 Ec: energía cinética m: masa V: velocidad promedio Energía potencial Esta energía es la que posee un sistema debido a la influencia que ejerce sobre el mismo la gravedad. Puede calcularse por: Ep=mgh Ep: energía potencial m: masa g: aceleración de la gravedad h: altura del sistema con respecto a un nivel de referencia Energía interna En la energía interna de un sistema intervienen tanto el constante movimiento de sus átomos y sus moléculas como las fuerzas de atracción mutua entre dichas partículas. De aquí que la temperatura y las distancias medias entre sus moléculas determinen los valores de estos parámetros internos de un sistema dado. La energía interna es una variable de estado y no puede calcularse de forma absoluta sino como una variación de energía (EU) de la forma siguiente: EU = U 2 -U 1 8

9 Donde U 2, U 1 son las energías internas en los estados de equilibrio final e inicial respectivamente. Energía de flujo Esta energía es característica de los sistemas de flujo estacionario. Por ejemplo, si se analiza el paso de un fluido a través de una tubería cilíndrica que posee áreas transversales diferentes en dos de sus secciones. Fig. Si se realiza un balance de energía en el sistema resulta que: E(PV) = P 2 V 2 P 1 V 1 Donde: E(PV): variación de energía de flujo. P 2 V 2, P 1 V 1 : energías de flujo en los estados 2 y 1 respectivamente. P 2, P 1 : presiones de los estados 2 y 1 respectivamente. V 2, V 1 : volúmenes en los estados 2 y 1 respectivamente. La energía de flujo, también es una variable de estado. Entalpía En la aplicación de los balances de energía se encuentra con frecuencia una variable llamada entalpía (H), y viene dada por: H = U + PV Es decir, por la suma de la energía interna de un sistema (U), mas el producto de su presión (P) por su volumen total (V). La entalpía es una variable de estado y en los balances energéticos aparece, por lo general, como una variación desde un estado inicial (Hi) a otro final (Hf) que puede hallarse por: EH = EU + E(PV), 9

10 Donde EH = Hf Hi La entalpía puede ser expresada por unidad de masa (m) y entonces se denomina entalpía específica (h), o sea: h = H/m = U/m + PV/m = u + pv Donde u + pv queda expresada en unidades de masa también. BALANCE DE CALOR Puede considerarse como un caso particular del balance de energía, que es el término realmente general, cuando los cambios en las otras formas energéticas (cinéticas, potencial, trabajo, etc.) resultan despreciables. Tal situación se presenta muy a menudo en la tecnología química durante el diseño, la evaluación o el control de sistemas o equipos industriales, o ambos. Existen cálculos incluso, donde la única variación apreciable para nuestro interés sucede en la entalpía. Este balance es llamado balance de entalpía, aunque nunca debe perderse el concepto de que todo forma parte de un balance de energía en general. Capacidad calorífica (C) Es la cantidad de calor necesario para elevar en un grado la temperatura de una sustancia. Es de mucha utilidad en el desarrollo de problemas de balance de calor. Se puede determinar a volumen o a presión constante y entonces se simboliza por Cv o Cp, respectivamente. Calor específico (c ) Es el resultado de dividir la capacidad calorífica de una sustancia entre la capacidad calorífica de una sustancia de referencia de igual masa. El compuesto de referencia para sólidos y líquidos es generalmente el agua. Entonces, para una sustancia x el calor especifico a presión constante será: c = Cp/Cp H 2 O Se utilizara el término calor específico como cv o cp según sea a volumen o a presión constante respectivamente. El balance de calor, como caso particular del balance de energía queda como sigue: 10

11 Qe = Qs Qe: sumatoria de los calores que entran al proceso Qs: sumatoria de los calores que salen del proceso La cantidad de calor puede expresarse como: variación de calor sensible Calor sensible: Cuando el calor es suministrado ocurre un cambio de temperatura apreciable sin un cambio de estado. variación de entalpía (EH) La variación de entalpía para los procesos a presión constante es igual al calor. calor latente Calor latente (QL). Es la cantidad de calor que es necesario suministrar a un líquido saturado de temperatura T, para transformarlo completamente en vapor saturado de igual temperatura. Es el calor que se relaciona con el cambio de fase de una sustancia de líquido a vapor. En un proceso a presión constante el calor latente QL =,H =m,h En todos los casos, tanto los valores de calor específico como los de entalpías, deben ser hallados en tablas, gráficos o nomogramas que se posean. Estos parámetros dependen de la temperatura y de la presión de trabajo fundamentalmente. 11

12 Ejercicios Propuestos. Capítulo 1 Ejercicio 1 Completa el siguiente Crucigrama Es una medida de la energía cinética media de traslación de las moléculas. Se presenta en varias escalas. 2- Ciencia que estudia las relaciones entre las diferentes formas de energía. 3- Se define como la energía que se transmite de manera espontánea desde un cuerpo o sistema de mayor temperatura a otro de menor temperatura. 4- Energía que tiene un cuerpo o sistema debido a la velocidad que posee. 5- Tipo de sistema que intercambia masa con el medio en que se encuentra. 12

13 Ejercicio 2 Completa el siguiente Crucigrama Es el estado donde la presión, la temperatura y el resto de las variables que lo caracterizan tienen el mismo valor en todos y cada uno de los puntos de la sustancia de trabajo. Se define como la energía que se transmite de manera espontánea desde un cuerpo o sistema de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Ciencia que estudia las relaciones entre las diferentes formas de energía. 4- Calor que cuando es suministrado ocurre un cambio de temperatura apreciable sin un cambio de estado. Energía que posee un sistema debido a la influencia que ejerce sobre el mismo la gravedad. 13

14 Ejercicio 3 Completa el siguiente Crucigrama Energía que posee un sistema debido a la influencia que ejerce sobre el mismo la gravedad. 2. Sistema donde no se intercambia masa con el medio exterior (sus fronteras). No entra ni sale sustancia. 3. Se define como la energía que se transmite de manera espontánea desde un cuerpo o sistema de mayor temperatura a otro de menor temperatura. 4. Es una medida de la energía cinética media de traslación de las moléculas. Se presenta en varias escalas. 5. Ciencia que estudia las relaciones entre las diferentes formas de energía. 14

15 Ejercicio 4 Completa el siguiente Crucigrama Es una medida de la energía cinética media de traslación de las moléculas. Se presenta en varias escalas. 2. Calor que se relaciona con el cambio de fase de una sustancia de líquido a vapor. 3. Energía que tiene un cuerpo o sistema debido a la velocidad que posee. 4. Sistema donde no se intercambia masa con el medio exterior (sus fronteras). No entra ni sale sustancia. 5. Es el estado donde la presión, la temperatura y el resto de las variables que lo caracterizan tienen el mismo valor en todos y cada uno de los puntos de la sustancia de trabajo. 15

16 Ejercicio 5 Responda las siguientes preguntas: 1. Qué es la temperatura? 2. Cuál es el tipo de energía que está relacionada con la velocidad? 3. Cuál es el tipo de energía que está relacionada con la posición? 4. Cuál es el tipo de energía que está relacionada con la temperatura? 5. Cuál es el tipo de energía que está relacionada con el movimiento? 6. Cuál es el primer principio de la energía? 7. Qué es el calor? 8. Cuáles son las formas en que se manifiesta el calor? 9. En qué se diferencia el calor sensible del calor latente? 10. Qué pasa con la energía cinética cuando aumenta la temperatura? 11. Qué es el equilibrio? 12. Qué es calor específico? 13. Cuándo hay variación de calor latente habrá cambio de estado? 14. Cuándo hay variación de calor sensible habrá cambio de estado? 15. En qué se diferencia la evaporación de la ebullición? Ejercicio 6 A- Cual es el calor específico para el acetileno a 280 o C? aire a 373 K? etano a 473 K? etileno a 200? Dióxido de azufre a 450 o C? Dióxido de carbono a 350 o C? Hidrógeno a 273 K? Etilbenceno a 50 o C Naftaleno a 150º C Dicloroetano a 303 K tolueno a 298 K Acido sulfurico al 98% a 30 o C Exprese el resultado en KJ/Kg. o C, conociendo que 1kcal=4.19 KJ Tabla auxiliar al nomograma para determinar Calores Específicos de Gases (Temperaturas en o C) No Temp. mínima Temp. máxima 10 Acetileno Acetileno agua aire Cloruro de hidrogeno

17 22 Dioxido de azufre Dioxido de azufre Dioxido de carbono Dioxido de carbono Etano Etano Etano Etileno Etileno Hidrógeno Hidrógeno metano metano oxigeno B- Para una temperatura de 100 o C, cual será el calor latente de vaporización del Acido acetico Dioxido de carbono Isobutano Pentano Etanol 17

18 18

19 19

20 20

21 21

22 22

23 Capítulo 2 Mecanismos de Transferencia de Calor TRANSFERENCIA DE CALOR. Se ha descrito a la transferencia de calor como el estudio de las velocidades a las cuales el calor se intercambia entre fuentes de calor y recibidores, tratados usualmente de manera independiente. Los procesos de transferencia de calor se relacionan con las velocidades de intercambio térmico, tales como las que ocurren en los equipos de intercambio de calor en los procesos industriales. Este enfoque aumenta la importancia de las diferencias de temperatura entre la fuente y el recibidor, lo que es, después de todo, el potencial por el cual la transferencia de calor se lleva a efecto. Un problema típico de la transferencia de calor involucra a las cantidades de calor que deben transferirse, las velocidades a las cuales deben transferirse debido a la naturaleza de los cuerpos, la diferencia de potencial, la extensión y el arreglo de las superficies que separan la fuente y el recibidor, y la cantidad de energía que debe disiparse para facilitar la transferencia de calor. Puesto que la transferencia de calor consiste en un intercambio en un sistema, la pérdida de calor de un cuerpo deberá ser igual al calor absorbido por otro dentro de los limites del mismo sistema. La fuerza motriz del intercambio térmico es la diferencia de temperatura entre el cuerpo de mayor temperatura (fuente caliente) y el de temperatura menor (fuente fría). El intercambio térmico entre dos cuerpos consiste en el cambio energético entre moléculas, átomos y electrones libres, es debido as esto que la intensidad de movimiento de las partículas en el cuerpo caliente disminuye mientras que en el frío aumenta. Existen dos métodos para la realización de los procesos de intercambio térmico: por contacto directo de los agentes frío y caliente o a través de una pared que separa dichos agentes (mas difundido en la industria). Durante la transferencia de calor a través de una pared los agentes no se mezclan, sino que se mueven por canales separados. La superficie de la pared que separa los agentes se llama superficie de intercambio de calor. Flujo calorífico. Es la cantidad de calor transmitida de un cuerpo a otro por unidad de tiempo. Cuando el flujo calorífico esta referido al equipo al cual se realiza el proceso se denomina carga calorífica del equipo. Durante el intercambio térmico entre dos cuerpos, ocurrirá la disminución de la entalpía de la fuente caliente y el aumento de la entalpía de la fuente fría. Ecuación de balance térmico: Qced = Qabs + Qperd Qced calor cedido por la fuente caliente Qabs calor absorbido por la fuente fría Qperd calor liberado al ambiente. 23

24 Qced = mc (T 2 -T 1 ), Qabs = mc (t 2 -t 1 ), T 2 y T 1 temperaturas del foco caliente T 2 y T 1 temperaturas del foco frío. La diferencia de temperaturas de entrada y salida de los agentes caliente y frío se denomina calor sensible. En él no existe cambio de fase. La diferencia de temperatura entre el foco caliente y el foco frío se conoce como carga de temperatura y es la fuerza motriz del proceso de transmisión del calor. Mientras mayor sea la carga de temperatura, es decir, cuanto mas grande sea la fuerza motriz del proceso de transmisión de calor, mas grande será la velocidad de transmisión de calor y la cantidad de calor, es decir, el flujo de calor de la fuente caliente a la fría. Mecanismos de la transferencia de calor. Existen tres mecanismos fundamentales: conducción, convección, radiación. Conducción. Se propaga el calor o la energía interna por el contacto directo entre las micro partículas que constituyen el cuerpo. En los cuerpos sólidos, es el mecanismo fundamental de propagación del calor. Convección. Transmisión del calor debido al desplazamiento de pequeños volúmenes de gases y líquidos a distintas temperaturas que se mezclan. Puede presentarse como convección natural o libre, que se produce por la diferencia de densidades en diversas partes del volumen del liquido o gas que están a diferentes temperaturas; o convección forzada como resultado del movimiento forzado de todo el volumen del fluido obtenido con una bomba, ventilador, agitador, etc. Radiación. Transferencia de calor en forma de ondas electromagnéticas de diferente longitud, debidas al movimiento de los átomos y moléculas del cuerpo radiante. Todos los cuerpos son capaces de emitir energía, que al ser absorbida por otros, se transforma de nuevo en calor. Así se realiza el intercambio de calor radiante, constituido por emitir y absorber las radiaciones. Estos mecanismos presentados no se presentan de forma aislada en la práctica, sin embargo, bajo condiciones concretas, por lo común predomina uno de ellos. Transferencia de calor por Conducción Es la transferencia de calor a través de un material fijo. Está vinculada a la distribución de temperatura dentro del cuerpo. La misma caracteriza el estado térmico de un cuerpo y determina su grado de calentamiento. Como el estado térmico de los diferentes puntos de un cuerpo durante la conducción es diferente, la temperatura de un punto dependerá de la posición del punto y del tiempo. Esto se denomina campo de temperatura. 24

