Temas selectos de Ingenieria Termica

TCCO

José Luis Hernández Quisbert

Temas Selectos de Ingeniería Térmica

José Luis Hernández Quisbert 2014

Editorial 2014 1ª edición ISBN: Impreso en Bolivia / Printed in Bolivia Impreso por

Índice Prefacio .................................................................................................................................... 1 LISTADO DE TABLAS ..................................................................................................... 3 LISTADO DE FIGURAS ................................................................................................. 5 LISTADO DE REFERENCIAS .................................................................................. 11 1.

2.

Combustibles y Combustión ................................................................................ 13 1.1.

La naturaleza de la Combustión ....................................................... 13

1.1.

Propiedades Físico - Químicas de los Combustibles ...................... 30

1.1.1.

Propiedades de los Combustibles Sólidos ................................... 30

1.1.2.

Propiedades de los Combustibles Líquidos............................. 33

1.1.3.

Octanaje y Cetanaje de los Combustibles ................................ 45

1.1.4.

Propiedades de los Combustibles Gaseosos ............................ 50

1.2.

Combustión Estequiométrica ........................................................... 54

1.3.

Combustión con Exceso y Defecto de Aire ..................................... 57

Termodinámica de la Combustión..................................................................... 63 2.1.

Calor de Combustión ......................................................................... 63

2.2.

Primera Ley aplicada al Proceso de Combustión ............................ 69

2.3.

Entalpía de Formación ...................................................................... 70

2.4.

Poder Calorífico Superior de un Combustible ................................. 73

2.5.

Poder Calorífico Inferior de un Combustible .................................. 79

2.6.

Temperatura de Flama Adiabática ................................................... 84

2.7.

Influencia de la Altitud en la Combustión ....................................... 89

3.

4.

Contaminación Ambiental por Efecto de la Combustión ........................... 99 3.1.

Contaminación Industrial ............................................................... 107

3.2.

Analizadores de Gases de Emisión ................................................. 119

3.3.

Limpieza de Gases Industriales ...................................................... 128

Quemadores ............................................................................................................133 4.1.

Quemadores de Combustibles Gaseosos ....................................... 133

4.1.1.

Clasificación de los Quemadores ............................................ 135

4.1.2.

Parámetros de Diseño de un Quemador Atmosférico........... 138

4.1.4.

Geometría del Quemador Atmosférico................................... 147

4.2.

Diseño de Quemadores de Tiro Forzado ....................................... 152

4.2.1. 4.3.

Determinación del diámetro del Inyector .............................. 154

Ventiladores y Turbosopladores de Quemadores ......................... 155

4.3.1.

Clasificación de Ventiladores .................................................. 160

4.3.2.

Potencia de un Ventilador ....................................................... 161

4.3.3.

Medición de la Presión y Velocidad en un Ventilador .......... 163

4.3.4.

Potencia requerida de un Ventilador ...................................... 165

4.4.

Quemadores de Combustibles Líquidos ........................................ 165

4.4.1.

Quemadores de Vaporización o Gasificación ........................ 166

4.4.2.

Quemadores de Emulsión ....................................................... 167

4.4.3.

Quemadores de Pulverización por Fluido Auxiliar ............... 168

4.4.4.

Quemador de Pulverización Mecánica Centrífugo ............... 169

4.4.5.

Quemadores Pulverización Mecánica por Presión Directa .. 170

4.5.

Quemadores de Combustibles Sólidos ........................................... 175

4.5.1.

Quemador de Sólidos con Alimentación Inferior .................. 177

4.5.2.

Quemador de Sólidos con Alimentación Superior ................ 177

4.5.3.

Quemadores de Sólidos con Parrilla Móvil ............................ 178

4.6. 5.

Generadores de Vapor .......................................................................................... 187 5.3.

6.

Sistemas de Encendido y Seguridad de Quemadores................... 179 Cálculos de un Generador de Vapor ............................................... 197

5.3.1.

Capacidad Nominal de una Caldera Pirotubular .................. 197

5.3.2.

Equivalente de Vaporización .................................................. 198

5.3.3.

Factor de Vaporización ........................................................... 198

5.4.

Superficie de Calentamiento ........................................................... 198

5.5.

Cálculos de Eficiencia ..................................................................... 200

5.6.

Diseño de Calderos Pirotubulares .................................................. 202

5.6.1.

Parámetros de diseño de Calderos Pirotubulares .................. 202

5.6.2.

Requerimientos de espesor Calderos Pirotubulares.............. 203

5.6.3.

Materiales de Calderos Pirotubulares..................................... 211

5.7.

Uso de Software FIRECAD ............................................................ 211

5.8.

Calderos Acuotubulares .................................................................. 224

5.9.

Código ASME para calderos ........................................................... 232

Tratamiento de Agua para Calderos ................................................................ 237 6.1.

Características Físico-químicas del Agua de Alimentación ......... 242

6.2.

Ablandadores por Intercambio Iónico ........................................... 244

6.3.

Alcalinidad - acidez del Agua ......................................................... 247

6.4.

Concentración de sólidos totales disueltos y en suspensión ........ 248

7.

8.

9.

6.5.

Diseño de Ablandadores.................................................................. 249

6.6.

Mantenimiento de Generadores de Vapor ..................................... 251

6.7.

Atención de Emergencias en Calderas ........................................... 254

Distribución del Vapor .........................................................................................257 7.1.

Calidad y Calorímetros de Vapor .................................................... 257

7.2.

Tuberías de Vapor y su Dimensionamiento .................................. 263

7.3.

Línea Principal y Drenaje ................................................................ 282

7.4.

Medición de la Demanda de Vapor ................................................ 289

7.5.

Trampas de Vapor y Accesorios ..................................................... 295

7.5.1.

Trampas de Vapor Termodinámicas ...................................... 295

7.5.2.

Trampas de Vapor Mecánicas de Flotador ............................ 297

7.5.3.

Trampa de Vapor de Cubeta Invertida ................................... 299

7.5.4.

Trampas de Vapor Termostáticas........................................... 300

7.5.6.

Separadores de Vapor .............................................................. 302

Carga Térmica de Calefacción de Ambientes ...............................................305 8.1.

Calefacción por Aire Caliente.......................................................... 322

8.2.

Calefacción por Agua Caliente ........................................................ 327

8.3.

Calefacción por Vapor ..................................................................... 337

8.4.

Calefacción por Suelo Radiante ...................................................... 343

8.5.

Uso de Software para Cargas Térmicas de Calefacción ................ 353

Sistemas de Calefacción de Agua Caliente Sanitaria ACS ........................357 9.2.

Sistemas Centrales ........................................................................... 368

9.3.

Cálculo de Diámetros de Tuberías de A.C.S. ................................. 374

10.

Sistemas de Calefacción de Piscinas ........................................................... 379

10.1.

Subsistema de Carga Térmica ........................................................ 380

10.2.

Subsistema Hidráulico .................................................................... 384

10.3.

Cálculo y Especificación de Componentes.................................... 386

11.

Diseño de Saunas Secos y Saunas a Vapor................................................ 393

11.1.

Sauna Seco........................................................................................ 394

11.1.1. 11.2.

Sauna a Vapor .................................................................................. 402

11.2.1 12.

Cálculos y especificación de componentes Sauna Seco ........ 395

Cálculo y Especificación de Componentes............................ 403

Hornos .................................................................................................................. 407

12.1.

Cálculo de los Aparatos de Caldeo y Cocción ............................... 408

12.1.1.

Horno de Fuego Directo ......................................................... 408

12.2.

Hornos de Secado de Madera ......................................................... 415

12.3.

Hornos Deshidratadores ................................................................. 430

12.4.

