TRANSFERENCIA DE CALOR
ECONOMIZADORES TERMICOS JIMMY DE JESUS CAÑIZALES A. Presentado a
ALEXANDER OSPINA Ingeniero Mecánico
INSTITUTO TECNOLOGICO METROPOLITANO FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA ELECTROMECANICA MEDELLIN-ANTIOQUIA 2012
ECONOMIZADORES TERMICOS ¿PARA QUE SE UTILIZAN NORMALMENTE LOS ECONOMIZADORES? Es básicamente un intercambiador de calor que se coloca en la chimenea de una caldera para transferir el calor contenido en los gases de combustión al agua de alimentación a la caldera. ¿QUE ES UN ECONOMIZADOR? Es un intercambiador de calor de flujos en contracorriente que recupera la energía residual de los humos, aguas abajo del sobre calentador, y del recalentador, incrementando la temperatura del agua del sistema que entra en el calderín de vapor. El banco tubular dispone de tubos en serpentín horizontales paralelos, con el flujo de agua por el interior de los tubos, en contracorriente con el flujo de los humos. El espaciado de los tubos tiene que ser el menor posible para facilitar: - El intercambio térmico - La limpieza de la superficie tubular exterior - Una caída de presión limitada en el lado de humos Normalmente no se genera vapor en los tubos del economizador En una unidad generadora de vapor, el economizador representa una sección independiente de superficie de intercambio, constituida básicamente por bancos tubulares, que absorbe calor sensible de los gases de combustión para entregárselo al agua de alimentación antes que la misma ingrese a la caldera. De esta manera se consigue bajar la temperatura de los gases y por lo tanto aumenta el rendimiento del generador de vapor, lo que implica una economía de combustible, de ahí su nombre. Como el economizador es el último o anteúltimo (dependiente de la existencia del calentador de aire) equipo recuperativo interpuesto en la corriente de gases de salida; esta disposición hace que la transmisión de calor en el mismo se verifique fundamentalmente por convección. Es decir que, su función principal es recuperar la energía de los humos antes de ser evacuados a la atmósfera, reduciendo además la posibilidad de que se presenten choques térmicos y grandes fluctuaciones en la temperatura del agua
de alimentación de la caldera, que llega a las paredes de tubos de agua que configuran el hogar o que entra en el domo.
VENTAJAS - Se incrementa la eficiencia térmica de las calderas lo que redunda en un ahorro de combustible por kg de vapor generado. - Se reduce la emisión de gases calientes a la atmosfera. - Se alimenta agua caliente a una caldera reduciendo el shock térmico. - Se libera capacidad para producir vapor adicional para proceso - En instalaciones de calderas de tubos de humo el promedio de ahorro de combustible varia 22A 4% AHORRO POTENCIAL DE COMBUSTIBLE SI SE UTILIZA UN ECONOMIZADOR EN UNA CALDERA -
F
el consumo de combustible en un 1%. -
4 F e el consumo de combustible en un 1%
CLASIFICACION De acuerdo a la disposición geométrica: • De tubos horizontales • De tubos verticales
- De tubos verticales: De similar construcción similares al haz convectivo de una caldera, o sea dos domos –uno inferior y otro superior – unidos por bancos de tubos que conforman la superficie de calefacción, tal como se aprecia en la figura.
El agua es alimentada por el colector inferior y fluye a través de los tubos hasta el colector superior. Los gases fluyen de dos maneras a lo largo de los tubos, preferentemente entrando por la parte superior y bajando en forma recta a contracorriente del flujo de agua, o atravesando los tubos en un paso o múltiples pasajes. - De tubos horizontales: Constan de colector inferior, por donde ingresa el agua, una tubería continua dispuesta en forma de serpentina horizontal que constituye la superficie de calefacción y un colector donde se acumula el agua para su salida tal como se aprecia en la figura
Es siempre preferible que la corriente de gases atraviesen los tubos del economizador desde arriba hacia abajo y que el agua de alimentación ingrese por la parte inferior y fluya hacia arriba a través de los tubos. Este diseño a contracorriente además de permitir obtener la máxima diferencia promedio de
temperaturas para la transmisión de calor, reduce la superficie de calefacción y las pérdidas de tiro a un mínimo. El flujo ascendente del agua ayuda a evitar los golpes de ariete que pueden ocurrir en algunas situaciones. De acuerdo a la dirección del gas con respecto a los tubos: • De flujo longitudinal •D fj z
De acuerdo a la dirección relativa del flujo de gas y de agua: •D fj •D
De acuerdo al tipo de superficie absorbente del calor: •D tubos desnudos o lisos •D f x
- Tubos lisos: Para un economizador, el diseño más común y fiable es el que incorpora tubos desnudos (superficie exterior lisa), en alineación regular y al tresbolillo, con flujos cruzados. Los tubos desnudos y alineación regular (a) minimizan las posibilidades de erosión y obturación provocadas por la ceniza en polvo, en comparación con la disposición al tresbolillo (b) Cuando se quema carbón, la ceniza en polvo de los humos crea siempre un ambiente sucio y erosivo, por lo que el banco de tubos que constituye el economizador debe ofrecer la máxima facilidad para su limpieza con sopladores.