25 Si la temperatura varía con el tiempo, el campo de temperatura es inestable (no estacionario) y si no varia es estable o estacionario. Cualquiera que sea el campo de temperatura, existirán puntos de igual temperatura, el lugar geométrico de los cuales constituye una superficie isotérmica. Tales superficies no se cruzan, pues un mismo punto no puede tener dos temperaturas diferentes. Gradiente de temperatura. Es un vector orientado normal a la superficie isotérmica y en el sentido del aumento de temperatura. Es contrario al flujo calorífico por unidad de área. Durante la transferencia de calor, las temperaturas de los agentes varían y, por tanto, también lo hace la carga de temperatura. Ley de Fourier. Es fundamental en la transferencia de calor por conducción. Plantea que la cantidad de calor por conducción es proporcional al área, al tiempo y al gradiente de temperatura. Coeficiente de conductividad térmica (K): cantidad de calor que pasa por unidad de tiempo, a través de la unidad de superficie de intercambio térmico, perpendicular al flujo calorífico, cuando la temperatura disminuye en un grado por unidad de longitud [W/m o C ]. Para aislantes y materiales de la construcción K [ W/m o C ]. Para la mayoría de los líquidos, la conductividad térmica disminuye al aumento de temperatura, excepto el agua, glicerina y algunas soluciones acuosas. Transferencia de calor por conducción a través de una pared. La Ley de Fourier se aplica en estos casos y resulta: Q = KA (tt 1 -t 2 )/ ó q = K(t 1 -t 2 )/ Donde: K: coeficiente de conductividad térmica Q: cantidad de calor : Espesor de pared A: área de la pared perpendicular al flujo de calor (t 1 -t 2 ): variación de temperatura de las superficies interna y externa. Si la pared plana tiene varios espesores (pared compuesta): 25

26 En el ejemplo se muestra de 3 espesores diferentes. q =. t 1 -t 4. 1/ K 1 + 2/ K 2 + 3/ K 3 El factor /K se considera la resistencia térmica de la capa de la pared. En una pared compuesta, la resistencia térmica total será la suma de todas las resistencias térmicas parciales para cada capa de la que este formada. La conductividad térmica de los sólidos es mayor que la de los líquidos, que a su vez es mayor que la de los gases. Es más fácil transmitir calor a través de un sólido que a través de un líquido, y más fácil por un liquido que a través de un gas. Algunos sólidos, tales como los metales, tienen altas conductividades térmicas y se llaman conductores. Otros tienen bajas conductividades y son malos conductores del calor. Estos se llaman aislantes. Las conductividades de los sólidos varían con la temperatura. Transferencia de calor por convección. Convección: La convección es la transferencia de calor entre partes relativamente calientes y frías de un fluido mediante mezclas. Suponga que un recipiente con un líquido se coloca sobre una llama caliente. El líquido que se encuentra en el fondo del recipiente se calienta y se vuelve menos denso que antes, debido a su expansión térmica. El líquido adyacente al fondo es también menos denso que la porción superior fría y asciende a través de ella, transmitiendo su calor por medio de mezcla conforme asciende. La transferencia de calor del líquido caliente del fondo del recipiente al resto es convección natural o libre. Si se produce cualquier otra agitación, tal como la provocada por un agitador, el proceso es de convección forzada. 26

27 La transferencia de calor por convección se debe al movimiento del fluido. El fluido frío a adyacente a superficies calientes recibe el calor que luego transfiere al resto del fluido frío mezclándose con el. La convección libre o natural ocurre cuando el movimiento del fluido no se complementa con agitación mecánica. La convección forzada puede lograrse aplicando un agitador, aunque en algunas aplicaciones se logra haciendo circular los fluidos fríos y calientes a velocidades considerables en lados opuestos de los tubos. La convección forzada ocurre a velocidades mayores que la libre, y es más común. Mientas mayor sea el movimiento del fluido (mayor turbulencia), y mas enérgicamente se realice la mezcla de las partículas del mismo, la transferencia de calor por convección será mas intensa. Se ha determinado que la transferencia de calor de la superficie de un sólido a un fluido, se realiza a la acción simultánea la conducción y la convección. El mecanismo de la conducción lo determina el coeficiente de conductividad térmica y el gradiente de temperatura. La convección la determinan las condiciones hidrodinámicas del fluido. La transferencia de calor efectuada por ambos mecanismos se denomina intercambio de calor por convección o emisión calorífica. Para los procesos de transferencia de calor por convección o emisión calorífica, el régimen del movimiento tiene gran importancia, puesto que el mismo determina el mecanismo de transferencia de calor. Cuando el régimen es laminar, se observa que la transferencia de calor en una dirección normal a la pared se realiza fundamentalmente por el mecanismo de la conducción. Cuando el régimen de la corriente es turbulento, se observa que solo el mecanismo de la conducción se manifiesta en la subcapa laminar, mientras que en la zona del núcleo turbulento la transferencia se efectuad debido al mezclado intenso de las partículas de fluido que conlleva a la nivelación de temperaturas en esta zona hasta un valor promedio. La intensidad de la emisión calorífica se determina por la resistencia al paso del calor en la subcapa laminar adyacente a la superficie del sólido que resulta ser determinante comparada con la del núcleo. 27

28 A través de la subcapa laminar adyacente, el mecanismo predominante es la conducción, la transferencia de calor ocurre debido a la conductividad térmica, por tanto, en el régimen laminar y en el turbulento, en ambos se aplica la Ley de Fourier. La intensidad del intercambio térmico por convección se determina con ayuda de la expresión de Newton-Richman: Q = A (tp-t) Donde: Q: flujo de calor transferido por convección, W A: área de intercambio de calor, m 2 tp: temperatura de la cara de la pared sólida, K t: temperatura media del fluido, K : Coeficiente de proporcionalidad, llamado coeficiente de emisión calorífica o coeficiente individual de transferencia de calor, W/m 2. Grado La constante de proporcionalidad es un término sobre el cual tiene influencia la naturaleza del fluido y la forma de agitación, y debe ser evaluado experimentalmente. La magnitud caracteriza la intensidad de la transferencia de calor entre la superficie sólida y el fluido. El coeficiente de emisión calorífica representa la cantidad de calor entregada en la unidad de tiempo por unidad de superficie, cuando la diferencia de temperaturas entre la superficie y el fluido es la unidad. =. Q. A (tp-t) Hay que señalar que es una función compleja con muchas variables, sobre todo en régimen turbulento, por lo que dependerá de los factores siguientes: 28

29 El carácter del movimiento del fluido que cede el calor (laminar o turbulento), es decir, la velocidad del fluido, su densidad y su viscosidad. Las propiedades físicas de los fluidos ya sea el calor especifico, la conductividad calorífica y en algunos casos el coeficiente de expansión volumétrica. Las magnitudes geométricas, por ejemplo: para los tubos su diámetro, longitud y rugosidad. De lo anterior se concluye que al calcular el flujo de calor por convección, las dificultades serán al calcular. Esta se calcula utilizando los criterios de: Nusselt: Expresa la relación entre la intensidad de la transferencia de calor por convección y la que se efectúa por conducción en la subcapa laminar. Prandtl: Caracteriza la similitud. de propiedades físicas de los agentes que toman parte en la transferencia de calor por convección. Esta constituido por las propiedades físicas del fluido. Grashof: Caracteriza la correlación de las fuerzas de rozamiento, inercia y sustentación debido a las diferencias de densidades en los distintos puntos del flujo no isotérmico. Es evidente que si el flujo es isotérmico (Ejm: transferencia de calor de un vapor que se condensa hacia un líquido hirviendo durante la evaporación química de una disolución que se desea concentrar) este criterio es cero. Reynolds: Caracteriza el régimen hidrodinámico y es una medida de la relación entre las fuerzas de inercia y las de rozamiento interno de flujo. Los valores de las propiedades físicas de los fluidos en los diferentes criterios se tomaran por la llamada temperatura determinante. Esta temperatura se indica en cada caso concreto de emisión calorífica. Ejm. La temperatura determinante será la temperatura media del fluido. t det = t media = t i -t f 2 La temperatura determinante será la temperatura de la capa limite (película). t det = t pel = t p -t media 2 La transferencia de calor por convección procede como resultado de la mezcla, por tanto, la transferencia de calor por convección lograda a régimen turbulento es mayor que en régimen laminar. 29

30 Transferencia de calor por radiación. El fenómeno de la radiación es una propiedad de todos los cuerpos, la radiación de la energía se produce continuamente como resultado de los movimientos interatómicos, cuya intensidad esta determinada por la temperatura del cuerpo. En este caso, los portadores de energía de radiación son las oscilaciones electromagnéticas, cuyas longitudes de ondas pueden variar desde pequeños valores (micrómetros) hasta muchos kilómetros. Para nuestro estudio solo interesaran las radiaciones cuyo surgimiento es determinado solo por la temperatura y las propiedades ópticas del cuerpo radiante. Tales propiedades las poseen los rayos luminosos e infrarrojos cuya longitud de onda esta entre micrómetros. Estos rayos se denominan rayos térmicos y al proceso de su propagación, radiación térmica. Cuando la energía radiante emitida por un cuerpo incide en otro, se absorbe solamente una parte de esta, otra parte se refleja y la otra se transmite a través del cuerpo. Aquella parte de la energía radiante que es absorbida por el cuerpo, se transforma nuevamente en energía térmica. La energía que se refleja incide sobre otros cuerpos circundantes y es absorbida parcialmente por estos, lo mismo ocurre con la energía que pasa a través del cuerpo. De este modo, después de una serie de absorciones, la energía radiante se distribuye por completo entre los cuerpos circundantes. Por tanto, cada cuerpo no solo irradia ininterrumpidamente, sino que absorbe también sin cesar la energía radiante. Como resultado de estos fenómenos ligados a la doble transformación mutua (térmicaradiante-térmica), se realiza el proceso de intercambio de calor por radiación. La cantidad de calor cedido o absorbido se determinara por la diferencia entre las cantidades de energía radiante emitida y absorbida por el cuerpo.. Dicha diferencia es distinta de cero, si la temperatura de los cuerpos que participan en el intercambio de energía radiante es diferente.. Cuando la temperatura de estos cuerpos es igual, todo el sistema se encuentra en equilibrio térmico. En este caso, todos los cuerpos del sistema también emiten y absorben, solo que para cada uno de ellos la absorción de energía radiante es igual a su gasto.. La cantidad de energía radiante que pasa a través de una superficie en una unidad de tiempo se denomina flujo de radiación o radiante (Q). Si el cuerpo absorbe toda la energía incidente en él se denomina cuerpo negro. Si el cuerpo refleja toda la energía incidente en él se denomina cuerpo blanco. Si el cuerpo deja pasar toda la energía incidente en él se denomina cuerpo transparente o diatérmico. En la naturaleza no existen cuerpos absolutamente blancos, negros o transparentes, es por eso que a los cuerpos reales que absorben, reflejan y dejan pasar una u otra parte de la luz incidente se denominan cuerpos grises. 30

31 Intercambio de calor por radiación entre los cuerpos. Los cuerpos no solo emiten, sino que también absorben y reflejan la energía que es emitida por otros cuerpos al medio circundante. La cantidad de calor irradiado que cede un cuerpo más caliente a otro menos caliente se determina por: Q = Co (1-2) A[ (T 1 /100) 4 - (T 1 /100) 4 ] Donde: Q: cantidad de calor transferido por radiación en unidad de tiempo, W A: área de superficie de radiación, m 2 Co (1-2) : coeficiente de radiación del sistema W/m 2 K 4 T 1 y T 2 : temperaturas absolutas de cuerpos caliente y frío respectivamente, K : Coeficiente angular medio. : se determina con la forma y las dimensiones de las superficies que participan en el intercambio térmico, su situación mutua en el espacio y la distancia entre ellas. El coeficiente de radiación depende de la disposición mutua y de la emisividad de las superficies radiantes alas temperaturas T 1 y T 2. Perdidas de calor al medio Cuando se evalúan las pérdidas de un equipo, se observan que las mismas ocurren tanto por convección como por radiación, es por eso que se necesita determinar un coeficiente de emisión calorífica combinado, que tenga en cuenta la transferencia conjunta de calor por convección y radiación. Para equipos que se encuentren en locales donde la temperatura de superficie del equipo no exceda los 150oC, puede utilizarse la expresión = T T: diferencia de temperatura entre la superficie del aparato y el aire circundante. : Coeficiente total de emisión calorífica por convección y radiación. Para disminuir las perdidas de calor al medio ambiente, generalmente los aparatos van cubiertos por una capa aislante formada por un material de baja conductividad térmica. Esto conduce a que aumente la resistencia a la transferencia de calor y disminuya la temperatura de la superficie exterior. La determinación del espesor de la capa aislante se basara en las perdidas permisibles de calor o en las temperaturas permisibles de la pared exterior. 31

32 Temperatura: Los procesos de transferencia de calor en los cuales las temperaturas se mantienen constantes son pocos difundidos. Es mas frecuente encontrar que en los equipos industriales las temperaturas de los agentes que toman parte varíen. La transferencia de calor a temperaturas variables depende de la dirección mutua en el movimiento de los portadores de calor. En los procesos continuos de intercambio térmico son posibles las siguientes variantes en la dirección del movimiento de los fluidos, uno respecto al otro a lo largo de la pared que los separa: corriente o flujo paralelo, para el cual los fluidos se mueven en la misma dirección flujo a contracorriente, para el cual los fluidos se mueven en dirección contraria. corriente o flujo cruzado, si los agentes se mueven de forma perpendicular corriente mixta, cuando un fluido se mueve en una dirección y el otro se mueve tanto en paralelo como en contracorriente. La fuerza motriz de los procesos de transferencia de calor en el caso que las temperaturas sean variables, cambia en dependencia del tipo de dirección reciproca en el movimiento de los portadores de calor. Es por eso que se usa un valor promedio de dicha fuerza motriz que se denomina carga de temperatura media (Tm). Para el flujo en paralelo, la temperatura final del agente frío siempre será menor que la temperatura final del agente caliente. Durante el flujo a contracorriente, la temperatura final del agente frío puede ser mayor que la temperatura final del agente caliente. Por esto para la misma temperatura inicial del agente frío, en el caso de flujo a contracorriente, se puede calentar hasta una temperatura mas alta, que en el caso de flujo en paralelo. La diferencia de temperatura (T m) los dos agentes a lo largo de la superficie durante el flujo paralelo varia de manera mas acentuada que durante el flujo a contracorriente. Por tanto; La carga de temperatura media para el flujo a contracorriente es mayor que para el flujo en paralelo, cuando los agentes varían sus temperaturas en los mismos intervalos. La ventaja del flujo a contracorriente sobre el paralelo en los procesos de intercambio térmico, esta en que los valores de la fuerza motriz en el primer caso son superiores que en el segundo, por lo que la superficie de intercambio térmico requerida es menor bajo las mismas condiciones de transferencia. Para el caso en que en el intercambio térmico participe un agente que no varíe su temperatura, ya sea la condensación de vapor saturado o la ebullición de liquido, la carga de temperatura media será la misma tanto para el flujo en paralelo como a contracorriente. 32