Hornos Eléctricos y Estufas ........................................................... 435

ANEXOS ............................................................................................................................ 447 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS .......................................................................... 461

Prefacio

Los Programas Académicos de Ingeniería Mecánica y Electromecánica de la Universidad Mayor de San Andrés tienen en sus Planes de Estudio la asignatura de Ingeniería Térmica, cuyo contenido mínimo comprende: Estudio de la Termodinámica de la Combustión y su Aplicación en Máquinas Térmicas de Combustión Interna y Externa, así como en otros procesos termomecánicos; Estudio del Proceso de la Combustión de Combustibles Sólidos, Líquidos y Gaseosos como Fuente de Calor; Emisión de Gases Producto de la Combustión y su Condición Contaminante; Diseño de Quemadores y sus Aplicaciones; Diseño, Operación y Mantenimiento de Equipos Generadores de Vapor; Tratamiento Físico-químico del Agua de Alimentación de Calderos; Diseño de Sistemas de Agua Caliente Sanitaria; Diseño de Sistemas de Calefacción. A la fecha, no existe un texto académico único o texto de aplicación, nacional o extranjero, que incluya la totalidad de los temas mencionados de manera gradual e integral y, tanto docente como estudiantes recurren de manera aislada a diferentes fuentes de información. En el entendido que “Producción Intelectual es toda creación en el campo científico, académico o literario, independientemente de su forma de expresión, que pueda materializarse por cualquier medio y que se realice en función de las necesidades institucionales”, se considera que la generación de un texto universitario, que incluya el estudio de temas selectos de Ingeniería Térmica, es una forma de satisfacer la necesidad planteada en el área térmica para la carrera de Ingeniería Mecánica y Electromecánica de la UMSA. 1

Las aplicaciones de la Ingeniería Térmica juegan un importante rol en equipos domésticos y de la Industria, así como en la preservación del medio ambiente, lo que contribuye al desarrollo sostenible de la sociedad moderna. En tal sentido, el presente Texto tiene por objeto mostrar al estudiante la transición efectiva de los conceptos adquiridos en Termodinámica, Transferencia de Calor y Mecánica de Fluidos en productos finales de componentes, equipos y sistemas termomecánicos. Los libros de texto universitario desempeñan un papel fundamental en la educación de la ingeniería, puesto que estructuran los procesos de enseñanza y aprendizaje, son fuente específica del contenido curricular y presentan una exposición organizada en una estructura de un cuerpo de conocimientos, además de un implícito estilo didáctico propio del autor. Las clases magistrales deben ser complementadas con un texto base que permita al estudiante una lectura detallada de la teoría y un uso de los ejercicios resueltos como material didáctico de apoyo. La bibliografía, tanto básica como complementaria, para la asignatura de Ingeniería Térmica es de origen extranjero y no presenta el contexto de las formas culturales y realidad nacional en la aplicación de la Ingeniería Térmica. La generación del presente texto universitario conlleva un trabajo de investigación, el cual pretende aportar a la mejora de los índices de producción intelectual de la carrera y de la universidad.

2

TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA José Luis Hernández Quisbert

LISTADO DE TABLAS N°

Página

1.

Tabla de Concentración de Dióxido de Carbono en PPM

18

2.

Familias de Hidrocarburos Derivados del Petróleo

24

3.

Tabla de Poderes Caloríficos de Combustibles Líquidos

33

4.

Temperaturas de Inflamación y Auto ignición

35

5.

Propiedades de Combustibles Automotores

36

6.

Propiedades Típicas de los Fuelóleos

39

7.

Especificaciones de Gasolinas

41

8.

Especificaciones del Diésel ASTM D975

43

9.

Especificaciones ASTM de Combustibles de Turbinas de Aviación 44

10. Condiciones de Operación de Prueba de Octanaje

46

11. Octanaje de Diferentes Combustibles y Gasolinas

46

12. Condiciones de Operación de acuerdo a ASTMD613

49

13. Gases Combustibles según Familias

53

14. Composición del Aire Atmosférico Seco

55

15. Entalpías de Formación de Combustibles Comunes

70

16. Poderes Caloríficos

80

17. Gases con Efecto Invernadero

116

18. Emisiones de Escape de Motor a Gasolina

118

19. Emisiones de Escape en g/milla

118

20. Clasificación de Quemadores

135

21. Clasificación de Ventiladores

161

22. Dimensiones Referenciales de Calderos

203

23. Espesores mínimos de Carcasas y Tapas Tubulares

203

24. Unidades Equivalentes en Diferentes Sistemas

241

25. Capacidad Suavizadora de Ablandadores

251

26. Procedimientos de Emergencias en Calderas

254

27. Diámetros Diferentes Esquemas

268

3


28. Porción extractada del Anexo N° A

276

29. Porción extractada del Anexo N° B

276

30. Dimensiones Recomendadas de Drenajes

284

31. Actividad Metabólica

310

32. Resistencia Térmica de la Ropa

311

33. Coeficientes de Convección

317

34. Factores Suplementarios

318

35. Número de Renovaciones de Aire

319

36. Coeficientes de Transferencia de Calor

320

37. Factores de Pérdida 𝑘 para Accesorios de Ductos

326

38. Coeficientes Kr (Kcal/h m °C)

350

39. Pérdidas de Presión en Artefactos

353

40. Consumo de ACS por uso en Aparatos

363

41. Flujos de Consumo de ACS en Aparatos

364

42. Capacidad de Tanques Proveedores de ACS

371

43. Tabla de Factor de Diversidad para Unidades Habitacionales

375

44. Tabla de Coeficiente Transferencia de Calor Superficial - Piscinas

382

45. Pérdidas en Accesorios de 2”

387

46. Pérdidas por Fricción de Tuberías de Agua x cada 100’ de Tubería 388 47. Área óptima de Filtrado para Diferentes Tamaños de Bombas

389

48. Volumen de Sauna de Vapor vs Potencia Requerida

403

49. Factor de Corrección de Potencias de Saunas de Vapor

405

50. Programa de Secado de Madera

429

51. Resistividades Eléctricas de Diferentes Aleaciones

440

52. Tabla Estandarizada de Calibres de Alambre

443

4


LISTADO DE FIGURAS N°

Página

1.

Temperatura Media de Tierra y Océano 1901 a 2013

18

2.

Gráfica de Consumo Energía de Diversa Índole.

19

3.

Destilación Fraccionada del Petróleo

23

4.

Estructura Molecular de Componentes del Petróleo

27

5.

Porcentaje de Evaporado

37

6.

Cámara de Combustión como Volumen de Control

69

7.

Reactor de Flujo Continuo

72

8.

Cámara de Combustión como Volumen de Control

76

9.

Bomba Calorimétrica

82

10. Interpretación Gráfica de la Temperatura de Flama Adiabática

85

11. Cámara de Combustión Adiabática

87

12. Efecto de la Altitud en la Densidad del Aire

90

13. Cantidad Total Energía capaz de liberar x m3 de aire a diferentes alturas 92 14. Formación del Smog Fotoquímico

109

15. Situación Normal

110

16. Inversión Térmica

111

17. Analizador de Gases Orsat

120

18. Esquema de un Analizador de Gases por Rayos Infrarrojos

123

19. Comportamiento Gases Escape c/base en la relación Aire-combustible 126 20. Esquemas de Limpiadores de Gases de Combustión

129

21. Depurador Húmedo –Seco

131

22. Depurador Seco

132

23. Quemadores Atmosféricos y Quemadores de Aire Forzado

137

24. Quemador Atmosférico y sus Partes Constitutivas

138

25. Eficiencia del Quemador

140

26. Comportamiento de la Presión en un Quemador Atmosférico

141

27. Tipos de Flamas

142

5


28. Inyector Seccionado

144

29. Esquema Bernoulli

144

30. Coeficientes de Descarga

147

31. Geometría del Quemador Atmosférico

147

32. Partes Constitutivas de un Quemador de Tiro Forzado

152

33. Diagrama de Flujo de Operación de un Quemador de Tiro Forzado

153

34. Ventilador Centrífugo

155

35. Tipos de Ventiladores o Turbosopladores

160

36. Diagrama Presión vs. Volumen de un Ventilador

162

37. Medición de la Presión de un Ventilador

163

38. Partes Constitutivas de un Quemador de Combustibles Líquidos

165

39. Quemador de Vaporización: a) Llama Vertical b) Llama Horizontal

167

40. Quemadores de Emulsión a Baja Presión

168

41. Quemador de Pulverización Neumática a Baja Presión de Mezcla

169

42. Quemador de Pulverización Mecánica

170

43. Quemador de Pulverización Mecánica por Presión Directa

170

44. Esquema de la Bomba y Circuito de Combustible de un Quemador de

Fuelóleo modulante con una sola boquilla de pulverización.