- Superficies extendidas: Para reducir los costes de inversión, se construyen economizadores con una gran variedad de tipos de aletas con el fin de mejorar el régimen de transferencia térmica desde el lado de humos hacia el lado del agua. Las aletas son baratas, de precio inferior al de la superficie tubular propiamente dicha, que permiten reducir el tamaño y el coste del economizador.
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a. b. c. -
El éxito de su aplicación depende del ambiente que se tenga en el lado de humos. Una preocupación importante, es la facilidad que se tenga para realizar la limpieza de la superficie termo intercambiadora, tanto la interior como la exterior del lado de humos. No siempre se pueden recomendar economizadores con aletas, ya que éstas pueden crear complicaciones operativas; en las calderas que cuentan con combustores ciclón, los economizadores con aletas no son recomendables, debido a las características de alta concentración y erosividad de la ceniza en polvo presente en los humos. Protuberancias: Cuando las aletas son sólidos de revolución o paralelepípedos se denominan protuberancias y su disposición (en retícula cuadrada o triangular) puede admitirse sobre superficies planas cuando la superficie de la protuberancia en la base sea pequeña frente a la superficie de esta última. Las protuberancias forman superficies similares a las que se configuran en algunos tipos de hogares para la posterior instalación y soporte de materiales refractarios; se comportan bastante bien en calderas que queman gases; los economizadores con protuberancias de clavos tienen mayores caídas depresión en el lado de humos, en comparación con los economizadores con aletas helicoidales. Los clavos suelen tener una longitud igual al radio del tubo en el que se insertan como protuberancias, y se sueldan perpendicularmente a la superficie tubular. En las calderas que queman carbón, las protuberancias de clavos se comportan mal a causa de las cenizas, debido a: La alta erosión por la naturaleza del polvo arrastrado Las pérdidas en la termo transferencia, por la suciedad debida al polvo depositado. Obturaciones por las características fisicoquímicas de la ceniza Aletas longitudinales: Una disposición de tubos aleteados longitudinalmente dispuestos al tresbolillo y formando parte de un intercambiador de calor de flujos cruzados se presenta a continuación. Estos economizadores no se comportan bien a lo largo de períodos de operación de la unidad prolongados; en calderas que queman carbón, se sustituyen a consecuencia de las excesivas obturaciones y erosiones que se presentan tras un corto tiempo de operación.
En calderas que queman aceites y gases, con frecuencia se presentan fallos debidos a la aparición de grietasen el extremo libre de las aletas, que son los puntos más calientes de las mismas, que se propagan hacia la pared del tubo, llegándose al fallo de la pared tubular que aloja la aleta.
- Aletas helicoidales: Los tubos con aletas helicoidales se aplicaron con éxito en algunas unidades que quemaban carbones, aceites y gases. La aleta helicoidal consiste en una hélice de paso reducido, y se utiliza en unidades que queman gases, debido a la ausencia de ceniza volante, (propia de la combustión del carbón y de algunos aceites). Las características de estas aletas que se obtiene una superficie termo intercambiadora 10 veces mayor que la del tubo desnudo. Cuando se queman aceites pesados o carbones, las hélices tienen un paso mucho mayor ya que hay que mantener las superficies termo intercambiadoras tan limpias como sea posible. Para unidades que queman aceites, el paso suele ser de mayor; con pasos menores se pueden provocar obturaciones, y con pasos mucho mayores la superficie termo intercambiadora se reduce. La disposición de los tubos en alineación regular facilita la limpieza y ofrece menos pérdidas de presión del lado de humos.
- Aletas anulares de perfil rectangular: Cada aleta se compone de dos mitades idénticas que se sueldan por la parte exterior del tubo, este tipo de aleta se monta en alineación regular en bancos de tubos dispuestos horizontalmente, siendo el flujo cruzado de humos vertical descendente.