33 Ejercicios Propuestos Capítulo 2 1- Indique la respuesta correcta con una cruz (X) Cuáles son los mecanismos de transferencia de calor? Conducción, convección y radiación Condensación y vaporización Evaporación y ebullición En qué estado de la sustancia predomina más el mecanismo de la conducción? Sólidos Líquidos Gases Cuál es el mecanismo que predomina en el flujo de vapor circulando por el interior de una tubería? Conducción Convección Evaporación Qué mecanismo ocurre cuando existe en un fluido zonas de diferentes densidades? Convección libre Convección forzada Conducción 2- Marque con una cruz (X) la respuesta correcta. Qué ocurre en la ebullición? Hay cambio de fase Se forma el vapor en la superficie del líquido. En la masa del líquido no se aprecia movimiento. 3- Diga verdadero (V) o falso (F) La transferencia de calor por radiación ocurre sin una transferencia directa de energía cinética entre las moléculas. 4- Nombre dos factores que influyen en la cantidad de transferencia de calor radiante. 33

34 Capítulo 3 Intercambiadores de calor. Coeficiente global de transferencia de calor. Al analizar un proceso de transferencia de calor entre un agente caliente y uno frío a través de una pared, es necesario considerar la acción conjunta de los mecanismos fundamentales de la transferencia de calor. La parte física del proceso la determinan por completo los mecanismos de la conducción, convección y radiación, por lo que se necesita conocer las características cuantitativas del proceso en general. Este es el objetivo del cálculo del Coeficiente global de transferencia de calor, que determina la velocidad media de transferencia de calor a lo largo de la superficie de intercambio térmico. Se define como la cantidad de calor que se transfiere entre el agente caliente y el frío en la unidad de tiempo a través de la unidad de superficie, cuando la carga de temperatura es igual a la unidad. El Coeficiente global de transferencia de calor limpio se determina cuando se considera la superficie de intercambio limpia de deposiciones o incrustaciones, que puedan dejar los fluidos que toman parte en el proceso. Cuando los equipos de transferencia de calor han estado operando durante algún tiempo, es frecuente la deposición de sólidos sobre la superficie de transferencia de calor. Esto puede ocurrir para los dos agentes que forman parte en el proceso de transferencia de calor. Para los intercambiadores de calor esto se aprecia tanto para el fluido que va dentro de los tubos, como para el que va fuera de los mismos. Las deposiciones en la superficie de transferencia de calor se denominan incrustaciones y las mismas crean una resistencia adicional al proceso de transferencia de calor. Dicha resistencia disminuye el valor del coeficiente global limpio y trae como consecuencia que la carga calorífica requerida no se transfiera por la superficie original del equipo, la temperatura final del agente caliente aumenta, y la final del agente frío disminuye respecto a la temperatura de salida deseada, aun cuando los coeficientes totales de emisión calorífica se mantengan constantes. Para obviar las dificultades, en el diseño de los equipos de intercambio térmico se considera una resistencia denominada factor de obstrucción o de incrustación, el cual se obtiene de la suma de los factores de obstrucción de los fluidos que toman parte en el proceso de transferencia de calor. Cuando el coeficiente global de transferencia de calor toma en cuenta las resistencias debido a las incrustaciones se le denomina Coeficiente global de transferencia de calor sucio. La expresión que relaciona ambos coeficientes es: 1/U d = 1/U L + Rd donde: U d : Coeficiente global de transferencia de calor sucio. U L : Coeficiente global de transferencia de calor limpio. Rd: factor de obstrucción 34

35 Intercambiadores de calor En la Industria Química se emplean ampliamente diferentes operaciones de transferencia de calor de unas sustancias a otras. Las sustancias que toman parte del proceso se denominan portadores de calor y los aparatos donde se realiza la transferencia se conocen como intercambiadores de calor. Los equipos de intercambio térmico se definen por las funciones que desempeñan en un proceso, aunque todos se usan para la transferencia de calor entre corrientes del proceso.. Calentadores: se usan para calentar fluidos. Generalmente se usa como agente de calentamiento vapor de agua, fracciones de petróleo y otros líquidos calientes. Enfriadores: Se usan para extraer calor de un agente caliente. El agua es el agente de enfriamiento mas utilizado. Condensadores: Son enfriadores que extraen el calor latente de un vapor. Hervidores: Suministran el calor necesario para el cambio de fase de un liquido. Evaporadores: Se usan para concentrar soluciones mediante la evaporación del agua. Principales agentes de calentamiento: vapor de agua, vapores de líquidos con temperaturas de ebullición elevadas, líquidos calientes, gases calientes, corriente eléctrica, y otros. El agente de calentamiento mas utilizado es el vapor saturado de agua a baja presión, por su elevado coeficiente de emisión calorífica, su bajo costo y por producir un calentamiento uniforme a temperatura constante y fácil de controlar. Es poco frecuente el uso de vapor de agua recalentado por ser menor su coeficiente de emisión calorífica que el del vapor saturado. Cuando la sustancia puede mezclarse con el condensado del vapor, se utiliza el calentamiento con vapor vivo, el cual se introduce directamente en el líquido. La utilización de gases industriales como agentes de calentamiento permite disminuir el consumo de combustibles en las plantas industriales y contribuye al logro de mayor eficiencia económica en las plantas industriales. Empleando estos gases, es posible alcanzar temperaturas superiores a 400 o C. Los agentes de enfriamiento más usados son: el agua, el aire, líquidos fríos, salmueras. Para temperaturas por debajo de 0 o C se emplean vapores de líquidos volátiles (ejm. Amoniaco), gases licuados (ejm. CO 2, etano, otros) o salmueras refrigerantes. El mas usado es el agua por sus siguientes ventajas: elevado calor específico, coeficiente de emisión calorífica alto, facilidad de empleo. 35

36 Para disminuir la acción corrosiva del agua, los tubos son construidos de aleaciones como admiralty, latón rojo, cobre, aluminio y aluminio al bronce. Como las corazas se construyen de acero en la mayoría de los equipos, será recomendable hacer circular agua por el interior de los tubos y construir el cabezal y el carrete de hierro fundido, que es bastante pasivo al agua. Para disminuir las incrustaciones de sales minerales en las paredes de los tubos, se recomienda que la temperatura de salida del agua de enfriamiento no sea superior a 50oC. La velocidad en el agua en el interior de los tubos debe ser 1m/s o ligeramente superior, para evitar que se adhieran a los tubos lodos por la acción microbiana en el fluido. El aire, al igual que otros gases, tiene coeficientes de emisión relativamente bajos. Para usar el aire atmosférico como agente de enfriamiento es necesario establecer una circulación forzada con ventiladores y aumentar la superficie de contacto. Ejm. Uso de superficies extendidas. Según el método empleado para realizar la transferencia de calor los intercambiadores se clasifican el tres grandes grupos: Superficiales. La transferencia de calor se realiza a través de una pared que separa a los dos agentes. tubulares: de tubo en tubo (tubos concéntricos), de tubos en cuerpo (tubos y carcaza), de irrigación, de inmersión. Laminados Espirales De camisa De regeneración. La transferencia de calor ocurre en dos periodos, con el paso alterno de los agentes sobre las empaquetaduras del intercambiador. De mezcla. Existe contacto directo entre los agentes que participan en el intercambio de calor. Intercambiadores superficiales Intercambiador de tubo en tubo Se compone de varios elementos cada uno de los cuales esta integrado por dos tubos concéntricos. El tubo exterior tiene mayor diámetro que el interior. El tubo interior de cada elemento se une con el del siguiente por codos con bridas. El tubo exterior de cada elemento se une también con los elementos vecinos, con lo que se crea un conducto para el flujo de uno de los agentes. Un agente pasa por el interior del tubo interior y el otro por el espacio anular entre los tubos. 36

37 Ventajas: Son equipos sencillos con alto coeficiente de transferencia de calor y menor posibilidad de incrustaciones, debido a la elevada velocidad de los agentes. Limitaciones: Son mas voluminosos y costosos. El área de intercambio se crea solamente en la superficie de los tubos internos. No es fácil la limpieza en el espacio anular. Se emplean para procesar pequeños flujos de fluidos, transferencia liquido vapor y como refrigerante de gases. Intercambiador de tubo y coraza Es el equipo de intercambio térmico mas usado en la industria química. Formado por un haz de tubos dispuestos en el interior de un cuerpo o coraza. Los tubos se encuentran fijados en placas horadadas. Uno de los agentes se mueve dentro de los tubos y el otro por fuera de los tubos (lado de la coraza). Se denomina pase al desplazamiento de un agente por toda la longitud del aparato. Este recorrido no es rectilíneo necesariamente. Los intercambiadores pueden ser de un pase o multipases. Los tabiques transversales se emplean tanto en los intercambiadores de un pase como en los multipases, y no modifican el número de pases del agente que se mueve por el exterior de los tubos. Los tabiques segmentados son los más frecuentes en los intercambiadores de calor, y su número depende de la longitud de los tubos y de la separación entre ellos. La distribución de los tubos esta en función de las necesidades del proceso. Los intercambiadores de calor de un pase se emplean para procesar una gran cantidad de líquido o cuando uno de los agentes es gas o vapor. En otras situaciones se emplean los intercambiadores multipases para lograr mayor eficiencia en la transferencia de calor, aunque tienen como desventaja el aumento de la resistencia hidráulica en el equipo, y la construcción del mismo es más compleja también. Los intercambiadores de tubo en cuerpo pueden ser colocados horizontal o verticalmente. Cuando se les coloca verticalmente, los fluidos se mueven a contracorriente, el agente de enfriamiento se moverá de abajo hacia arriba, mientras que el que cede calor se moverá en sentido contrario. Tal dirección del flujo para cada sustancia, coincide con la dirección de las corrientes convectivas originadas por el cambio de densidad al calentarse o enfriarse. Durante la transferencia de calor los tubos y la envoltura se calientan y dilatan. Cuando los tubos se encuentran unidos a dos placas fijas no pueden dilatarse libremente y se originan tensiones por la diferente dilatación de los tubos y las placas. Los 37

38 intercambiadores de placa fija se emplean cuando existe una pequeña diferencia de temperatura entre los tubos y el cuerpo. Si la diferencia de temperatura entre los agentes es mayor que 50 o C, no es posible utilizar intercambiadores con cabezal fijo. Para lograr compensar la dilatación desigual de los tubos y el cuerpo, se emplean intercambiadores con una placa fija y otra móvil, así como diferentes dispositivos compensadores, tales como el compensador lenticular, el uso de tubos en forma de U unidos a una sola placa, y el empleo de tubos unidos a placas móviles con prensaestopas. Los tubos para intercambiadores de calor se encuentran disponibles en varios metales los que incluyen acero, cobre, aluminio-bronce y acero inoxidable entre otros. El diámetro exterior de los tubos se mide en pulgadas dentro de tolerancias muy estrictas, y diferentes gruesos de pared. Existen diferentes arreglos para los tubos de intercambiadores: Arreglo en cuadro Arreglo triangular Arreglo en cuadro rotado Arreglo triangular con espacio para limpieza: Los orificios de los tubos no pueden taladrarse muy cerca uno de otro. La distancia mas corta entre dos orificios es el claro o ligadura, y estos son medidas estandar. Los arreglos en cuadro es donde los tubos se encuentran más accesibles para la limpieza externa. 38

39 Arreglos En los arreglos triangulares es donde se logra mayor turbulencia. Debido a que los mayores coeficientes de transferencia de calor se logran con los estados de turbulencia, se sitúan en los intercambiadores los llamados deflectores, que hacen que el liquido fluya a través de la coraza a ángulos rectos con el eje de los tubos, incrementando el movimiento del fluido. Deflectores Al usar intercambiadores de cabezal de tubo fijo, es necesario tener en cuenta la expansión térmica entre los tubos y la coraza durante la operación, o de otra manera se desarrollaran esfuerzos térmicos. Una solución es usar juntas de expansión. Desde el punto de vista práctico, es difícil obtener altas velocidades cuando uno de los fluidos fluye a través de un solo paso. Esto puede modificarse haciendo que el fluido en los tubos pase en dos mitades del tubo sucesivamente. (Intercambiador 1-2) Intercambiadores de tapa flotante. Son usados para evitar daños por la expansión térmica del metal con las altas temperaturas. Los intercambiadores que usan agua son bastante frecuentes. El agua es muy usada como principal agente de enfriamiento. A pesar de su abundancia, las características de transferencia de calor del agua la separan de los demás fluidos. Es corrosiva al acero, particularmente cuando la temperatura de la pared de los tubos es alta y hay presente aire disuelto, muchas veces se usan equipos de materiales no ferrosos en equipos que trabajan con agua. Los materiales para los tubos no ferrosos más comunes son el admiralty, latón, cobre, aluminio al bronce y aluminio. Puesto que las corazas se fabrican de acero, el agua debe circular por el interior de los tubos. El agua también debe ser controlada por las incrustaciones o aparición de lodos microbianos que pueden aparecer en los tubos del intercambiador. Deben evitarse velocidades menores de 3 pies/seg para aguas de enfriamiento. Cuando se usa vapor de agua como medio de calentamiento aparecen algunas dificultades también. El condensado caliente es muy corrosivo, y se debe tener cuidado para evitar acumulación en el interior donde pueda ocasionar daños. 39