171

45. Nomenclatura de Toberas

172

46. Ángulos de Pulverización de Toberas

173

47. Distribución del Aire

174

48. Cabeza de Combustión

175

49. Quemador de Biomasa de Alimentación Inferior con Tiro Forzado

177

50. Quemador de Biomasa de Alimentación Superior

177

51. Quemador de Biomasa de Parrilla Móvil

179

52. Chispero Piezoeléctrico

159

53. Chispero de Resistencia Eléctrica

180

54. Chispero Eléctrico de Salto de Chispa

181

55. Seguro Bimetálico de Encendido

182

56. Seguro de Encendido por Célula Fotoeléctrica

183

6


57. Seguro de Encendido por Célula Fotoconductora

183

58. Seguro de Encendido por Célula Fotoconductora

184

59. Reguladores de Presión

185

60. Esquema de Caldero de Fondo Seco

191

61. Esquema de Caldero de Fondo Húmedo

191

62. Sección de Caldero Pirotubular de 4 Pasos.

192

63. Subsistemas que comprenden un Caldero Pirotubular

193

64. Subsistema de Alimentación de Agua de un Caldero Pirotubular

195

65. Subsistema de Seguridad de un Caldero Pirotubular

196

66. Sección Transversal de Caldero Pirotubular

199

67. Gráfico Diámetro Cañón versus Potencia Entregada

205

68. Determinación del Radio de la Carcasa del Caldero

207

69. Arreglo Triangular de Tubos de Calderos

208

70. Paso entre Tubos de Calderos

209

71. Programa Firecad Formato de Admisión de Datos

212

72. Calderos Acuotubulares

224

73. Efecto Termosifón en Calderos Acuotubulares

225

74. Banco de Tubos Aletados de Caldero Acuotubular

226

75. Sección Convectiva Caldero Acuotubular

227

76. Caldero Acuotubular Longitudinal

228

77. Caldero Acuotubular de Tambor Cruzado

228

78. Caldero Stirling de Tubos Inclinados

229

79. Partes Constitutivas de un Caldero Acuotubular

230

80. Incrustaciones en Intercambiadores de Calor

240

81. Esquema Interno de un Ablandador de Agua

245

82. Esquema de un Ablandador y Tanque de Salmuera

246

83. Detalle Operacional de Válvulas

246

84. Diagrama T vs S Curva Isobárica

257

85. Calorímetro de Estrangulamiento

260

86. Gráfica de Proceso Isoentálpico en Calorímetro de Estrangulamiento

261

7


87. Calorímetro Eléctrico

262

88. Típica Instalación de Caldero y su Distribución

263

89. Presión de Vapor Saturado Seco vs Volumen Específico

265

90. Típica Estación de Válvula Reguladora de Presión

266

91. Caída de Presión en una Tubería

269

92. Carta de Moody en SI

272

93. Arreglo de Caldero e Intercambiador de Calor

274

94. Carta Dimensionamiento Tuberías Vapor - Método Caída de Presión

278

95. Monograma Dimensionamiento Tuberías Vapor - Método Velocidad

281

96. Instalación Típica de Tubería Principal

282

97. Salida a Trampa de Vapor demasiado Pequeña

283

98. Salida a Trampa de Vapor Amplia y Adecuada

284

99. Dimensionamiento de Salidas

284

100. Formación del Golpe de Ariete

285

101. Causas de Formación del Golpe de Ariete

286

102. Reducciones Típicas en Líneas de Vapor

286

103. Extensión de Ramales de Líneas de Vapor

287

104. Típica Instalación de Línea de Conexión Ramal y Drenaje

288

105. Ejemplo de Arreglo de Ramal Ascendente

289

106. Equipos de Medición de Flujo de Vapor

291

107. Depósito Calentador de Aceite Térmico con Vapor

292

108. Intercambiador de Calor de Flujo Continuo

294

109. Típico Perfil Temperatura en Intercambiador de Calor Flujo Continuo

294

110. Trampas Termodinámicas

296

111. Mecánicas de Flotador

297

112. Trampas de Cubeta Invertida

299

113. Trampas de Vapor Termostáticas

300

114. Trampa de Vapor Termostática Bimetálica

301

115. Separador de Vapor de Bafles

303

116. Disipación del Calor Humano

306

8


117. Diagramas de Confort para Invierno y Verano

312

118. Pérdidas de Calor en Ambientes Cerrados

314

119. Coeficiente de Transmisión Térmica de Pared de Ladrillos

315

120. Inmueble con 4 Cerramientos

319

121. Sistema de Calefacción Central por Aire Caliente

322

122. Típica Instalación de Calefacción por Agua Caliente

328

123. Elementos Emisores en Calefacción por Aire Caliente

329

124. Plano e Isométrico de Vivienda a Calentar

333

125. Porción extraída de Anexo 8.3.1

335

126. Sistema Monotubo

338

127. Sistema Bitubo

340

128. Suelo Radiante

343

129. Componentes Básicos del Sistema de Calefacción por Suelo Radiante

347

130. Detalle de Serpentín Continuo y en Espiral

347

131. Transmisión de Calor de un Suelo Radiante

349

132. Detalle del Suelo Radiante

352

133. Hoja Electrónica de Calefacción

355

134. Vista Interior y Esquema de Termotanque

358

135. Esquema Interno del Calefón Instantáneo

360

136. Esquema de Funcionamiento de Caldera Mixta para ACS y Calefacción 367 137. Detalles de Tanque Intermediario

369

138. Detalle de Montaje de Tanque Intermediario

370

139. Detalles de Distribución de Tuberías en Edificios

373

140. Nomograma de Diámetros de Tuberías

376

141. Esquema de una Red de Tuberías de Suministro de Agua Caliente

376

142. Pérdidas de Calor en Piscinas

380

143. Diagrama Típico de Montaje de Piscina

384

144. Instalación Típica de una Piscina Doméstica

386

145. Ejercicio de Pérdidas de Presión

387

146. Interior de Filtro de Arena

389

9


147. Detalle de Instalación de Componentes

390

148. Sauna Seco

394

149. Detalle de Cerramiento de Sauna Seco

395

150. Generador de Calor de Sauna a GLP o GN

398

151. Sistema de Control de Sauna Seco

401

152. Sauna a Vapor

402

153. Gráfica de Volumen de Sauna vs Potencia Requerida

404

154. Esquema de un Horno de Combustión

407

155. Balance de Energía de un Horno de Fuego Directo

408

156. Pérdidas por Conducción, Convección, Radiación, Circuito Equivalente 410 157. Pérdidas por Chimenea Gas Natural

412

158. Pérdidas por Chimenea Fuelóleo N° 2

412

159. Comportamiento de la Humedad en la Madera

418

160. Medidores Digitales de Humedad de Madera

419

161. Esquema Básico de un Horno de Secado de Madera

420

162. Apilado de Tablones para permitir el paso del Aire Secador

425

163. Interior de un Horno de Secado de Madera

428

164. Diagrama de Fases del Agua y Formas de Secado

431

165. Esquema Deshidratador de Túnel Continuo

432

166. Hornos de Resistencias

436

167. Potencia Específica Máxima en Hornos

439

10


LISTADO DE REFERENCIAS 1.

Prácticas del Laboratorio de Máquinas térmicas de la UNAM

2.

Según la grafía recomendada por el Diccionario Panhispánico de Dudas

3.

S. McAllister et al., Fundamentals of Combustion Processes

4.

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/kinetic/barfor.html

5.

http://www.combustionindustrial.com/img/COMBUSTION_ALTURA_ ENE2008.pdf

6.

http://www.thefreelibrary.com/Field+testing+residential+fan-assisted+gasfired+furnaces--Part+II%3a...-a0201591031

7.

Estudio del Efecto de la Altitud sobre el Comportamiento de Motores de Combustión Interna. Magín Lapuerta et al. (e-mail: [email protected])

8.