- Deflectores: Los bancos de tubos que configuran un economizador tienen sus tramos rectos aleteados y están unidos en sus extremos mediante codos de la misma tubería, en los que no se instalan aletas, conformando una sección de paso preferencial para los humos. Para evitar que los humos rodeen los tramos rectos aleteados, que ofrecen una sección de paso más restringida, se disponen tabiques deflectores que evitan la
circulación de humos a través de los codos; también se utilizan en economizadores de tubos desnudos. - La circulación de los humos a través de los codos (no aleteadas), provoca:Una reducción de la transferencia de calor en el banco que tiene la superficie ampliada a. Una elevación de la temperatura del cerramiento que limita el volumen en el que está ubicada la superficie termo intercambiadora del economizador b. Una mayor erosión en los codos, cuando se queman carbones altos en cenizas
LIMITE DE VELOCIDADES El diseño de un economizador radica en lograr en el banco tubular la transferencia de calor necesaria, con el mínimo coste posible y máxima velocidad permisible, correspondiente a la sección mínima de paso de humos. Cuando se queman combustibles limpios, como gases o aceites con poca ceniza, la velocidad se fija con la máxima caída de presión permisible desde el punto de vista económico.
En los aceites pesados y aceites con mucha ceniza, al igual que en los carbones, la velocidad de los humos se limita debido a problemas de erosión derivados de la ceniza volante en polvo en ellos contenida y arrastrada.
a. Cuando se quema carbón con menos del 20% de materias volátiles, se recomienda una reducción de la velocidad límite del orden de 1,5 m/s b. En los economizadores de calderas con combustores ciclón, en los humos se pueden utilizar velocidades mayores, ya que éstos contienen menos polvo porque más de un 50% de la ceniza se recoge como escoria fundida, en la parte inferior de la caldera; en lo que respecta a la erosión, las partículas arrastradas por los humos hacia el economizador resultan menos lesivas. Para una determinada disposición de los tubos y una carga dada en la unidad, la velocidad de los humos depende únicamente de su volumen específico, que disminuye cuando baja su temperatura, lo que conduce a velocidades más bajas y menores transferencias de calor Para mantener la velocidad de los humos a través de las distintas secciones del economizador, el banco inferior se diseña con tubos de mayor diámetro, lo que reduce la sección de paso de humos, mejora la transferencia de calor y requiere menor superficie e inversión. Sistemas soporte del economizador Los economizadores se sitúan dentro de cerramientos que tienen, según sea la temperatura de los humos, paredes tubulares de chapas 454ºC. c. Cuando los cerramientos son de chapa, el economizador no se puede soportar en ellas. d. Cuando los cerramientos son de paredes de tubos, el economizador sí se puede soportar en ellas en general, los economizadores están colgados y soportados desde puntos situados por encima del propio economizador; cuando la temperatura de los humos que salen del economizador es relativamente baja, se pueden soportar en puntos de cota inferior a la del economizador. Los soportes se unen mecánicamente a los tubos individuales o a las secciones del economizador quedando expuestos al flujo de humos que entra en el economizador, cuya temperatura obliga a diseñarlos con acero inoxidable. Para los tirantes que soportan las secciones más bajas del economizador, expuestos a temperaturas más moderadas en el flujo de humos, se emplean materiales de calidad inferior. Tamaño del banco tubular. LIMITACIONES - El tipo de combustible (sólido, líquido o gas) plantea, desde punto de vista de la limpieza, situaciones diversas. - Penetración que pueden lograr los sopladores en el banco, desde el punto de vista de la limpieza Necesidades de acceso. - Alrededor de los bancos tubulares del economizador, se necesitan una serie de huecos para:
a- Realizar soldaduras durante la construcción en el lugar de emplazamientoFacilitar los trabajos de mantenimiento en cada una de las diferentes ramas tubulares individuales. b- Disponer del espacio requerido por los sopladores durante el servicio de la unidad Para acceder a los distintos huecos hay que situar un número suficiente de puertas de acceso en las paredes del cerramiento. El acceso a un determinado hueco debe tener una altura mínima de 0,6 m y se puede acceder al mismo desde el exterior del recinto que limita el cerramiento, a través de una puerta individual o El interior, mediante aberturas especiales practicadas a través de los tirantes o de los bastidores de colectores. CARACTERISTICAS GEOMETRICAS. Los diámetros de tubos para economizadores están comprendidos entre 44,5 y 65,5mm. Los diámetros que caen fuera de este intervalo se usan en casos de reequipamiento de unidades en proceso de modernización. En calderas supercríticas de proceso directo se emplean tubos de menor diámetro, porque con circulación forzada la caída de presión tiene menos importancia; en estas unidades se minimiza el espesor correspondiente a la pared tubular.