40 Cuando un fluido debe calentarse a temperaturas cercanas o superior a la del vapor de escape, si la temperatura de salida del fluido frío se aproxima a la del vapor de escape en un primer intercambiador (calentador), este será grande en cuanto a dimensiones. Por otra parte, si este rango de temperaturas no es cercano, en el segundo intercambiador (calentador) los costos de operación serán elevados. Ventajas de los intercambiadores de tubo y coraza: Equipos compactos, fácil la limpieza en el interior de los tubos, es pequeña la cantidad de metal que no participa en el intercambio. Limitaciones: Velocidades pequeñas para el fluido que se mueve por fuera de los tubos. Difícil limpieza en el espacio intertubular y no se deben trabajar con presiones muy elevadas. Otros tipos de intercambiadores: Intercambiador de irrigación. Ventajas.: Equipos de construcción simple y bajo costo, es pequeño el gasto de agua de enfriamiento, fácil de inspeccionar y limpiar los tubos. Limitaciones: Instalaciones voluminosas y sensibles a cambios en la instalación de agua. Se producen perdidas de agua por evaporación. Los coeficientes de transmisión térmica son bajos. Intercambiador de inmersión. Se emplean como enfriadores de líquidos y gases, como condensadores y calentadores de líquidos. Ventajas.: Construcción simple, fácil inspección y reparación. Son poco sensibles a cambios en el régimen de flujo y flexibilidad en la operación. Limitaciones: Instalación relativamente grande. Es pequeño el valor del coeficiente de emisión calorífica del líquido por fuera de los tubos. Para aumentar el valor del coeficiente total de transferencia de calor se instala un agitador. Intercambiadores de placas Su construcción es complicada, aunque se desarman y se limpian con facilidad. Su empleo más importante es en medicamentos y la industria alimenticia. Existen algunas reglas generales para decidir la disposición de los agentes, aunque son solo aproximaciones y pueden ser flexibles. El agente que posee menor coeficiente de emisión calorífica debe pasar por dentro de los tubos, para lograr un alto coeficiente total de transferencia de calor. 40

41 El agente caliente debe pasar por el interior de los tubos en los calentadores y por el espacio intertubular en los refrigerantes. Con esto se lograría disminuir las perdidas en un caso y la disminución del consumo del agente frío en el otro. El agente que provoque mas incrustaciones, moverse por el lado donde la limpieza es mas fácil. Si uno de los agentes esta sometido a presión alta, se pasara por dentro de los tubos, para que el equipo no este sometido a presiones elevadas. El agente mas corrosivo circulara por dentro de los tubos, con lo cual se puede construir la coraza o tubo exterior con un material menos costoso que el de los tubos. Superficies extendidas (aletas). Algunos tipos de superficies extendidas en forma de estrella. Son dispositivos metálicos que se adicionan para aumentar la transferencia de calor. Con ellas se aumenta el flujo de calor a través de la superficie, sin aumentar mucho la caída de temperatura a través de la pared, o sea, debe tener una resistencia casi nula a la transferencia de calor. Las superficies extendidas se colocan por el lado de menor coeficiente de emisión de calor, pueden utilizarse por dentro y fuera de los tubos. Por ejemplo: se colocan superficies extendidas fuera de los tubos cuando por ese lado fluye un producto viscoso, un liquido en régimen laminar o un gas y por dentro de los tubos cuando ocurre una condensación o fluye un liquido en régimen turbulento. Las superficies extendidas se fabrican de diversas formas, tales como discos rectangulares, aletas longitudinales, aletas helicoidales, y diferentes tipos de aletas discontinuas tales como las de estrella, de espina, de dientes, etc. Aunque en general, a todas las superficies extendidas se les conoce como aletas. Las aletas se construyen con aleaciones de elevada conductividad térmica y con un pequeño espesor, de modo que la resistencia que presentan a la transferencia de calor, pueda despreciarse. 41

42 Condensación El cambio de un estado de vapor a líquido se llama condensación. Se emplea para obtener la rarificación (vacío) en diferentes aparatos. La condensación tiene gran importancia en las torres de destilación y en los evaporadores. La temperatura de condensación en el condensador de una torre de destilación es la que determina la presión de operación de dicha torre. Mecanismos de condensación condensación en película: el líquido condensado moja la superficie de transferencia de calor y forma una capa liquida continua. condensación en gotas. El líquido no moja la superficie, sino que forma gotas de diferentes tamaños. Estas gotas crecen durante algún tiempo, luego caen y dejan libre la superficie, en la que se forman nuevas gotas. En general, en las superficies limpias y lisas ocurre preferentemente la condensación en película y sobre las superficies grasientas tiende a ocurrir la condensación en gotas. Según la manera de enfriar, los condensadores se dividen en: de mezcla y superficiales. En los condensadores de mezcla, se establece el contacto directo del vapor y el agua usada como refrigerante. Según el procedimiento de evacuación del agua de condensado y de los gases no condensables, los condensadores de mezclas se dividen en secos y mojados. En los condensadores superficiales el calor se extrae del vapor condensable a través de una pared. No existe contacto directo. Como condensadores superficiales pueden emplearse intercambiadores de diferentes tipos, pero los mas usados son los tubulares y los de irrigación. Otra clasificación de los condensadores tiene en cuenta si además de la condensación tiene lugar el desobrecalentamiento del vapor o el subenfriamiento de los condensados. Según esta clasificación existen tres tipos de condensadores: condensador, condensador desobrecalentador y condensador subenfriador. Los condensadores se denominan totales o parciales, si ocurre o no la condensación de toda la masa de vapor. Los condensadores parciales eran conocidos anteriormente como deflemadores (extractores de flema). Para la condensación de vapores simples diferentes del vapor de agua, se emplean generalmente intercambiadores 1-2 modificados, en los que se hace circular el vapor por fuera de los tubos. En la figura se muestra un condensador 1-2 en el cual el flujo de vapor es dividido en dos corrientes mediante un deflector longitudinal y placas transversales de soporte. 42

43 Cuando se necesita condensar un vapor y al mismo tiempo subenfriar el condensado por debajo de su temperatura de saturación, el proceso se denomina condensación y subenfriamiento. El procedimiento se emplea en procesos de destilación que origina líquidos volátiles como la gasolina, con ello se enfría el condensado antes de almacenarlo y disminuyen las perdidas del producto. La posición del condensador influye en el valor del coeficiente pelicular de transferencia de calor. En general, cuando los tubos son colocados horizontalmente, presentan un coeficiente dos o tres veces mayor que cuando son colocados verticalmente. Cuando los condensadores deben poseer una elevada área de transferencia de calor (5000 m 2 ó más), se les coloca horizontalmente para facilitar la distribución del vapor y la extracción del condensado. Cuando se desea condensar el vapor y subenfriar el condensado resulta mas adecuado el condensador vertical. El condensador de mezcla o barométrico es un equipo donde se produce el contacto directo de la masa de vapor y el agente de enfriamiento. Lógicamente, estos equipos se emplean para condensar vapor de agua u otro vapor que no afecte el mezclado con el agua. Los condensadores barométricos son más sencillos y baratos que los equipos tubulares usados como condensadores. Para aumentar la superficie de contacto entre el agua y el vapor, se emplean dispositivos que alimentan el líquido en forma de gotas, chorros, etc. Por la parte superior del condensador se extraen los gases no condensables, puesto que la presencia de los mismos haría disminuir el vacío existente en el aparato. La masa gases no condensables representa el 1 % de las masa del vapor. Frecuentemente, la presión dentro del condensador se mantiene en el intervalo de atm ( kpa) Los condensadores de mezcla se emplean ampliamente para crear rarificación en las instalaciones que funcionan al vacío, entre ellas los tachos y evaporadores de la industria azucarera, filtros rotatorios a vacío, secadoras a vacío, etc. 43

44 Ejercicios Propuestos Capítulo 3 1-Nombre qué mecanismo de transferencia de calor se pone de manifiesto en los siguientes equipos. Hogar de la caldera Intercambiador de calor (enfriador) Condensador Tubería de vapor. 2- Diga verdadero (V) o falso (F) A mayor diferencia de temperatura entre una superficie sólida y los fluidos en ambos lados de la superficie, más lenta será la velocidad de la transferencia de calor que ocurre. El ajuste de la velocidad de flujo de una tubería afecta el grosor de la película límite y aumenta o disminuye la velocidad de transferencia de calor. 3-Marque con una cruz (X) la respuesta correcta. a) Cuáles son los factores que afectan la transferencia de calor? El tipo y la cantidad de sustancia La cantidad de sustancia y la diferencia de temperatura. El tipo y la cantidad de sustancia, junto con la diferencia de temperatura. La diferencia de temperatura y el tipo de sustancia. b) Cuándo es que deben usarse los intercambiadores de cabezal flotante? Cuando los dos fluidos tienen semejante temperatura. Cuando los dos fluidos tienen diferente temperatura y su diferencia es menor de 50 o C. Cuando los dos fluidos tienen diferente temperatura y su diferencia es mayor de 50 o C. 4- Cuál es el efecto del óxido y las incrustaciones en las capacidades de transferencia de calor en la pared de una tubería? 5- Mencione tres intercambiadores estudiados en clase y tres características de cada uno. 44

45 6- Cuál es la función de los deflectores en los intercambiadores de tubo y coraza? Para sujetar los tubos Para lograr turbulencia en el fluido. Para disminuir la velocidad del fluido. 7- Una de las limitaciones de los intercambiadores de tubo y coraza es: Equipos compactos. Velocidades pequeñas del fluido Pequeña cantidad de metal que no participa en el intercambio. 8- Nombre dos problemas que pueden aparecer que afecten las condiciones de temperatura en el intercambiador. 45

46 Capítulo 4 Tratamiento de Agua para la Industria El agua. Propiedades. El agua es la combinación de los elementos químicos hidrógeno y oxígeno. El agua pura es incolora, no tiene olor ni sabor. Difiere de cualquier otra sustancia en la naturaleza por las siguientes características: Cuando se calienta de 0-4 o C su volumen no se incrementa, sino al contrario disminuye, por lo cual se obtiene la máxima densidad. El agua cuando se congela se expande al contrario del resto de las sustancias, por lo cual su densidad disminuye. El punto de congelamiento disminuye con incrementos de la presión. EL calor específico del agua es extremadamente alto comparado con otras sustancias. Es mejor solvente y agente disociador que otras sustancias. Es la de mayor tensión superficial de todos los líquidos excepto el mercurio. Clasificación de las aguas de acuerdo a sus contaminantes: carbonatadas sulfatadas salobres (presencia de cloruros) Clasificación de las aguas de acuerdo a la fuente de abasto: superficiales subterráneas En Cuba, las aguas son fundamentalmente bicarbonatadas, la cual las hace inapropiadas para su uso como agua de reposición a calderas, así como para los distintos procesos industriales. De ahí la importancia del tratamiento químico del agua para la industria. Conocer la calidad del agua cruda es fundamental porque de eso depende el tratamiento adecuado que se empleará, según el destino de esa agua. En cualquier industria el agua total que entra se distribuye a los distintos consumidores. Agua para uso social Agua para enfriamiento Agua para tratamiento químico de agua (TQA) Otros usos En las Plantas de Vapor, el agua que se utiliza para alimentar las calderas provenientes de grandes depósitos naturales o artificiales, tales como lagos, pozos, presas, acueductos, etc. Cualquiera que se sea su procedencia, esta agua no puede encontrarse nunca absolutamente pura. El número y carácter de las impurezas contenidas en el agua es muy variable y depende de su origen y de los distintos procesos por los que atraviesa hasta su utilización en la planta. La seguridad y el adecuado mantenimiento de los principales equipos de la planta exigen que las referidas impurezas sean reducidas en el mayor grado posible. La utilización de un agua sin el apropiado tratamiento previo en el ciclo de la planta puede provocar graves consecuencias, de las cuales las más importantes son: 46

47 Las incrustaciones en los tubos de las calderas La corrosión de las superficies metálicas de las calderas, calentadores y tuberías. El arrastre de partículas sólidas o líquidas. La cristalización en las costuras y juntas de domos y tubos de las calderas. Estos daños son mayores en la misma medida que el régimen de Presión a que trabaje la caldera sea mayor. El tratamiento del agua consiste en el conjunto de procesos mecánicos, físicos y químicos que permiten la reducción de sus impurezas hasta el grado que requiera su utilización en el tipo y régimen de trabajo de la planta. Impurezas más comunes en el agua. El tipo de sustancias contenidas en el agua depende de la naturaleza de los terrenos por donde pasa hasta el lugar de depósito. Por esta razón, el tratamiento que se le aplica al agua varía con la localidad en que está situada la planta, siendo difícil encontrar dos plantas que utilicen idéntico tratamiento. En términos generales podemos encontrar tres tipos de impurezas: a.- Sólidos en suspensión: están constituidos por partículas no disueltas, que de acuerdo con su tamaño y número, hacen el agua más o menos turbia. Las más comunes son: arcilla, fango fino, restos orgánicos, algas, bacterias, arena, piedras, palos, etc. b.- Sólidos disueltos: entre ellos tenemos principalmente las sales minerales, sobre todo de sodio, calcio y magnesio, cuya presencia en el agua hace que se denomine a esta agua dura. Ocupan un lugar importante los carbonatos y bicarbonatos de calcio y magnesio. Los sulfatos aparecen también en el agua con mucha frecuencia; entre estos, tenemos el sulfato de calcio, el cual, a diferencia de la gran mayoría de las sales es menos soluble a alta temperatura, lo cual la hace más peligroso, pues a la temperatura existente en las calderas se hace insoluble, produciendo durísimas incrustaciones. Otras sales contenidas en el agua son los cloruros de sodio, calcio, potasio y magnesio. La sílice (SiO 2 ) es otro elemento que a menudo trae disuelto el agua y que debe tratarse de eliminar en el mayor grado posible, ya que es la causante de la cristalización. c.- Gases disueltos: Los principales son el oxígeno (O 2 ) y el dióxido de carbono ( CO 2 ) adquiridos por el agua en su caída en forma de lluvia a través de la atmósfera. El O 2 provoca la corrosión en las calderas y otros equipos y el segundo además aumenta el poder disolvente del agua, incrementando el número de sales en su contenido. 47