Luis Echarra Universidad de Navarra Población , ecología y ambiente

9.

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001766/Temas/General/15_ Analisis Gases.htm

10. Fundamentos de Termodinámica Van Wylen&Sonttag 11. Grupo de ciencia y tecnología del gas. Universidad de Antioquia 12. Calentamiento Industrial Eléctrico y por Combustión Raúl H. Varetto 13. Descripción de Calderas y Generadores de Vapor. Abarca, Pedro. Chile 14. Prácticas del Laboratorio de Máquinas térmicas de la UNAM 15. PART PFT Requirements for Fire Tube Boilers ASME Code 16. http://bhelpssr.co.in/data/qly/ibr/ibrdoc/Regulation%20Web/regulation %20592.htm 17. Indian Boiler Regulation 18. Código ASME de Calderas Pirotubulares 19. Manual de Instrucciones Suavizadores de agua Calderos Clayton México 20. http://suratep.grupomide.com/ecapacitacion/presentaciones/guia/sec_guia.pdf

11


21. Prácticas del Laboratorio de Máquinas térmicas de la UNAM 22. Quadri, Nestor (1993) Instalaciones de aire acondicionado y calefacción 23. Quadri, Nestor (2009) Sistemas de Calefacción por agua caliente 24. Wikipedia la Enciclopedia Libre 25. http://geoheat.oit.edu/bulletin/bull21-3/art3.pdf 26. http://www.spa-pool.org/membersonly/PDFs/ANSI-APSP7_Fact_Sheet_Oct_2008.pdf 27. Design Considerations For Pools And Spas (Natatoriums) John W. Lund 28. http://es.wikipedia.org/wiki/Sauna 29. R. M. Palazón www.areadecalculo.com Una teoría de la Elaboración del Vidrio 30. Process furnaces, dryers and kilns Energy Management Series for Industry Commerce and Institutions 31. Heat and Air Requirements in the Kiln Drying of Woods C.A. Eckelman and J.L. Baker 32. Termodinámica para Ingenieros Merle C. Potter 33. The Importance of Fans in the Lumber Kiln Drying Process 34. Sita R. Warren H.A. Simons Ltd. Vancouver, CA http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion1.HornosIndustriales.2006.pdf

12


CAPÍTULO 1 1.

Combustibles y Combustión

1.1. La naturaleza de la Combustión La combustión es un fenómeno tan comúnmente observado que difícilmente parece ser necesaria su definición. Desde un punto de vista científico, la combustión está sustentada por la cinética de la reacción química. El término combustión se utiliza para aquellas acciones en las cuales ocurre una rápida y gran conversión de energía química en energía sensible, es decir, un proceso de oxidación. Sin embargo, tal definición no es precisa; por ejemplo, la oxidación de las partes de un automóvil no se puede considerar como una combustión aunque haya un proceso de oxidación muy lento. Si se pulveriza el metal de un vehículo y se deja que se oxide en el medio ambiente, estas pequeñas partículas tendrán un proceso de oxidación mucho más rápido; esto se debe a que se está incrementando el área de contacto y por lo tanto también se está incrementando la tasa de reacción. Por lo expuesto, se puede definir el proceso de combustión como un proceso de oxidación, rapidísimo y exotérmico. A continuación se cita una ampliación en este ámbito: “La combustión es un proceso de oxidación mediante el cual una sustancia combustible libera su energía latente en forma de calor y luz al entrar en contacto con el elemento comburente; éste puede ser oxígeno puro o bien oxígeno que se toma de un compuesto químico, como el ácido nítrico o el perclorato de amoníaco.”1 Se define como combustible a toda sustancia que, cuando se la calienta, pasa por una reacción química con un oxidante (típicamente oxígeno en el 1


13


aire) para liberar calor. Los combustibles son sustancias que pueden proporcionar energía calorífica para producir trabajo mecánico; según su estado, los combustibles se clasifican en sólidos, líquidos o gaseosos. Para que un combustible sea una fuente de energía, éste debe ser abundante y relativamente barato. Los combustibles pueden ser provenientes de fósiles o de biomasa. Los combustibles fósiles son no renovables mientras los biomásicos sí son renovables. Los combustibles fósiles comprenden el gas natural, los derivados del petróleo y el carbón mineral. Los combustibles de biomasa provienen principalmente de madera, residuos agrícolas y material orgánico. Los combustibles sólidos comprenden las distintas clases de carbón; éste puede ser de origen orgánico o inorgánico. Estos combustibles generalmente están constituidos por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, humedad y cenizas. Algunos de los combustibles sólidos son: la antracita, semiantracita, carbón bituminoso, lignito, etc. La reacción en el proceso de combustión se puede incrementar aumentando la temperatura. La tasa de la reacción química exotérmica aumenta exponencialmente en función de la temperatura absoluta de la reacción. Aún un pequeño incremento en la temperatura aumentará rápidamente la reacción. Debido a que las reacciones de los combustibles son exotérmicas, las temperaturas van aumentando y la tasa de reacción también va aumentando hasta alcanzar tal velocidad que el proceso de combustión se convierte en una explosión. Si la temperatura de una mezcla aire-combustible se ha elevado uniformemente, por ejemplo, por una compresión adiabática, la reacción puede ocurrir homogéneamente en todo el volumen; sin embargo, esto no es lo común, la combustión comúnmente observada presenta una flama, la cual es una región gaseosa delgada donde se produce la reacción química 14


exotérmica; por ejemplo, en la combustión de un mechero Bunssen y una vela, ambos muestran una delgada región donde tanto el combustible como el oxígeno reaccionan desprendiendo calor y luz. En el caso de un mechero Bunssen, los reactantes compuestos por el combustible gaseoso, como el metano, y el aire llegan muy bien mezclados antes de la ignición, una vez mezclados se queman y la mezcla forma una zona de reacción de forma cónica denominada frente de flama, originándose los productos de la combustión. La conversión de la energía química en energía sensible ocurre en la flama y eso hace que la temperatura de la flama aumente. Los productos de la combustión emergen de la flama a una temperatura elevada pero la transferencia de calor y la mezcla que ocurre con el aire del ambiente causa que la temperatura disminuya a medida que los productos se alejan de la flama. El mechero Bunssen es un ejemplo de combustión de pre mezcla, esa combustión da origen a la flama premezclada. Otro ejemplo de combustión de mezcla es la que ocurre en una cámara de combustión de un automóvil donde el aire y combustible llegan mezclados en una relación determinada. La flama del mechero Bunssen es una flama estacionaria mientras que la que ocurre en una cámara de combustión es un ejemplo de una flama que se propaga. La flama de una vela es diferente a la de un mechero Bunssen ya que en la vela el combustible no es premezclado con el oxidante, la cera de la vela es calentada por la misma flama, ésta se licúa, luego se vaporiza y se mezcla con el aire que es absorbido de los alrededores por la flama en un movimiento boyante que hace que los productos fluyan hacia arriba. Este tipo de flama se denomina de difusión. La concentración aire-combustible en una flama de difusión varía desde una zona rica en combustible hasta una zona de aire puro. En este rango, algunas mezclas tienen mejores propiedades para la reacción. Para la mayoría de los combustibles, la zona de reacción de alta temperatura 15


transfiere calor creciente hacia la zona rica en combustible, formando partículas sólidas de carbón de un tamaño menor a un micrón. Estas partículas calientes y radiantes generan una luminosidad de color amarillo o rojo. La combustión de quemadores de aceite, turbinas de gas y motores diésel presenta flamas de difusión. Tanto las flamas premezcladas como las flamas de difusión ocurren a diferentes tiempos y diferentes lugares dentro de la cámara de combustión. Las flamas pueden ser laminares o turbulentas. La turbulencia mejora la mezcla e incrementa la superficie de contacto en la zona de reacción, es decir, de combustión o quema. Esta velocidad de reacción se refiere al avance de la reacción entre la mezcla quemada y la no quemada. Los efectos de la turbulencia son importantes debido a que las flamas laminares son bastante lentas. La mayoría de los quemadores en la industria trabajan con flamas turbulentas. Las velocidades de las ramas premezcladas y laminares para combustibles de hidrocarburos son de aproximadamente 0.5m/s; en cambio, las flamas turbulentas son de dos a diez veces más rápidas. Cuando se alcanza velocidades de 2000 m/s se tiene una explosión o detonación. En una combustión laminar o turbulenta las reacciones ocurren prácticamente a presión atmosférica; en cambio en una detonación, la presión alcanza hasta quince veces más. La naturaleza de la combustión también depende si el combustible es gaseoso, líquido o sólido. Los combustibles gaseosos son fáciles de transportar, mezclar y por lo general tienen una combustión limpia. Los combustibles líquidos comúnmente son pulverizados a través de toberas a altas presiones, mientras que los sólidos son molidos y pulverizados antes de ser alimentados en el quemador o combustor.