APLICACIÓN LOS ECONOMIZADORES EN LA REFRIGERACION Muchos edificios comerciales utilice el aire acondicionado casi todo el año. Por ejemplo, un restaurante produce tanto calor que incluso cuando está frío afuera, el edificio puede necesitar enfriamiento. Un economizador utiliza el aire fresco del exterior para ahorrar energía de refrigeración en el interior. ¿Cómo funciona? Un control economizador es un dispositivo mecánico que utiliza aire fresco del exterior para enfriar el interior de un edificio, reduciendo así la necesidad de refrigeración eléctrica. El control está instalado como una parte del sistema de ventilación / enfriamiento. Cuando se detecta que las condiciones al aire libre son correctas, se apaga el compresor de acondicionador de aire y se abre la compuerta de aire exterior. El ventilador a continuación, dibuja en el aire exterior para refrigerar. Cuando los sentidos de control que el aire exterior es inadecuado para el enfriamiento, el amortiguador se cierra y el compresor de aire acondicionado se vuelve a encender.
Un acondicionador de aire utiliza la electricidad en tres componentes principales: el compresor, el ventilador del condensador, y el ventilador de aire del evaporador o suministro. La energía utilizada por el compresor representa la mayor parte de la electricidad total consumida. A medida que el economizador reemplaza refrigerado por aire mecánicamente por la unidad de enfriamiento con aire exterior fresco y el ventilador del compresor y el condensador no tiene que correr, que se traduce en un considerable ahorro energético. El economizador también puede trabajar con el compresor para mejorar la eficiencia general del sistema mediante la elaboración en el enfriador de aire exterior para reemplazar el aire caliente. Los economizadores más eficaces funcionarán de la manera siguiente: 1. Cuando el aire exterior se enfríe lo suficiente para satisfacer las necesidades de aire acondicionado, el economizador se apaga el aire acondicionado y trae aire fresco al aire libre en la instalación. 2. Cuando el aire exterior es más frío que el aire interior, pero no lo suficientemente fría para satisfacer los requisitos de temperatura sin refrigeración adicional, el economizador se cierra la compuerta de aire de retorno, basándose en el aire exterior a través del acondicionador de aire donde se mecánicamente enfrió a la temperatura apropiada. El aire acondicionado no utiliza la energía tanto a la satisfacción de las necesidades de refrigeración como ocurriría sin el economizador. 3. Si la temperatura del aire exterior es más caliente que el aire de retorno en el interior, el regulador de aire exterior se cierra para que el aire de retorno sólo se utiliza para la refrigeración. A veces durante la instalación del compresor está conectado de tal manera que "bloquea", o se apaga, siempre que el economizador se enciende, sin embargo, una de las formas del economizador ayuda a ahorrar es trabajando con el compresor cuando es el modo más eficiente . Asegurarse de que los cables contratista economizador y el compresor de tal manera que puedan trabajar juntos. Hay dos tipos principales de economizadores, uno es un refinamiento de la otra. El simple economizador de bulbo seco detecta la temperatura del aire solamente, es relativamente barato de instalar y fácil de mantener, y es práctico para la mayoría de los edificios comerciales. Debido a que no se necesita calor latente
(es decir, la humedad) en consideración no proporcionará como un alto nivel de comodidad y no guardar tanta energía. El bulbo húmedo o economizador de entalpía es un control más sofisticado que detecta tanto el contenido de humedad y temperatura del aire. Su alto costo y los requisitos de mantenimiento veces mayor que la ventaja obtenida en la comodidad. En caso de duda acerca de qué tipo es mejor para su situación, consulte con un contratista mecánico o ingeniero consultor. Mantenimiento Un economizador que funciona de manera inadecuada puede ahorrar energía poco o nada. Comprobar con regularidad los amortiguadores, los vínculos, los brazos de palanca y otras partes móviles para garantizar que se mueven libremente. Limpie y lubrique todas las veces que sea necesario, siguiendo las instrucciones del fabricante. El dispositivo de control de entalpía es frágil y debe ser revisado por un contratista con frecuencia, el costo de reposición es mucho menor que el precio de la energía extra que se usa cuando el ahorrador no está bien controlada.
BIBLIOGRAFIA CENTRALES TERMOSOLARES TCCP. SANTIAGO GARCIA GARRIDO. Editorial RENOVETEC. 2010. THEORETICAL EVALUATION OF THE VAPOR COMPRESSION CYCLE WITH ANLIQUID-LINE/SUCTION-LINE HEAT EXCHANGER, ECONOMIZER, AND EJECTOR. PIOTR A. DOMANSKI. Departamento de comercio de estados unidos.1995. PAGINAS DE INTERNET WWW.SCRIBD.COM. “ENSAYO ECONOMIZADORES PARA GENERADORES DE VAPOR”. 23 DE MAYO DE 22.2:45 PM
WWW.INDUSTRIALTIJUANA.COM. “ENSAYO LA VERDADERA ECONOMIA ESTA EN LA RECUPERACION DE CALOR”. 23 DE MAYO DE 2012.02:50 PM