48 Compuestos más comunes en las agua naturales (Tabla Resumen). Iónicas Disueltas No iónicas Gaseosas Cationes Aniones Insolubles Ca HCO 3 Turbidez CO 2 Mg CO 3 Color H 2 S Na OH Materia orgánica NH 3 K SO 4 SiO2 coloidal CH 4 NH4 O 2 microorganismos O 2 Fe NO 3 bacterias CL 2 Mn PO 4 SiO 4 M.O. Color Calidad del agua de alimentación. Una vez visto los daños que causa a las calderas el agua sin tratar, se comprende que la calidad del agua de alimentación está dada por la eliminación o reducción hasta límites no dañinos del contenido de impurezas, es decir, de las sustancias sólidas, en suspensión o disueltas, y de los gases. Al agua químicamente tratada se le exigen y controlan las siguientes especificaciones: Características UM Valor Normalizado 1.- Dureza total como CaCO 3 ppm O 2.- Sólidos disueltos ppm 3500, máximo 3.- PH unidades 8,5 a 10,5 4.- Contenido de gases ( O 2 ) ppm 0,4, máximo 5.- Cloruros ppm 30 a 60 Donde ppm significa miligramo de sustancia por litro de solución. Procesos de tratamiento del agua. El tratamiento que se aplica al agua para alcanzar las especificaciones o calidad a la que se debe alimentar a las calderas es muy variable, pues depende del tipo de impurezas que posea, así como las condiciones propias de cada planta. Por eso veremos solo los procesos que constituyen el tratamiento de las aguas para calderas industriales de baja y mediana presión. En general se consideran dos tipos de tratamientos: 1.- Tratamiento Externo. 2.- Tratamiento Interno. El primero se aplica al agua antes de entrar al ciclo de la planta, y el segundo se realiza en el interior de las calderas como complementario del anterior. 48

49 El tratamiento externo consiste en el paso del agua a través de un conjunto de equipos seriados, en cada uno de los cuales tienen lugar la eliminación de las impurezas contenidas. Para las calderas de baja presión la calidad de agua de reposición requerida consiste en eliminar la presencia de los iones calcio y magnesio, para evitar incrustaciones en el sistema. La dureza debida a los iones calcio y magnesio se denomina dureza total. DT= DCa + DMg Esta dureza total se elimina con una etapa de intercambio iónico por suavizamiento. Para las calderas de media y alta presión, la eliminación de la dureza total del agua en un tratamiento externo no es suficiente para garantizar la calidad requerida, por lo que se emplea intercambio iónico para eliminación total de iones, obteniéndose agua desmineralizada para la reposición en caldera. El diseño de la caldera está en función de los requerimientos de vapor necesarios. Los puntos de medición claves para controlar el consumo de agua en una industria son: Línea de entrada de agua cruda Línea de suministros a instalaciones de uso social, baños, duchas, cocinas, etc. Entrada de TQA Salida de TQA Entrada de la reposición al sistema de enfriamiento. Reposición a bloques energéticos. Parámetros que inciden en la eficiencia de un sistema de tratamiento de agua por intercambio iónico: calidad del agua a tratar calidad del agua tratada capacidad útil de las resinas consumos específicos de los regenerantes % de insumo de agua Caídas de presión en los equipos Osmosis Inversa La osmosis inversa es en la actividad uno de los métodos de tratamiento para desalinización de agua que mas alta difusión ha alcanzado en los últimos años. Consiste en la utilización de una membrana semipermeable y altas presiones, para eliminar los sólidos disueltos de una solución. En este proceso el solvente (generalmente agua) es forzado a fluir a través de la membrana selectiva mediante la aplicación de una presión mayor que la presión osmótica de la solución, la membrana rechaza las moléculas de soluto con el concentrado en la cámara de alta presión, mientras el agua purificada es recogida en la cámara de alta presión mientras el agua purificada es recogida en la cámara de baja presión, al otro lado de la membrana. En 49

50 las aplicaciones típicas de la osmosis inversa las moléculas de soluto son aproximadamente del mismo tamaño que las moléculas de solvente. Entre los procesos de membrana utilizados en el tratamiento de agua se encuentran además de la ósmosis inversa: -electrodiálisis -ultra filtración Estos procesos de desalinización mediante membrana presentan la ventaja con respecto a los procesos tradicionales de evaporación y congelación, que conllevan cambios de fase, el bajo consumo de energía. La carta tecnológica del tratamiento de agua (TQA) estará en un lugar visible y debe contener todas las operaciones y los valores de todos los parámetros de cada etapa. El objetivo del tratamiento químico de agua es eliminar la dureza de ésta ya que es el índice que determina el contenido en el agua de los cationes formadores de incrustaciones (Ca 2+ y Mg 2+ ). Con el fin de obtener agua químicamente tratada para la alimentación de las calderas de vapor. El agua químicamente tratada es desareada y calentada e inyectada al generador de vapor. En el desareador son removidos los gases corrosivos: oxigeno y acido carbónico libre. En el desareador está previsto el control automático del nivel de agua. El agua ya calentada antes de entrar a las calderas pasa por los economizadores donde se le incrementa la temperatura gracia al calor de los gases de combustión. Con esa temperatura pasa a los domos superiores de cada generador de vapor, donde se produce su calentamiento por los gases de la combustión. El vapor de agua saturado pasa por los sobrecalentadores de vapor donde es calentado gracias al calor de los gases de combustión. El vapor sobrecalentado obtenido entra en las tuberías maestras de vapor y de esta forma se distribuye a los consumidores externos. En los diagramas asociados a la generación de vapor de cada caldera se puede observar lo siguiente: Inyecto de fosfato, fuel oil, fuel gas Aire para la combustión Conducto de gases Vapor de atomización Extracción violenta (periódica) Extracción continua Vapor para soplado de hollín Inyecto de agua tratada y cruda 50

51 Ejercicios Propuestos Capítulo 4 1- Enlace la columna A con la B A Los principales son el oxigeno y dióxido de carbono adquiridos por la caida desagua en forma de lluvia Impureza del agua causante de la cristalización a altas temperaturas. Conjunto de procesos químicos, mecánicos y físicos para reducción o eliminación de impurezas. Partículas no disueltas que influyen en la turbidez del agua Entre ellos están las sales minerales sobre todo de calcio y magnesio B Tratamiento de agua Sólidos disueltos. Gases disueltos Sílice Sólidos en suspensión Subterráneas 2- Marque Verdadero (V) o falso (F) En estado sólido el agua disminuye su volumen con respecto a su estado líquido. El calor específico del agua no es alto, por lo que se usa como agua de enfriamiento. El agua es muy usada como solvente. Las aguas se clasifican de acuerdo a sus contaminantes en carbonatadas, sulfatadas y salobres. El agua en las presas se considera agua subterránea. La utilización del agua sin un tratamiento previo en las plantas afecta las instalaciones como por ejemplo con corrosión e incrustaciones. Las incrustaciones se deben a la presencia de las sales insolubles de calcio y magnesio. 51

52 Ejercicio 3 Crucigrama A G U A Entre ellos se encuentran como principales el oxígeno y el dióxido de carbono, adquiridos por el agua en su caída en forma de lluvia a través de la atmósfera. 2. Es una de las clasificaciones de las agua de acuerdo al contenido de carbonatos e hidrogeno carbonatos como contaminantes. 3. Tratamiento de agua donde se intercambian los iones indeseables del agua, por otros que mejoren la calidad de la misma. 4. Uno de los iones que junto al ión calcio, constituye la dureza total del agua. 5. Tratamiento de agua por desalinización a través de membranas 52

53 Ejercicio 4 Crucigrama 2 1 A G U A Una de las clasificaciones del agua según la fuente de abasto, donde no se encuentra en contacto con la atmósfera. 2. Junto con el oxígeno, constituyen los principales gases disueltos en las aguas sin tratamiento. 3. Uno de los iones que junto al ión magnesio, constituye la dureza total del agua. 4. Tipo de tratamiento antes de su uso. 5. Agua a la que se le ha eliminado su dureza total. 53

54 Ejercicio 5- Crucigrama A G U A Una de las clasificaciones del agua según la fuente de abasto, donde se encuentra en contacto con la atmósfera. 2. Junto con el dióxido de carbono, constituyen los principales gases disueltos en las aguas sin tratamiento. 3. Tratamiento donde se eliminan los sólidos en suspensión. 4. Es una de las clasificaciones de las agua de acuerdo al contenido de cloruros como contaminantes. 5. Entre ellos tenemos principalmente las sales minerales. Donde se encuentran los iones de calcio y magnesio fundamentalmente que hacen que el agua se denomine agua dura. 54

55 Ejercicio 6 Crucigrama A G U A Material donde ocurre el intercambio iónico a nivel molecular. 2. Constituidos por partículas no disueltas que hacen el agua más o menos turbia. 3. Es una de las clasificaciones de las agua de acuerdo al contenido de iones sulfatos como contaminantes. 4. Tratamiento que se lleva a cabo en el interior de la caldera. 5. Impureza que contiene el agua, que es responsable de la cristalización. 55

56 7- Responda las siguientes preguntas: Qué provocaría si el agua cruda se incorporara directamente a la caldera si tratamiento alguno? Mencione dos problemas que ocasionaría esto. Por qué los filtros mecánicos se encuentran ubicados ante de la etapa de intercambio iónico? Qué función tiene la torre descarbonatadora? Por qué debe ser importante el control de laboratorio en diferentes etapas del proceso? Qué función tiene el desareador antes de que el agua entre a la caldera? Para qué se utilizan los economizadores y sobrecalentadores? 56

57 Capítulo 5. Generadores de Vapor Propiedades de los combustibles Los combustibles pueden ser: Sólidos (Bagazo, Carbón, Madera, Turba) Líquidos(Crudo Nacional,Derivados del petróleo) Gaseosos (Gas natural, Gas Combustible) 1.- Los combustibles sólidos (bagazo, carbón, antracita ) se usan en calderas de centrales y procesos industriales de zonas o países donde su empleo resulte económico, práctico o de fácil adquisición, justificado por su costo razonable. Este combustible necesita de aditamentos, tales como parrillas, para su quema en el horno y deja residuos sólidos de consideración para la evaluación del Rendimiento Térmico del generador. 2.- Los combustibles líquidos, clasificados en Petróleo Combustibles de 4 clases: PC Ligeros, PC Medianos, PC Pesados y PC Extrapesados (conocidos como Fuel Oil ) y el Petróleo Crudo Nativo, clasificado a su vez en PC Nativo y PC Mejorado; cuyas diferencias resulta del valor de la Viscosidad ( resistencia al flujo ) a 50 Grados Celsius, y que se resume en la siguiente tabla: Los petróleos se diferencian en cuanto al contenido de azufre, y de acuerdo con esto, se clasifican en tres grupos: de bajo contenido de azufre de medio contenido de azufre de alto contenido de azufre S t < 05%, 0, 5% S t 2% S t > 2% El petróleo cubano, procedente de los yacimientos Varadero - Matanzas, que alcanza valores medios, superiores a 6%. Tabla de las especificaciones más importantes de los PC Especifica ción Viscosidad a 50 g.c. Azufre Total Temp. Infla mación Valor Calórico Densidad a 15 g.c. Temp. Flui dez V A L O R E S P E C I F I C A D O U/M PC PC PC PC ExtraP. PC PC Ligero Mediano Pesado Nativo Mejorado. Cst %m/m Grado Celsius 62 Mín Ambiente. Ambiente. Kcal/Kg G/cm Grado Celsius

58 El Petróleo Combustible Extrapesado, que lo produce la Refinería Hermanos Díaz de Santiago de Cuba, lo consume exclusivamente la CTE Renté. Como se observa esta Viscosidad es a 50 Grados Celsius. Densidad Absoluta y Relativa. Para caracterizar los combustibles líquidos se utiliza la densidad absoluta y la densidad relativa; aunque esta última, es empleada con mayor frecuencia en los reportes de los análisis y en los cálculos prácticos. La densidad absoluta ( ) puede definirse como la masa del petróleo, contenida en una unidad de volumen, a una temperatura determinada; la densidad relativa o gravedad específica ( S ), es una magnitud adimensional, igual a la relación entre la masa del producto de petróleo y la masa del agua pura, a 15 C, tomada en el mismo volumen que el producto de petróleo. Para que no carezca de sentido físico, la densidad, debe siempre indicarse, a un valor de temperatura, es decir a una temperatura de referencia. En Cuba, de acuerdo con las normas establecidas para los productos del petróleo, esta característica se indica a 15 C (60 F), es decir que, salvo que se especifique lo contrario, cuando se habla de la densidad de un petróleo, deberá entenderse que se refiere a la que presenta el producto a 15 C y a la presión atmosférica. En Rusia y algunos países de Europa, por ejemplo, esta temperatura se refiere a 20 C. 58