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Cuando los combustibles líquidos son calentados, estos se vaporizan y se queman en el estado gaseoso; en cambio, los combustibles sólidos cuando se calientan desprenden humedad y gases volátiles y lo que queda es carbón poroso y cenizas. Los combustibles líquidos viscosos también dejan carbón y cenizas; el carbón tiene una combustión superficial. Debido a que los combustibles gaseosos, líquidos y sólidos tienen un proceso de combustión diferente, cada equipo de combustión tendrá un diseño diferente para tener una combustión más eficiente, más económica y limpia. Las propiedades físico-químicas del combustible incidirán en el contenido de ceniza, en la erosión y en la corrosión del equipo de combustión. El proceso de combustión deberá satisfacer las exigencias medioambientales en cuanto a la emisión de productos contaminantes, tales como monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados, óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre y material particulado. Los estándares de emisión están establecidos para mantener el ambiente suficientemente limpio como para proteger la salud humana y el medio ambiente. Actualmente, el calentamiento global es una preocupación mundial y una causa de este efecto son las altas concentraciones de dióxido de carbono que propician el efecto invernadero donde las radiaciones térmicas de onda larga, que deberían salir de la superficie terrestre, son atrapadas por la atmósfera aumentando así la temperatura del planeta. Si bien la relación entre las emisiones de CO2 y la temperatura promedio del mundo aún no está muy bien establecida, se ha comprobado que la concentración de CO2 en el globo terráqueo y su atmósfera se está acelerando cada vez más. La siguiente tabla permite apreciar este fenómeno:

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Tabla N°1 Tabla de Concentración de Dióxido de Carbono en PPM

Período Antes de la revolución Industrial 1900 1958 1980 1996 2013

Concentración PPM 280 300 315 337 362 400

Fuente: Gary L. Borman. Combustion Engineering 2012. Edit. McGraw Hill

Fig. 1. Temperatura Media de Tierra y Océano 1901 a 2013 Fuente: https://www2.ucar.edu/sites/default/files/news/2014/201301-201312.png

En la figura 1 se muestra las temperaturas promedio de tierras y océanos; en la misma se observa que ha habido un incremento de 0.85ºC desde 1880 hasta el 2012. Considerando que 1/3 de la población no cuenta con energía eléctrica y su generación es en base a termoeléctricas alimentadas con combustibles sólidos, se prevé un mayor aumento de CO2 y lo que se 18


pretende es reducir esta concentración, esto se puede lograr diseñando y construyendo equipos y sistemas de combustión más eficientes desde un punto de vista energético. Entender los detalles de la combustión requiere utilizar química, matemáticas, termodinámica, transferencia de calor, mecánica de fluidos, entre otras ciencias. Por ejemplo, comprender el comportamiento de una simple flama turbulenta requiere los conocimientos de turbulencia de fluidos y cinética química, campos que se hallan en las fronteras de la ciencia actual. Sin embargo, el ingeniero no puede esperar hasta que el conocimiento evolucione y debe dar respuestas haciendo uso de la ciencia y la experiencia para hallar soluciones prácticas en materia de diseño de sistemas de combustión.

Fig. 2. Gráfica de Consumo Energía de diversa índole Fuente: WorldEnergy Council

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La figura 2 permite apreciar el uso de las diferentes formas de energía y una proyección hasta el año 2020 en medidas de unidades Mtoe, que significa la cantidad de energía cuando se quema una tonelada de petróleo crudo y equivale aproximadamente a 42GJ. Como se puede observar, el consumo de combustible fósil no renovable es muy alto y su reducción se prevé para el año 2020 en apenas 6%, esto significa que la tecnología de combustión estará vigente y deberá mejorar para reducir los niveles de emisión. El desafío actual para el ingeniero de combustión es alcanzar el diseño y construcción de equipos y sistemas de alta eficiencia, bajas emisiones y alta confiabilidad a costos razonables. Combustibles Sólidos Estos comprenden la madera y otras formas de biomasa, turba lignito, carbón bituminoso (carbón suave con alto contenido de bitumen) y carbón de antracita. Ciertos desechos industriales o municipales también se pueden considerar como combustibles. Estos combustibles están constituidos por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, humedad y cenizas. El oxígeno está químicamente ligado al combustible y varía desde un 45% en peso para la madera hasta un 2% para el carbón de antracita. La humedad puede estar en forma libre o ligada intrínsecamente en la madera o la porosidad del carbón. Las cenizas son el residuo inorgánico que queda después que se ha quemado completamente el combustible. El carbón es un mineral heterogéneo que está compuesto de carbón, hidrógeno y oxígeno con mínimas cantidades de azufre y nitrógeno. Otros constituyentes son los compuestos inorgánicos de las cenizas, algunos carbones toman una forma plástica y se derriten cuando se calientan y desprenden resinas, licores y gases, dejando un residuo de carbón. 20


El carbón se origina a través de la acumulación de la madera y otra biomasa que fue cubierta y compactada en cientos de miles de años hasta petrificarse y convertirse en rocas. El origen del carbón bituminoso parece ser tierras húmedas constantemente inundadas de aguas con nutrientes lo cual ayudó a la formación de vegetación y turba. En los niveles bajos de estas tierras húmedas existió un proceso anaeróbico que ayudó al cambio estructural y descomposición bioquímica de las plantas remanentes; estas alteraciones microbiológicas y químicas de la celulosa, la lignina y otras sustancias hicieron que aumentara el porcentaje de carbón y disminuyera la cantidad de agua. Estos cambios generaron lignito, carbón bituminoso y luego antracita, cambios progresivos que ayudaron a la carbonización además de las altas presiones y temperaturas. Químicamente, al disminuir la porosidad y aumentar la vitrificación del carbón, existe una disminución de la materia volátil, un aumento del porcentaje de carbón así como una disminución del porcentaje de oxígeno e hidrógeno como es el caso de la antracita. Estas diferencias de composiciones del carbón hacen que se clasifique en rangos y grados. Los rangos del carbón expresan la metamorfosis progresiva de un carbón desde lignito hasta antracita. El rango se basa en el poder calorífico, tema que será ampliamente estudiado más adelante. 

Combustible sólido de desecho

Este material que comúnmente denominamos basura sirve, en países industrializados, como combustible de grandes calderos donde se genera vapor que alimenta turbinas de vapor, que a su vez conducen generadores eléctricos. Los desechos o basura pueden ser quemados directamente o también pueden ser procesados y separados los combustibles de los no combustibles en sistemas de cortadoras, separadores magnéticos, cernidores por tamaño y clasificación por aire; a este tipo de combustible se lo conoce 21


como combustible derivado de desechos. Este tipo de combustible puede ser tratado para obtener combustibles líquidos y gaseosos o ser almacenado en forma de pastillas o ladrillos. En Bolivia, este recurso energético aún no está siendo utilizado y se lo debería estudiar académicamente para una futura explotación industrial. 