59 Ejemplo -1: Un combustible líquido con una gravedad específica de 0,968 y un contenido de azufre de 2,67% le corresponde un valor calórico inferior de kj/kg; un valor calórico superior de =42840 kj/kg y una relación C/H = 7,98. Fig. -1. Nomograma para la determinación del valor calórico inferior y superior a partir de la densidad. 59

60 La densidad de los combustibles líquidos se mide fácilmente, cualquiera que sea la temperatura a la que éste se encuentre; por medio de picnómetros o densímetros debidamente calibrados, de los que existen numerosos modelos. Comúnmente, la densidad se expresa en unidades del sistema métrico decimal, en gravedad específica directamente o, en una unidad, creada por el Instituto Americano del Petróleo, denominada API, que hace más cómoda la comprensión del resultado. El instrumento utilizado para medir los API, abarca, en una escala de 0 a 100 grados, a todos los petróleos y sus derivados. Los API indican el grado de ligereza de un petróleo; así entonces, en la medida en que el peso específico y la densidad aumentan, los API, disminuyen. La mayoría de las clasificaciones comerciales del petróleo se hacen sobre la base de los API que, para los petróleos combustibles, se encuentra en un rango entre 8 y La relación entre API y gravedad específica ( S 15 ) 141, 5 API( 15 C) = S15 15, ; se define por la expresión siguiente. La densidad de los productos del petróleo, depende de la temperatura y disminuye, ligeramente, durante el calentamiento de los mismos. En la Fig. se puede ver el comportamiento de la gravedad específica con la temperatura, para diferentes productos del petróleo. 60

61 Fig.. Comportamiento de la gravedad específica de los combustibles líquidos con la temperatura. Relación viscosidad - temperatura. La viscosidad de los productos del petróleo varía intensamente con la temperatura. A temperaturas elevadas, los productos del petróleo se comportan más diluidos, mientras que a temperaturas más bajas, sobre todo próximas a 0 C, la viscosidad de la mayoría de los petróleos aumenta bruscamente. La variación de la viscosidad con la temperatura es individual para cada producto del petróleo. Esta es la razón por la cual, hasta el presente, no se han podido formular leyes aplicables a cualquier tipo de combustible (diesel, fuel oil, crudo) que relacione directamente la viscosidad con la temperatura del producto. La dificultad de establecer estas relaciones, radica fundamentalmente en la heterogeneidad de los combustibles, sobre todos de los residuales. La ASTM ha desarrollado un diagrama de gran utilidad que permite, conociendo las viscosidades de un combustible a dos temperaturas diferentes, determinar con suficiente aproximación, la que presentaría dicho combustible, a temperaturas intermedias a aquellas a las que fueron efectuadas las determinaciones en el laboratorio (Fig. 1-6). 61

62 TecnoComb Tecnologías de Combustión Viscosidad cinemática (cst) o E 27,66 cst Carta de viscosidad - temperatura Rango de temperatura óptima de atomización: o C Muestra de crudo de la Fábrica de Cemento, Cienfuegos ( ) 2 o E 11,46 cst Temperatura ( o C) Fig.. Carta de viscosidad - temperatura. Generalmente, las determinaciones de la viscosidad cinemática, en el laboratorio, se realizan a 50 y 80 C. El conocimiento de la variación de la viscosidad con la temperatura resulta imprescindible para poder determinar, la temperatura a la cual el combustible posee la viscosidad óptima recomendada para asegurar una atomización eficiente. La temperatura que se corresponde con la viscosidad óptima de atomización se denomina temperatura óptima de atomización del combustible; valores por encima o por debajo de este rango traen consigo afectaciones en la eficiencia de la reacción. Los rangos de viscosidad óptima para la atomización dependen, básicamente, del tipo de quemador empleado y siempre deben ser especificados por los fabricantes y suministradores. La viscosidad adecuada para lograr una buena pulverización de los petróleos, se recomienda, generalmente, entre 2 3 E para atomización mecánica y entre 2 4 E para la atomización por vapor. 62

63 Relación viscosidad - presión. Para altos valores de la presión, la viscosidad de los líquidos aumenta, debido a la deformación molecular, la reducción volumétrica y las reacciones de condensación y polimerización, que tienen lugar. A bajas presiones, sin embargo, el efecto de la presión sobre la viscosidad es tan pequeño que, en la mayoría de los cálculos prácticos, puede ser despreciado. Es importante aclarar que, el efecto de la presión sobre la viscosidad no necesariamente guarda una relación directa con el efecto viscosidad - temperatura. Si las condiciones de operación implican una presión elevada además, de una alta temperatura, entonces resultará esencial explorar, tanto la relación viscosidad - presión, como la relación viscosidad - temperatura. En la Fig. aparece la dependencia de la viscosidad cinemática con la presión para un 4 petróleo con: 50 = 0, m 2 20 /s y S 4 = 0, 888. Fig-2. Dependencia de la viscosidad cinemática ( ) 4 con 50 = 0, m 2 20 /s y S 4 = 0, 888. con la presión (P) para un mazut 63

64 En la operación de las calderas, los sistemas de Petróleos Combustibles líquidos están compuestos del siguiente circuito: Tanque de almacenaje con serpentines de vapor para calentamiento. Filtros. Bombas. Calentadores. Válvula compensadora de presión. Quemadores. El calentamiento en el propio tanque se aplica a partir de la viscosidad media o en condiciones de temperatura ambiental tan baja que aumente el valor de la viscosidad y dificulte su fluidez. El calentamiento en el intercambiador, con vapor saturado, tiene la finalidad siguiente: Disminuir su viscosidad, que obviamente será mucho menor que la señalada a 50 g.c., haciéndolo más fluido (menos resistencia al desplazamiento), consumiéndose menos energía en las bombas. Facilitar su atomización en los quemadores Mejorar la combustión al darle la temperatura adecuada. Los quemadores de PC funcionan con el mismo principio de los quemadores de los hornos de las plantas, es decir, su diseño consiste en un conducto, una boquilla horadada en diversos ángulos por donde sale atomizado el combustible, registros y paletas regulables. En los modernos diseños surgen, a partir de los Quemadores de Aire Paralelo, los de Paletas Regulables; donde el aire para la combustión se divide dentro de la Caja de Aire en Zona Primaria y Zona Secundaria. El Aire Secundario se difunde por medio de Paletas Radiales Ajustables, mientras que el Aire Primario se difunde mediante Paletas Axiales Fijas. Ajustando las Paletas de Aire Secundario se varían la longitud y el diámetro de la llama en un amplio rango, que resulte apropiado para el hogar. Esto además permite ajustar la Relación Aire Primario/Aire Secundario, con lo cual se obtienen los mejores resultados en la combustión, que se hace óptima porque además, las Paletas Radiales permiten dirigir el aire en ángulo recto y en forma de torbellino al encuentro del PC atomizado, justamente antes de la Zona Encendido, para producir una mezcla eficiente, que garantice la combustión completa, minimizando las emisiones de Carbono libre, así como la combustión incompleta (CO). El sistema de control de la combustión puede consistir en : 1.- AUTOMÁTA PROGRAMABLE 2.- REGULADOR DE COMBUSTIÓN 64

65 Combustión Conjunto de reacciones exotérmicas que se producen entre las sustancias combustibles (carbono e hidrógeno, principalmente) y el carburante (oxígeno) en la cual la generación del calor se produce debido a la diferencia de energía molecular interna entre reactivos y productos. La combustión es un proceso físico-químico complejo durante el cual los componentes quemables se combinan con el oxígeno liberando una determinada cantidad de calor Tipos de combustión 1-NEUTRA O ESTEQUIOMETRICA 2-COMPLETA 3-INCOMPLETA POR DEFECTO DE AIRE 4-INCOMPLETA IMPERFECTA CON EXCESO DE AIRE 1-NEUTRA O ESTEQUIOMETRICA Se produce cuando se aporta el oxígeno (o aire) estrictamente necesario para quemar el combustible. Es porciento de CO 2 es máximo Es prácticamente imposible su realización por la imperfecta mezcla de aire-combustible. Pueden aparecer inquemados (hollines) que son arrastrados por los gases (ennegreciéndolos) y que se adhieren a las superficies de intercambio térmico. 2-COMPLETA Se produce cuando se aporta mayor cantidad de aire que en la combustión neutra. El porciento de CO 2 disminuye al ser diluido en su mayor caudal de gases y aparece O 2. No hay inquemados El ennegrecimiento del humo es nulo. 3-INCOMPLETA POR DEFECTO DE AIRE Se produce cuando se aporta aire en cantidad insuficiente. El porciento de CO 2 disminuye Aparecen inquemados y CO. El ennegrecimiento del humo es elevado. 4-INCOMPLETA IMPERFECTA CON EXCESO DE AIRE Es la más común en hornos y calderas Aparecen los productos de la combustión completa (CO 2, SO 2, H 2 O, N 2, O 2 ) Presencia de compuestos no quemados gaseosos (CO, H 2, CH 4 y CmHn) Presencia de elementos sólidos como el hollín (carbono libre) Coloración oscura de los gases Los inquemados sólidos se deben a la mezcla imperfecta del aire y el combustible, caudal de aire mal repartido, llama fría o mal centrada. MECANISMO DE LA COMBUSTION La atomización del combustible proporciona la formación de un gran número de pequeñas gotas que constituyen una verdadera nube de combustible. 65

66 La pequeña gota de líquido formada por la atomización del combustible dentro del hogar comienza a recibir calor de los gases calientes y las llamas que la rodean; esto hace que las fracciones más ligeras se evaporen y la envuelvan formando la zona 2 con la continuidad del flujo de calor esa zona se desarrolla y se comienza a mezclar con el oxígeno del aire, formando la zona 3; en la superficie de esta zona se provoca una concentración tal de oxígeno, que con la alta temperatura de los gases se provoca el comienzo de la reacción de combustión y la formación de la llamada que constituye la zona 4. El comienzo de la reacción de combustión provoca el desprendimiento del calor, parte del cual acelera el proceso de ebullición de la gota y el resto se transfiere al medio, por radiación o por convección, que se desprenden y pasan a formar parte de la masa de gases calientes. q q ZONA 1 ZONA 2 q (A) q q q (B) q ZONA 3 q q ZONA q q q (C) q q q q q El proceso de combustión de la gota una vez iniciado no se detendrá hasta tanto no se haya evaporado y combustionado todo el líquido. De lo anterior se comprende que al disminuir el radio de la gota aumenta la transferencia de calor y por tanto se produce una evaporación más intensa, mejorando la combustión. INFLUENCIA DE LA LLAMA EN LA COMBUSTION La combustión se caracteriza por la llama, zona de alta temperatura cuya luminosidad se debe a las partículas de carbón incandescente. En una llama real existen diferentes zonas con diferentes excesos de aire y desigualdades de temperatura en estos casos se produce la descomposición térmica de los hidrocarburos. Para temperaturas bajas ( ºC) la descomposición de los hidrocarburos complejos se produce de forma simétrica con la formación de hidrocarburos ligeros los que pasan muy fácilmente a CO 2 y H 2 O. Para temperaturas superiores la descomposición no se produce simétricamente por lo que se obtienen además de los hidrocarburos ligeros, otros complejos de alto peso molecular y carbono libre que es muy difícil quemarlo. 66

67 La observación directa de la llama es un método de control de la combustible que no por ser sencillo debe ser subestimado pues de la misma se puede realizar deducciones: 1) La raíz de la llama (delimitada por la separación entre el combustible quemado y el sin quemar en el instante que tiene lugar la atomización) permite observar: la uniformidad de la atomización desgaste del orificio de salida del quemador formación de coke encendido retardado de la mezcla gaseosa desgarramiento de la llama 2) La parte media de llama permite evaluar la homogeneidad de la combustión y la forma de la llama. Esta será la zona de mayor temperatura durante el proceso y su color es característico de su alta o baja eficiencia Al reducir el exceso de aire le tomará más tiempo al fuel oil poder quemarse totalmente por lo que la llama tenderá a alargarse y a crecer en tamaño como para ocupar un mayor volumen del hogar. La llama se muestra lenta en forma de torbellino en vez de ser intensa y de gran movimiento. El color puede cambiar con una reducción de oxígeno y hacerse amarillo oscuro o naranja y aún aparecer gris oscuro. En la medida en que se incrementa el exceso de aire deberá notarse un acortamiento de la llama, la cual deberá ser brillante, más clara y de mayor velocidad. 3) El final de la llama permite observar la fase final de la combustión de las partículas de carbono, el exceso de aire teniendo en cuenta la longitud y colores de la llama, la delicadeza de la atomización, la homogeneidad y su ancho. PARA GARANTIZAR UNA CORRECTA COMBUSTION DEBEN GARANTIZARSE LOS SIGUENTES ASPECTOS: Atomización adecuada del combustible. Suministro del oxígeno suficiente a cada uno de los puntos donde hay combustible. Diseño aerodinámico de la cámara del horno, que garantice un mezclado apropiado de los productos de la combustión incompleta, con el aire que facilitará el fin de su combustión. Suministro correcto del aire a la raíz de la llama para garantizar el mezclado del oxígeno y el combustible y evitar su descomposición térmica. VALOR CALÓRICO O CALOR DE COMBUSTIÓN Es la cantidad de calor que se libera durante la combustión completa de una unidad de masa o volumen de combustible La determinación de esta característica puede realizarse por la vía experimental o por la vía analítica. Experimental Se utiliza una bomba calorimétrica y se tienen en cuenta las normas establecidas para esta determinación (ASTM, GOST, DIN, entre otras). Analítica Se basa en la evaluación por ecuaciones empíricas en función de la composición elemental del combustible. 67

68 Como en las bombas calorimétricas los productos de la combustión se encuentran a temperatura ambiente, el vapor de agua formado se condensa, y cede el calor latente de condensación al agua del calorímetro. En la práctica, el vapor de agua no se condensa de ahí que siempre el valor calórico del combustible en las condiciones industriales sea menor que el determinado en el calorímetro Lo anterior hace que se establezcan dos conceptos: el valor calórico superior o bruto y el inferior o neto. La diferencia entre el valor calórico superior y el inferior está dada por el calor de condensación. PROBLEMAS CON EL COMBUSTIBLE -INESTABILIDAD: Es la tendencia del combustible a formar sedimentos por calentamiento y cambios en la viscosidad. -INCOMPATIBILIDAD: Es la tendencia a formar sedimentos cuando se realizan mezclas entre combustibles. CAUSAS BASICAS DE LA INESTABILIDAD E INCOMPATIBILIDAD 1) Mezclas para ajustar viscosidad con productos de Cracking con contenidos bajos de aromáticos, que queman bien pero son muy inestables. 2) Mezclas para ajustes de viscosidad con productos del craking con contenidos de aromáticos altos, que tendrán estabilidad y compatibilidad buena, pero queman mal. 3) Adición de aceites de motores de vehículos automotores a los combustibles pesados. ALGUNOS ASPECTOS QUE INDICAN LA INESTABILIDAD Cambios graduales de la viscosidad en el tiempo y con la temperatura. Cantidad de sedimentos formados Formación y depósitos de lodos Estratificación en los tanques Cambio en la gravedad específica. REGULACION Y CONTROL DEL PROCESO DE COMBUSTION Control de la calidad del combustible y la preparación para utilizarse Regulación de los parámetros que intervienen en la combustión. Comprobaciones de los quemadores en el banco de prueba. Análisis de los gases de combustión. COMO REALIZAR UN CONTROL DE LA COMBUSTION. Mantener la temperatura del combustible según la viscosidad. Mantener la presión del combustible a los quemadores, presión del aire en cada caja de aire y el contenido de oxigeno en el hogar Mantener el exceso de aire requerido para la combustión Velar por la distribución de la llama que no toque las paredes de los tubos. Vigilar la coloración de la llama. Limpiar los quemadores para evitar obstrucciones. Análisis de los gases de la combustión 68

69 Generador de vapor Tiene la función de transferir al agua la energía en forma de calor de los gases producto de la combustión de sustancias convertibles, para que esta se convierta en vapor. Concepto: El término calderas se aplica a un dispositivo para generar vapor para fuerza, procesos industriales, calefacción o para uso general. Por razones de sencillez de compresión, a la caldera se le considera como un productor de vapor en términos generales. Las calderas son diseñadas para transmitir el calor procedente de una fuente externa, generalmente combustión de algún combustible, a un fluido contenido dentro de la misma caldera. Si este fluido no es agua -mercurio por ejemplo-, a la unidad se le clasifica como vaporizador, o como un calentador de líquidos térmicos. El desarrollo de estos equipos desde su forma elemental, consistente en un recipiente cilíndrico dispuesto encima de un hogar, hasta su evolución en unidades generadoras, hace que su designación correcta sea la de Generadores de Vapor, término más amplio y preciso, que se refiere a la agregación al dispositivo central ( recipiente y hogar ) de los nuevos elementos constitutivos, que aumentan la superficie de contacto, mejoran la economía, seguridad, capacidad y eficiencia de operación. No obstante como el hogar casi siempre está autocontenido, se sigue aplicando el término caldera para referirse al Generador de Vapor. MODO DE FUNCIONAMIENTO El agua de alimentación, pasa por el economizador. Este calienta el agua, con el objetivo de que no entre fría al domo y evitar contracciones que pueden provocar una ruptura. El agua en el domo se separa del vapor. El agua que sale del domo pasa a los tubos llamados descendentes que alimentan los colectores inferiores de las paredes de agua, que cubren la mayor parte de la superficie interior del horno, por los tubos circula el agua y por fuera están los gases calientes y las llamas, por calor de radiación y por convección, se forma en el interior de los tubos una mezcla de vapor y agua que asciende por la pared de tubos Las paredes de agua tienen colectores en su parte superior a través de los cuales se descarga la mezcla agua-vapor al domo. En el domo, el vapor se separa del agua El agua que no pasó a vapor va de nuevo a los tubos descendentes y se repite el ciclo. Los sobrecalentadores de vapor hacen que el vapor adquiera una temperatura superior a la de saturación, correspondiente a la presión a que se encuentran, para incrementar su entalpía 69

70 Clasificación de las calderas. Existen hasta 16 clasificaciones; Por el uso, Por la presión de trabajo, Por el tamaño, Por el contenido de los tubos, Por la forma y posición de los tubos, Por el sistema del hogar, etc. Las clasificaciones más distintivas se agrupan en dos clases: 1.- Calderas de Tubos de Humos o Tubos de Fuego. 2.- Calderas de Tubos de Agua o Acuotubulares. Como es de notar se refieren a la clasificación por el contenido de los tubos. A su vez cada tipo tiene otras clasificaciones. Nos ocuparemos de las calderas Acuotubulares, es decir, las que se como indica su clasificación, el medio de trabajo, que es el agua, va por dentro de los tubos y la llama de los quemadores por fuera. Este tipo de caldera es la más extendida en los procesos industriales como el de la refinerías, centrales azucareros, termoeléctricas y otros; donde demuestra superioridad para entregar el vapor de agua en los volúmenes y especificaciones requeridas. Este tipo de caldera alcanzó su perfección con los diseños de tubos de curvos, superando a todos los demás en: Mayor economía en su fabricación y operación. Mejor acceso para inspección, limpieza y servicios de mantenimiento. Mayor capacidad de evaporación y entrega de vapor más seco. Los tubos curvados que interconectan los domos superiores e inferiores circundan el hogar denominándose Paredes de Agua, ya que protegen, del calor intenso de la llama y los gases de la combustión, el revestimiento del generador. Componentes de un Generador de Vapor de Acuotubular: Existen muchos tipos de Generadores, los componentes descritos a continuación corresponde a los acuotubulares, que serán de nuestro interés y es además el más completo. De uno a tres Domos Superiores, donde se produce el vapor Uno o dos Domos Inferiores o Domos de Fango, para la extracción de sedimentos. Tubos de interconexión entre los domos, para la circulación del agua. Economizadores Calentadores de aire para la combustión Sobrecalentadores Recalentadores 70

71 71

72 HORNOS Tiene la función de transferir al producto la energía en forma de calor de los gases producto de la combustión de sustancias convertibles, para que adquieran la temperatura necesaria en el proceso donde intervienen. A continuación mostramos los parámetros de control de ambos, Calderas y Hornos. Solo los distingue la purga de agua. PRINCIPALES PARAMETROS DE OPERACIÓN. 1. Flujo, temperatura y presión del agua de alimentación, así como su calidad. 2. Flujo temperatura y presión del combustible, así como su calidad. 3. Composición y temperatura de los gases de la combustión. 4. Temperatura, presión y cantidad de aire. 5. Flujo de purga continua. 6. Mantenimiento de la limpieza y ajuste de los quemadores, de las áreas de intercambio por medio de sopladores, el uso de aditivos en las zonas de baja temperatura. 7. Vigilar una buena atomización del combustible. 72

73 EFICIENCIA DE HORNOS Y CALDERAS. Este término se refiere a la relación entre el calor absorbido y el calor transferido expresado en porciento. Hay muchos métodos para la realización de este cálculo, basados en Balances de calor y de masa con cierto grado de complejidad. Es por eso, que veremos un método gráfico (nomograma) muy sencillo, que requiere solamente del análisis de los gases de la combustión y de las temperaturas de la chimenea y del aire. Responde a la siguiente ecuación de cálculo: Tchimenea Taire = 100 ) + BC 1.5] 100 ` E Bruto La eficiencia bruta está afectada en esta ecuación por la perdida de calor sensible, calor latente, el exceso de aire, la relación H:C del combustible y las composiciones de los gases de chimenea (O 2 y CO 2 ). Es por ello, que vamos a analizar algunas de las pérdidas que afectan la eficiencia: 1. Pérdidas por calor sensible de los gases de la combustión. Es debido a la temperatura con que abandonan los gases de la combustión el proceso. Representa la fracción de energía que toman los gases para calentarse del calor liberado por la combustión. 2. Pérdida por incombustión química. Para petróleos combustibles se considera que el peso de cenizas es despreciable y por tanto no se toma el carbono de la misma. Esta perdida solo contiene inquemados (CO 2, H 2 ). 3. Pérdidas por incombustión mecánica o por presencia de hollín. Está asociada al combustible no quemado que se escapa por la chimenea. 4. Pérdidas por radiación al medio ambiente exterior. Su evaluación rigurosa se hace compleja debido al cálculo de los coeficientes de transferencia de calor por convección - radiación. Energéticamente es aconsejable utilizar los generadores tan cerca como sea posible de su capacidad nominal, pues a igual carga, las pérdidas por las paredes aumentan cuando disminuye la capacidad del generador. 5. Pérdidas por purgas. Esta pérdida está asociada a la cantidad de energía que absorbió el agua dentro de la caldera y que es extraída del sistema a efecto de la purga. 6. Pérdidas por residuos (cenizas). Para combustión por petróleo habíamos dicho que eran despreciables. 73

74 COSAS INTERESANTES PERDIDAS DE VAPOR POR SALIDEROS EN DEPENDENCIA DEL DIAMETRO DEL ORIFICIO Y LA LONGITUD DE LA PLUMA Longitud de la pluma (mm) Pérdidas de vapor (Kg/h) Longitud de la pluma: Distancia entre el punto de salida del salidero de la línea hasta donde se produce el condensado. Diámetro del orificio mm 1.7 Kgf/cm Kgf/cm Kgf/cm VALORES MEDIOS DE SOBRECONSUMOS ENERGETICOS EN CALDERAS. 50 o C de sobrecalentamiento en el vapor representan 4% de incremento de fuel. 1% de oxígeno en exceso representan 1% de incremento de fuel. 1 mm de hollín representa un 3% de incremento de fuel. 1 mm de incrustaciones por el interior de los tubos representa 2.5% de incremento de fuel. 10 o C en exceso de calentamiento de fuel representan 2.5 T de fuel en exceso. Accesorios de calderas. Los accesorios de calderas son todos aquellos aparatos, instrumentos, conexiones y aditamentos íntimamente ligados con las calderas y necesarios para su operación, control o mantenimiento y por lo tanto beneficiosos para la eficiencia y seguridad de su trabajo. Los accesorios de calderas son los siguientes: Sopladores, para eliminar el hollín que se deposita sobre los tubos y disminuyen la transferencia de calor de los gases al agua. Válvulas de Seguridad, para proteger los domos y tuberías contra los excesos de presiones. 74

75 Columnas y niveles de agua para observar y mantener bajo control el nivel operacional adecuado (50% de la superficie cilíndrica del domo superior). Extracciones, para eliminar las impurezas del agua manteniendo la concentración de sólidos en un valor no peligroso. Las extracciones son de dos tipos: 1.- Extracción de Fondo en el Domo Inferior, conocida también como Extracción Violenta, periódicamente realizada para bajar el contenido de sólidos totales cuando no se logra hacerlo por las extracciones continuas. 2.- Extracción Continua en el Domo Superior, que como su nombre lo indica se hace permanente y reguladamente para el mismo fin. Tuberías de alimentación, que pasa a través de válvulas de control y se conecta al domo superior por debajo del nivel de agua para mantener la operación continua de la caldera. Esta es el agua que procede del tratamiento químico con las especificaciones de calidad señaladas. Válvula de No Retorno ( Cheque ), que protege a la caldera de la entrada de vapor en sentido contrario cuando la presión en su interior sea inferior a la del sistema ( línea Maestra de Vapor ). Registros para la inspección y realización de trabajos de mantenimiento indispensables y que se clasifican en : a.- Que permiten al acceso para trabajos interiores. b.- Que solo permiten el acceso de herramientas. c.- Que solo permiten la observación del interior (Mirillas). Los registros situados en el hogar se abren hacia fuera y los situados en los domos y cabezales, sus tapas se colocan dentro (Autoclaves), de modo que la presión interior del vapor reafirme su cierre, logrando así un mejor sellaje. Principio de operación de un Generador de Vapor. Variables de operación. Las calderas se diseñan para entregar vapor a una presión, temperatura y calidad (vapor seco) predeterminadas para el sistema al que van a servir. Se construyen de modo que los gases, al hacer su recorrido desde la zona de combustión en los quemadores, hasta su salida por la chimenea, transfieren todo el calor posible al agua circulante en los tubos ( del 70 al 80% del potencial energético del combustible ). Para ello se disponen diafragmas o desviaderos que obligan a los gases a seguir el camino más conveniente. El Tiro Natural ( diferencia de densidad entre los gases de la combustión en el horno y el aire atmosférico ), que provoca el movimiento de los gases hacia la Chimenea y la entrada del aire al hogar, resulta insuficiente en el caso de las calderas para suministrar el aire necesario para la combustión; por eso se agregan en combinación dos nuevos Tiros: Forzado e Inducido; el primero fuerza el aire a entrar por la zona de los quemadores para mezclarse con los combustibles, y el segundo succiona los gases de la combustión desde la salida del hogar enviándolos hacia la chimenea, garantizando así el flujo continuo y la transferencia óptima del calor de los gases al agua. 75