Combustibles Líquidos

Los combustibles líquidos son esencialmente derivados del petróleo crudo. Recientemente una nueva tecnología permite obtener combustibles líquidos derivados de esquistos, arenas resinosas, carbón y biomasa. El petróleo crudo es una mezcla de hidrocarburos líquidos con pequeñas cantidades de azufre, nitrógeno, oxígeno, trazas de metales y minerales. El petróleo generalmente se encuentra atrapado en ciertas formaciones rocosas que fueron originalmente fondos marinos. Esta materia orgánica del fondo del mar fue encerrada en capas de roca a elevadas presiones y temperaturas por millones de años hasta que se convirtió en el petróleo crudo que hoy conocemos. Los análisis de los petróleos crudos alrededor del mundo no varían mucho, con un 84% de carbón y hasta 3% de azufre, 0.5% de nitrógeno y 0.5% de oxígeno. En algunos casos se puede quemar el petróleo crudo de manera directa; sin embargo, debido a las diferentes densidades y viscosidades, así como impurezas que éste tiene, el petróleo crudo se debe refinar. Existen diferentes procesos de refinamiento tales como destilación fraccionada, cracking, reformado y otros, obteniéndose así diferentes cortes como gasolina, diésel, combustibles de turbinas de gas y fuelóleos. La figura 3 muestra una representación esquemática de los cortes obtenidos en una destilación fraccionada. Por la parte superior salen los hidrocarburos volátiles y por la parte inferior los más pesados. 22


Fig. 3. Destilación Fraccionada del Petróleo Fuente: Wikipedia

Los combustibles líquidos derivados del petróleo pueden dividirse en destilados libres de ceniza y combustibles con ceniza; estos últimos presentan una significativa cantidad de minerales, los cuales deben ser removidos en la refinería. Los combustibles líquidos derivados del petróleo tienen una variedad de hidrocarburos y presentan un amplio rango de propiedades. Químicamente, el petróleo crudo está compuesto principalmente de alcanos (parafina), ciclo alcanos, naftenos y aromáticos. Los combustibles de petróleo también contienen alquenos (olefinas), los cuales se forman durante el proceso de cracking en la refinación. Dependiendo del número de átomos de carbono y de la estructura de los hidrocarburos que integran el petróleo, se tiene diferentes propiedades que los caracterizan y determinan su comportamiento como combustibles, lubricantes, ceras o solventes.

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Tabla N°2 Familias de Hidrocarburos derivados del Petróleo

Familia

Fórmula

Estructura

Parafinas Olefinas Diolefinas Naftenos Aromáticos

Cn H2n+2 Cn H2n Cn H2n-2 Cn H2n Cn H2n-6

Cadena Saturada Cadena no Saturada Cadena no Saturada Anillo Saturado Anillo no Saturado

Fuente: Prácticas del Laboratorio de Máquinas Térmicas UNAM

Las cadenas lineales de carbono asociadas a hidrógeno constituyen las parafinas; cuando las cadenas son ramificadas se tienen las isoparafinas; al presentarse dobles uniones entre los átomos de carbono se forman las olefinas; las moléculas en las que se forman ciclos de carbono son los naftenos, y cuando estos ciclos presentan dobles uniones alternas (anillo bencénico) se tiene la familia de los aromáticos. Además hay hidrocarburos con presencia de azufre, nitrógeno y oxígeno formando familias bien caracterizadas, y un contenido menor de otros elementos. Al aumentar el peso molecular de los hidrocarburos, las estructuras se hacen verdaderamente complejas y difíciles de identificar químicamente con precisión. Un ejemplo son los asfaltenos que forman parte del residuo de la destilación al vacío; estos compuestos además están presentes como coloides en una suspensión estable que se genera por el agrupamiento envolvente de las moléculas grandes, las cuales se modifican disminuyendo su tamaño hasta constituir un todo semicontinuo.

24


25


26


Fig. 4. Estructura Molecular de Componentes del Petróleo Fuente: PEMEX http://www.imp.mx/

27




Combustibles Gaseosos

El gas natural se halla comprimido en rocas porosas y arcillas esquistosas en estratos inferiores. Frecuentemente el gas natural se halla muy cerca o encima de los depósitos de petróleo. El gas natural es una mezcla de hidrocarburos y pequeñas cantidades de no-hidrocarburos existentes en la fase gaseosa o mezclado en una solución con petróleo crudo. El gas natural crudo contiene metano y, en menores cantidades, etano, propano, butano y pentano. También, en cantidades mínimas, el gas natural contiene nitrógeno orgánico y azufre que prácticamente son despreciables y, en algunos casos, dióxido de carbono y nitrógeno que no son combustibles. El gas natural extraído de los yacimientos petrolíferos es un producto incoloro e inodoro, no tóxico y más ligero que el aire. Procede de la descomposición de los sedimentos de materia orgánica atrapada entre estratos rocosos y es una mezcla de hidrocarburos ligeros en la que el metano (CH4) se encuentra en grandes proporciones, acompañado de otros hidrocarburos y gases, cuya concentración depende de la localización del yacimiento. Gas Natural Comprimido (GNC) GNC significa Gas Natural Comprimido y es el mismo gas natural mencionado anteriormente pero sometido a altas presiones. El Gas Natural Comprimido se comprime hasta 200 bar con objeto de ser almacenado en cilindros y su principal uso es en motores de combustión interna. El Gas Natural ha sido aceptado como una energía con gran potencial de desarrollo futuro y, de hecho, la Conferencia Mundial de la Energía, celebrada en Tokio el año 1995, declaró al GNC como el combustible alternativo con mejores opciones de desarrollo para su masificación a futuro debido a su abundancia, comodidad, seguridad, bajo costo de extracción, 28


transporte, distribución y el bajo nivel de contaminación que genera. Este gas es también conocido como Gas Natural Vehicular que no es más que el GNC usado como fuente energética en los automotores en general. Su uso se ha difundido en muchos países, principalmente por su limpieza ambiental y menor costo comparado con los combustibles tradicionales. Gas Natural Licuado (LNG) LNG (por sus siglas en inglés) es un gas natural que ha sido licuado y separado de los hidrocarburos líquidos y más pesados por un proceso criogénico que baja su temperatura hasta -162 grados Celsius a presión atmosférica o ligeramente superiores. Su contenido de metano alcanza un 99% y puede ser transportado en grandes buque-tanques denominados “metaneros.” El Gas Natural Licuado ocupa un volumen que representa 1/600 el volumen del Gas Natural en forma de vapor en condiciones estándar. Gas Licuado de Petróleo (GLP) El gas licuado de petróleo (GLP) está compuesto principalmente de etano, propano y butano, que son producidos en plantas procesadoras a partir del gas natural. El GLP también incluye algunos gases licuados provenientes de las refinerías, tales como etileno, propileno y butileno. El GLP es almacenado en tanques a presiones mucho menores que el GNC. El GLP comercial tiene una presión de vapor de 2,08 bar a 38°C. Gas de Carbón o Gas Pobre El denominado gas de carbón o “gas pobre” se obtiene de un proceso de semi-combustión del carbón, con una cantidad de aire menor que el estequiométrico, sobre un lecho caliente de carbón, madera, turba o residuos agrícolas. Este gas puede ser usado caliente o bien frío y limpio de brea y ceniza. El gas pobre está compuesto principalmente de CO, H2, y hasta un 29


55% de N2, además de CO2 en mínima proporción. La gran cantidad de nitrógeno en el gas pobre hace que éste tenga un poder calorífico bajo. Otra manera de obtener gas pobre es calentando el carbón y la biomasa de forma indirecta. Gas de Agua Se produce un llamado gas de agua a través de un lecho caliente de carbón, hulla o carbón de madera, una dosificación de aire y luego sofocando esta combustión con vapor. El vapor reacciona endotérmicamente con el carbón de la siguiente manera: C + H2O = CO + H2 De esta forma, el CO y el H2 se incrementan y el N2 del aire disminuye. El gas de agua tiene el doble de poder calorífico que el gas barato. Gases de Alta Temperatura Los gases manufacturados, como el hidrógeno y el acetileno, son usados para aplicaciones de altas temperaturas. El hidrógeno se obtiene a partir de una reformación del gas natural, una oxidación parcial de los hidrocarburos líquidos, o una gasificación del carbón. El acetileno C2H2 se obtiene añadiendo agua al carburo de calcio. 1.1. Propiedades Físico - Químicas de los Combustibles 1.1.1.