76 Los hornos de las calderas se construyen para trabajar a valores de presión inferiores al de la presión exterior, es decir, existe un pequeño Vacío o presión inferior a la atmosférica (llamado también Tiro Negativo); esto es así para evitar que los gases escapen por cualquier abertura o falta de hermeticidad en las paredes del generador. Por su parte la circulación del agua por dentro de los tubos puede ser Natural o Forzada; la primera como se infiere de su nombre, no emplea ningún medio externo que la produzca, sino que tiene lugar debido a la diferencia de densidades entre el agua y el vapor. Esto es así porque dentro de los tubos ocurre la vaporización del agua, pero en unas zonas mayor que otras, lo cual provoca que los tubos más expuestos al calor ( tubos evaporadores, de mayor diámetro ) tengan mayor temperatura y ocurra más evaporación y en consecuencia la densidad sea menor en ellos que en los menos expuestos ( tubos bajantes, de menor diámetro ). Este efecto de la circulación Natural es menor a medida que aumenta la presión de trabajo de la caldera, necesitando ser compensando por un aumento de la altura de la caldera ( ver anexos ),pero esto solo es posible hasta el valor de presión de 189kg/cm2, en el que se igualan ambas densidades ( el decrecimiento gradual de la densidad del agua y el crecimiento gradual de la densidad del vapor hasta encontrarse en ese valor de presión ). Las calderas que trabajan a partir de ese valor de presión utilizan la Circulación Forzada, consistente en una bomba ubicada exteriormente que propulsa el flujo. En las mayorías de las calderas industriales el valor de presión de trabajo es inferior a ese régimen, como es el caso de las refinerías, centrales y empresas de producción continua, donde la caldera predominante es de alrededor de 10 a 12 kg/cm2. Variables de operación. La operación continua de un generador de vapor exige del diseño de variables que gobiernen su comportamiento. Las variables explícitas en las Normas se pueden ejemplificar con las siguientes establecidas para los generadores de la refinería: Presión de Aire de la combustión Presión de Gases en el Hogar Presión de Vapor en el Domo Presión de Gas de 40 Presión de Combustible líquido Parámetros de control. Un sistema de lazos ofrece parámetros de control de operación de las calderas modernas, las cuales integran todos los controles. Como ejemplo de estos lazos pueden ser: Control de flujo de gas Control de combustible líquido Control de flujo de aire Control de presión de los gases en el hogar Máster de Presión de Vapor Control de exceso de oxígeno (O 2 ) 76

77 Como requisito de seguridad de operación y control central, la variable de operación regente del generador es la Presión de Vapor. Los parámetros de control, así como todas las operaciones de los Generadores de Vapor se encuentran explícitos en las Normas de Empresa correspondientes, de carácter obligatorio, y en las que se detallan los procedimientos fundamentales para su explotación. Tratamiento interno a la caldera. En la caldera el tratamiento químico interno se basa en incorporar sustancias químicas para: Neutralizar presencia de oxigeno libre que pueda penetrar por el sistema de retorno de condensado (en caso que se recupere condensado) Neutralizar posible dureza residual del tratamiento externo Mantener ph de trabajo en la caldera Mantener el contenido de sólidos totales de acuerdo a las normas según la presión de trabajo El control de todos los aspectos anteriores evita incrustaciones, corrosión, arrastres en el vapor. Las incrustaciones en la caldera hacen disminuir la transferencia de calor, provocando el sobrecalentamiento del metal, su fatiga y su explosión por ser sometidos a sobrecargas térmicas a las de diseño. Consisten en la presencia de sustancias insolubles que se precipitan sobre las paredes interiores de los tubos de las calderas formando capas de notables dureza. Estas traen por consecuencias la disminución de la transferencia de calor de los gases de la combustión al agua y al mismo tiempo impiden la adecuada circulación a través de los tubos. El principal peligro que representan las incrustaciones consiste en que, al demorar la absorción del calor por el agua, hacen que la temperatura de los tubos llegue a ser excesiva; este peligro existe principalmente en los tubos sometidos al calor radiante de la llama. El sobrecalentamiento de los tubos conduce rápidamente a su ruptura. Las incrustaciones pueden producirse también en los domos, tubos de recalentadotes y tuberías de alimentación, casos en los cuales su efecto es producir una resistencia al flujo de agua, exigiéndose una mayor presión de bombeo para mantener el suministro adecuado. Químicamente las incrustaciones están constituidas por compuestos insolubles de calcio y magnesio, sílice y silicatos, así como óxidos de cobre y de hierro. Las causas fundamentales de las incrustaciones son dos: 1.- La presencia en el agua de sustancias en solución que a la temperatura existente en la caldera se hacen insolubles y se precipitan sobre las paredes de los tubos adhiriéndose fuertemente, fundamentalmente las debidas a los sulfatos de calcio. 77

78 2.- La alta concentración de sólidos en suspensión y solución, debida a que el agua al evaporarse deja las impurezas, aumentando su concentración en el agua al sumarse a los sólidos que entran continuamente con el agua de alimentación. Una vez producidas las incrustaciones su eliminación resulta muy costosa y difícil, por lo que un tratamiento adecuado evita su formación y las graves consecuencias que provoca. La corrosión en caldera se ve favorecida por la presencia de agua, oxigeno disuelto, ph ácidos. Puede ocurrir arrastre de líquido en el vapor, provocando efectos indeseables. Existen productos químicos que deben dosificarse a la caldera para mantener adecuados los niveles de operación y evitar los efectos indeseables anteriormente señalados. La corrosión consiste en la acción destructiva de ciertas sustancias sobre los metales, convirtiéndolos en óxidos y sales. La corrosión puede producir un desgaste general del metal sobre una extensa superficie. O bien puede ser en una localización (Pitting ), mucho más peligroso. El Oxígeno, el Dióxido de Carbono (CO 2 ), los Cloruros, el carácter ácido del agua ( ph menor que 7 ), son responsables de la corrosión; siendo el O 2 el principal agente corrosivo, su actividad aumenta con el aumento de la temperatura del agua y su acción es generalmente localizada. Los cloruros, fundamentalmente el de magnesio, que es el más inestable, se descomponen y forman Acido Clorhídrico ( HCl ), incrementando la acidez del agua, conjuntamente con el Acido Sulfúrico ( H 2 SO 4 ) presente. El CO 2 por su tendencia a formar Acido Carbónico también es de importancia. Las formas de reducir la corrosión es mediante un tratamiento previo de desgasificación, que elimine o disminuya estos gases disueltos Arrastre ( Carryover ). Es la presencia de partículas sólidas o líquidas en el vapor que sale del domo. Se debe a dos causas principales: 1.- La formación de espuma en el agua del domo ( Foaming ). 2.- Los saltos bruscos del agua al evaporarse. Ambos ocurren a su vez por 4 causas fundamentales: 1.- Alta concentración de sólidos en suspensión o solución. 2.- Presencia de grasas y aceites en el agua, que se saponifican al combinarse con los álcalis. 78

79 3.- Exceso de alcalinidad. 4.- Condiciones de operación deficientes, tales como alto nivel en el domo, superficie de evaporación insuficiente, oscilaciones violentas en la demanda de vapor. Cristalización. Es la alteración de la estructura interna de los metales causada por la concentración de ciertas sustancias en las costuras del domo y mandriladora de los tubos. Al cristalizarse el acero pierde su tenacidad, se hace frágil, pudiendo producir serios fallos y rajaduras. Su peligrosidad reside en que al producirse ocurre con una violenta explosión, además de que su detección no es evidente, sino mediante un minucioso examen. El Hidróxido de Sodio o Sosa Cáustica (NaOH) y la Sílice (SiO 2 ), son las sustancias que la provocan. Para que tenga lugar la cristalización es necesario que la zona afectada esté sometida a fuertes tensiones con alta concentración de las sustancias cáusticas. Es en las mandriladoras de los tubos donde puede ocurrir la cristalización con más probabilidades. Parámetros que caracterizan el funcionamiento de una caldera: Eficiencia de la caldera Temperatura de los gases de salida Temperatura de los gases en el horno Temperatura del vapor entregado Presión del vapor entregado Producción de vapor Coeficente de exceso de aire Temperatura del agua de alimentar Cuando algunos de estos parámetros varian en el tiempo provocan alteraciones en algunos de los otros parámetros de la caldera. A continuación veremos algunos casos. Caso 1: Cambio del calor desprendido en el horno. Se considera constante el flujo y la temperatura del agua de alimentar y la presión del domo. Si el calor desprendido en el horno aumenta provoca una intensificación de la evaporación de agua en los tubos ascendentes ocasionando un aumento del volumen ocupado por la mezcla agua-vapor y ello una elevación del nivel de agua en el domo. A su vez se incrementa la producción de vapor, la cual s estabiliza a un nuevo valor con el aumento de la producción de vapor, y el flujo de agua de alimentar se detiene. El nivel de agua en el domo llegado a un punto, comienza a bajar. La temperatura del vapor sobrecalentado se incrementa con aumento del calor despendido del horno, pues se eleva la transferencia de calor como consecuencia del aumento de flujo y calor irradiado en el horno. Si el vapor es saturado su temperatura es constante pues se ha fijado el valor de presión en el domo. 79

80 Caso 2: Variación de la temperatura del agua de alimentar. Considerando constante el calor desprendido en el horno, el flujo de agua de alimentar y la presión del domo. La disminución de la temperatura del agua de alimentar en sí es una disminución del calor entregado. Esto provoca una disminución en la evaporación y por consiguiente una disminución en el nivel del domo, a su vez una disminución en la producción de vapor, aunque como el flujo de agua de alimentar es constante, esta disminución llegada a un punto comienza a aumentar de nuevo. La temperatura del vapor entregado aumenta cuando disminuye la temperatura del agua de alimentar. Esto se debe a que el calor desprendido en el horno es constante y el flujo de vapor a sobrecalentar es menor, ya que su producción disminuyo, esto en conjunto provoca un aumento del calor disponible para sobrecalentar por unidad de masa. La disminución de vapor debida a la disminución de la temperatura del agua de alimentar puede evitarse si disminuye la presión de la caldera, ya que baja el punto de ebullición, produciéndose una evaporación adicional que compensaría la tendencia a disminuir la producción de vapor. No obstante haber menos calor, para variaciones pequeñas de temperatura de agua de alimentar, las variaciones son despreciables. Caso 3: Cambio en la demanda de vapor. Se mantienen constantes el flujo y temperatura del agua de alimentar, y el calor desprendido del horno. El aumento de la cantidad de vapor producido cuando el calor desprendido en el horno es constante provoca una disminución de la presión pues se extrae más vapor que el que se genera. La disminución de la presión provoca una disminución de temperatura de ebullición y se genera una gran cantidad adicional de vapor que compensa la diferencia y hace que la caldera pueda cubrir la nueva demanda, como consecuencia la presión mantiene en todo momento una tendencia a disminuir el nivel en el domo. Cuando baja la presión se incrementa la ebullición y esto hace que el volumen ocupado por la mezcla agua-vapor sea mayor. Posteriormente como la demanda de vapor se mantiene constante y el agua de alimentar no se incrementa, tiende a disminuir continuamente, la temperatura de vapor entregado tiende a disminuir pues como se aumento la producción de vapor y no se incrementó el calor del horno, hay menos calor disponible por unidad de masa. De no haber sobrecalentamiento como disminuye la presión, disminuye la temperatura del vapor saturado. 80

81 Ejercicios Propuestos Capítulo 5 1- Marque con una cruz (X) la respuesta correcta. Cuál es el valor calórico inferior de un combustible líquido que tiene una gravedad específica de y un contenido de azufre de 0.18? Cuál es el valor calórico superior de un combustible líquido que tiene una gravedad específica de y un contenido de azufre de 3.17? Qué ocurre con la densidad de los productos del petróleo al aumentar la temperatura? Aumenta notablemente Aumenta ligeramente Disminuye notablemente Disminuye ligeramente Qué ocurre con la viscosidad de los productos del petróleo al aumentar la temperatura? Aumenta notablemente Aumenta ligeramente Disminuye notablemente Disminuye ligeramente 2- Marque (V)erdadero o (F)also según corresponda. La combustión es un conjunto de reacciones químicas en las que los componentes quemables se combinan con el oxigeno liberando una determinada cantidad de calor. El exceso de aire siempre garantiza que la combustión que se realice sea una combustión completa. La diferencia que existe entre el valor calórico superior y el inferior es debido al calor de condensación. La combustión incompleta se produce por una presencia de aire igual que en la combustión neutra o estequiométrica. La temperatura de Chimenea si es menor influye favorablemente en la eficiencia de los calentadores pues son menores las pérdidas de calor sensible de los gases de la combustión. El combustible se precalienta para que la viscosidad sea mayor y así mejora la atomización del combustible. 81

82 3- Mencione tres aspectos a tener en cuenta para el control de la combustión. 4- Mencione tres problemas que puede presentar el combustible y sus posibles causas. 5- Enlace la columna A con la B. A Combustión que se produce cuando se aporta el oxígeno o aire estrictamente necesario para quemar el combustible. Combustión que se produce cuando se aporta aire en cantidad insuficiente. Combustión donde aparecen productos de la combustión completa, compuestos no quemados gaseosos, hollín, y gases de coloración oscura. Combustión sin inquemados y sin ennegrecimiento del humo. B Incompleta con defecto de aire Incompleta con exceso de aire Completa Estequiométrica Nula 82

83 6- En el diagrama de Mollier Cuál es la entalpía (en Kcal/Kg) del vapor saturado con T=150 o C? Cuál es la temperatura ( o C) del vapor saturado de P= 8 atm? Cuál es la presión (en Kgf/cm 2 ) del vapor saturado de T=250 o C? Cuál es la entalpía del vapor sobrecalentado (en Kcal/Kg) de P=300 atm y T=700 o C? Cuál es la entalpía del vapor sobrecalentado (en Kcal/Kg) de P=100 atm y T=640 o C? Cuál es la presión del vapor húmedo (en Kgf/cm 2 ) de calidad 0.8 y T=100 o C? Cuál es la calidad del vapor húmedo de T=50 o C y h=550 kcal/kg?

84 Diagrama de Mollier 84