Propiedades de los Combustibles Sólidos

Los análisis físico-químicos de los combustibles sólidos están basados en las normas ASTM, que son:

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Análisis de Aproximación ASTM D3172 Esta prueba determina la cantidad de humedad, materia combustible volátil, carbón fijo y cantidad de ceniza en una muestra de un combustible sólido. Esta prueba se denomina de aproximación por la naturaleza empírica de la misma. Se muele y pesa una muestra de carbón y se la calienta entre 105 a 110°C, se vuelve a pesar y la diferencia determinará el porcentaje de humedad. Esta misma muestra luego se calienta hasta 900°C en un recipiente hermético y se sigue el mismo procedimiento para determinar el peso de la masa volátil. La materia remanente es luego calentada hasta 750°C en un recipiente abierto de tal manera que exista combustión, se pesa la masa nuevamente y el peso perdido corresponderá a la resina o carbón fijo y lo que queda en el recipiente se define como ceniza. En esta prueba no se determina si el agua desprendida es libre o está químicamente enlazada al combustible. Se debe seguir cuidadosamente el protocolo de esta prueba para tener resultados confiables. Análisis Final ASTM D3176 Prueba que permite determinar la composición porcentual de los elementos del combustible; esta prueba es una continuación de la anterior, es decir, se la realiza en base seca y libre de cenizas. La prueba determina la cantidad de carbón e hidrógeno quemando la muestra en un recipiente cerrado en presencia de oxígeno. Las proporciones de los componentes se determinan a través de un análisis de los productos de combustión. Determinación del Poder Calorífico ASTM2105 Esta prueba permite determinar la cantidad de calor que se genera por unidad másica de combustible en un proceso completo de combustión. Para ello se utiliza una bomba calorimétrica de combustible. Más adelante se explicará ampliamente esta prueba. 31


Determinación del Grado de Pulverización ASTM D409 Permite diferenciar a los combustibles sólidos por su facilidad de pulverización. El sólido es movido en un recipiente que contiene ocho bolas de acero de 25 mm de diámetro, las bolas son conducidas por un anillo que rota a 20 RPM impulsado por un eje que ejerce una presión de 284.4 N. Se toma una muestra de 50 g, la cual se somete a 60 revoluciones del equipo, el carbón molido luego es tamizado en una malla de 75 micrones y luego se pesa la masa molida para determinar el porcentaje de pulverización. Determinación de la Temperatura de Fusión de la Ceniza ASTMD1857 Esta prueba es importante porque los residuos de ceniza causan taponamientos en calderos y otros intercambiadores de calor. Una vez que una muestra ha sido quemada en presencia de oxígeno para asegurar una combustión completa, quedan los restos de cenizas que se mezclan con una solución de dextrina hasta formar una pasta en forma de cono, el cual se quema nuevamente hasta que el cono colapse. En este proceso se toman las diferentes temperaturas para determinar la temperatura de fusión. Esta temperatura depende de la composición de la ceniza; si ésta tiene SIO2, Al2O3, y TiO2, las temperaturas de fusión son mayores; en cambio, si la ceniza contiene Fe2O2, CaO, MgO, Na2O y K2O, las temperaturas son mucho más bajas. Esta temperatura servirá como parámetro de diseño en calderos o intercambiadores. Índice de Hinchamiento Libre Expresa el comportamiento del carbón cuando se calienta a temperaturas a las que se provoca su escisión en dos fases: gaseosa y sólida. La forma y volumen final obtenidos de una muestra inicial de carbón, sometido al citado calentamiento, se compara con una escala establecida en la que se asignan unos números a cada forma y volumen. 32


La escala varía desde 0 (sin aumento de tamaño) a 9 (aumento de tamaño más grande). El IHL puede verse afectado por el contenido de humedad a la intemperie, y la poca consistencia de la muestra pulverizada. Índice de Abrasividad Expresa la mayor o menor capacidad que tiene un carbón para producir erosión en los elementos de un equipo de manejo del mismo. Se utilizará la escala MOHS, que asigna un valor o índice a diez materiales distintos según su abrasividad. 1.1.2.

Propiedades de los Combustibles Líquidos

Determinación del Poder Calorífico ASTM3523 Esta prueba se realiza haciendo uso de una bomba calorimétrica, la cual es un recipiente metálico donde se inyecta oxígeno a alta presión, una resistencia eléctrica y el combustible. El recipiente está rodeado de agua y ésta absorbe el calor producido por la reacción de combustión en la bomba. El aumento de la temperatura del agua permite determinar la cantidad de calor desprendido por el combustible. Tabla N°3 Tabla de Poderes Caloríficos de Combustibles Líquidos

Combustibles

PCI (kJ/kg)

PCS (kJ/kg)

Aceites de Esquisto Alcohol Comercial Alquitrán de Hulla Alquitrán de Madera Etanol Puro Metanol Puro Fuelóleo N°1 Fuelóleo N°2 Gasóleo Gasolina Petróleo Bruto Querosene

23860 36420 26790 19250 40600 39765 42275 43950 40895 43400

38830 26750 37025 29720 42695 41860 43115 46885 47970 46500

33


Densidad o Gravedad Específica La gravedad específica es la densidad del combustible dividido por la densidad del agua; ambos deben estar a la misma temperatura. En algunos casos se usa los grados A.P.I. (Instituto Americano del Petróleo) o grados Baumé: 𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝐵𝑎𝑢𝑚é = 𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝐴𝑃𝐼 =

140 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑎 289𝐾/289𝐾 141.5

𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑎

289𝐾 289𝐾

− 131.5

− 130

(1.1.2.1) (1.1.2.2)

Donde el peso específico del combustible se halla a 289°K dividido por el peso específico del agua también a 289°K. Viscosidad Se denomina así a la propiedad de un líquido a su resistencia a fluir. En términos prácticos indica la facilidad con la que un combustible puede ser bombeado o también atomizado. La viscosidad de los líquidos disminuye al aumentar la temperatura. Existen diferentes estándares para determinar la viscosidad. Algunas veces se usa el punto de escurrimiento como una medida de la viscosidad, éste se refiere a la temperatura más baja que un líquido pueda almacenarse y todavía sea capaz de fluir. Punto de Inflamación Es una indicación de la temperatura máxima a la cual el combustible puede ser almacenado y manipulado sin el peligro de presentarse fuego. También se define esta propiedad como la temperatura más baja en la que el combustible puede arder en presencia de una flama. Temperaturas de Autoignición Se denomina así a la temperatura mínima requerida para iniciar una combustión autosostenible a la presión atmosférica y sin la presencia de una 34


chispa o flama. La temperatura de ignición de los alcanos disminuye con el aumento del peso molecular. Por ejemplo, la temperatura de autoignición del isoctano es mayor que la del octano. En general se puede decir que las temperaturas de autoignición son un indicador de la dificultad de combustión de un combustible. Punto de Humo La medición del punto de humo es una prueba usada como indicador de la calidad de los combustibles para turbinas de aviación y kerosene. En esta prueba, una muestra de combustible es ubicada dentro de un candelabro y quemada por la lámpara del equipo para determinar la altura máxima formada por la llama sin formación de humo. La norma que rige esta propiedad es la ASTM D1322. Tabla N°4 Temperaturas de Inflamación y Autoignición

Temperatura de Inflamación

Temperatura de Autoignición

°C / °F

Etanol (70%)

16.6°C (61.9°F)

363°C (685°F)

Gasolina

−43 °C (−45°F)

280°C (536°F)

Diesel 2D

>52°C (126°F)

256°C (493°F)

Jet Fuel A/ A1

>38°C (100°F)

210°C (410°F)

Kerosene

>38–72°C (100–162°F) 220°C (428°F)

Aceite Vegetal

327°C (621°F)

Biodiesel

>130°C (266°F)

Fuente: NFPA 30: Flammable and Combustible Liquids Code, 2012 Edition

35


Tipos de Combustible Líquido La gasolina del automóvil es una mezcla de hidrocarburos livianos destilados derivada de combinaciones del petróleo crudo refinado, mezcla de parafinas, olefinas, naftalinas y materia aromática que varía de refinería a refinería debido al lugar y época del año. La gasolina debe ser lo suficientemente volátil como para evaporarse fácilmente en un motor, pero no tan volátil como para ser peligro de explosión durante su manipuleo. Las gasolinas tienen una relación de ebullición de 25-225°C. El Octano, que a veces es utilizado para representar a la gasolina, tiene un punto de ebullición de 125.6°C. Tabla N°5 Propiedades de Combustibles Automotores

Propiedades Gravedad específica a 16ºC Viscosidad cinemática a 20ºC (m2/s) Rango de Punto de Ebullición (ºC) Temperatura de Inflamación (ºC) Temperatura de Auto ignición (ºC) N° de Octano (investigación) N° de Octano (motor) N° de Cetano Relación A/F Estequiométrica Calor de Vaporización (KJ/Kg) Poder Calorífico Inferior (MJ/Kg)

Gasolina de Automóvil

Diesel N° 2

Methanol

Etanol

0.72-0.78 0.85

0.85

0.796

0.794

0.8x10-6

2.5x10-6

0.75x10-6

15x10-6

30-225

210-235

65

78

-43

52

11

13

370

254

464

423

91-100 82-92 < 15 14.7

--37-56 14.7

109 89 < 105 6.45

109 90 < 15 9.0

380

375

1185

920

43.5

45

20.1

27

Fuente: Combustion Engineering, Bormam, G. y Ragland, K.

36


El combustible diésel es una mezcla de hidrocarburos livianos destilados con una relación de ebullición más alto que la gasolina. Las grandes industrias de equipos pesados y las naves marinas utilizan con frecuencia este combustible más pesado. Las propiedades para el diésel y la gasolina se muestran en la tabla N°5. Comparando la gasolina y el diésel Nº2, se tiene que la densidad del combustible diésel es más alta, lo cual le da un mayor poder calorífico. Se nota también menor volatilidad y mayor viscosidad del combustible diésel. La temperatura de autoignición muestra la razón de la gran diferencia en el cetanaje si se toma en cuenta que el número de cetano muestra la facilidad de la compresión de ignición.

Fig. 5. Porcentaje de Evaporado Fuente: Combustion Engineering, Bormam, G. y Ragland, K

Los combustibles de las turbinas de gas no están limitados por requisitos de cascabeleo o ignición diferida y tienen un amplio rango de puntos de ebullición. El Kerosene es similar al combustible Jet A de un 37


avión a propulsión; la gran diferencia está en el porcentaje de humedad. El jet fuel debe ser exento totalmente de humedad para evitar cristalización (congelamiento) del combustible en la altitud de vuelo donde las temperaturas están por debajo de los 0°C. El combustible jet B, que también es utilizado como combustible de avión de turbina a gas, tiene un rango de punto de ebullición más bajo que el combustible jet A. Los combustibles de turbina limitan las cantidades de ciertas trazas de metal como el vanadio y el plomo, lo cual tiende a formar depósitos en las aspas. La temperatura de inflamación del kerosene es 38ºC, y el punto de ebullición es 150ºC – 200ºC. La tendencia de formación de hollín (punto de humo) es controlada limitando el contenido de aromáticos a 25% por volumen. Los combustibles para la industria de turbinas a gas toman en cuenta consideraciones similares. El combustible Fueloil2 (en inglés fuel oil), también llamado fuelóleo o combustóleo en otros países hispanohablantes, es una fracción del petróleo que se obtiene como residuo en la destilación fraccionada. De aquí se obtiene entre un 30 y un 50% de esta sustancia. Es el combustible más pesado de los que se puede destilar a presión atmosférica. Está compuesto por moléculas con más de 20 átomos de carbono, y su color es negro. El fueloil se usa como combustible para plantas de energía eléctrica, calderas y hornos. La figura 5 muestra una gráfica de temperatura versus porcentaje de líquido evaporado para diferentes combustibles. El aceite combustible cubre un rango amplio de productos derivados que se han dividido en seis grados, aunque el grado Nº3 ha sido desechado; el grado N°1 es kerosene y el grado N°2 es aceite combustible doméstico. El aceite combustible N°2 hierve entre 218 y 310º C; las propiedades del aceite combustible se muestran en la tabla 6. Los grados más pesados de aceite 2

Según la grafía recomendada por el Diccionario panhispánico de dudas

38


combustible se especifican por su viscosidad y son utilizados en la industria, en aplicaciones de servicio público y en algunos motores grandes. Los grados más pesados contienen cantidades de ceniza significativos. Para el grado Nº6 se requiere que se precaliente el aceite, lo mismo que para los grados Nº5 y Nº4, dependiendo del clima. El combustible N°6 es un combustible residuo pesado, el cual queda después de completado todo el proceso de destilación; tiene alta viscosidad y tiende a contener relativamente altas cantidades de asfaltenos, sulfuro, vanadio y sodio. Los aceites combustibles residuales se queman directamente en algunos calderos, y pueden ser utilizados después algún tratamiento en turbinas a gas de industrias pesadas. El sulfuro es limitado a 0.5% para los aceite combustible Nº1 y Nº2, pero puede alcanzar un 4% para el aceite combustible Nº6. Tabla N°6 Propiedades Típicas de los Fuelóleos

Grado

1

Propiedad

Kerosene

Color Gravedad Específica, a 16ºC Viscosidad cinemática a 38ºC (m2/s) Punto de escurrimiento (ºC) Punto Flash (ºC) Temperatura de Autoignición(ºC) % de Carbono % Residuo de carbono (%)Hidrógeno Oxígeno (%) Ceniza (%)

2

4

5

6 Residual

Claro 0.825 1.6x10-6

Destilado Residual Residual muy Ligero Ligero Ámbar Negro Negro 0.865 0.928 0.953 2.6x10-6 15x10-6 50x10-6

< -17 38 230

< -18 38 260

-23 55 263

-1 55 -

19 66 408

86.5 Traza 13.2 0.01 46.2

86.4 Traza 12.7 0.04 45.4

86.1 2.5 11.9 0.27 43.8

85.5 5.0 11.7 0.3 43.2

85.7 12.0 10.5 0.38-0.64 42.4

Negro 0.986 360x10-6


39


A medida que los recursos petroleros disminuyen, otras alternativas de combustibles hidrocarburíferos comienzan a crecer en importancia. Los combustibles líquidos pueden provenir de carbón, biomasa, aceite de esquisto, arena de alquitrán y gas natural. El metanol (CH3OH) puede obtenerse del gas natural, carbón o madera; el etanol (C2H5OH) puede obtenerse de remolacha de azúcar, maíz, o madera. Se puede sustituir el combustible diésel con aceites vegetales como el aceite de soya y el gas natural. La realización de esas alternativas depende primordialmente de la economía del proceso relacionado al petróleo. Sin embargo, puede jugar un papel muy importante también la demanda de regulación de emisiones de gases. Por ejemplo, el éter dimetil que puede obtenerse del gas natural es un excelente diésel que no genera humo. Como se indica en la tabla N°5, el poder calorífico del metanol y del etanol es menor que de otros combustibles derivados del petróleo por su contenido de oxígeno, sin embargo actualmente su uso es ampliamente difundido. Cuando se calienta el aceite de esquisto, su contenido resinoso se descompone en un líquido aceitoso del cual se puede obtener petróleo crudo (syncrude). De manera similar, la arena de alquitrán da lugar al syncrude que puede ser refinado para obtener diversos combustibles. Asimismo, se está considerando reemplazar el petróleo con suspensiones de carbón pulverizado disuelto en agua. Se ha demostrado que este tipo de combustible, que contiene de 25 a 30% de agua, es estable para el bombeo y quemado en ciertos calderos. Características de la Gasolina Debido a que la gasolina es el derivado del petróleo más consumido, la determinación de su calidad es de gran importancia. Para la mayoría de los consumidores, la gasolina se valora de acuerdo a su octanaje y precio. Sin embargo, la determinación de calidad de la gasolina es bastante complicada e 40


involucra muchos factores, y la variación de la calidad de gasolina podría ser enorme si no fuera por el hecho de que la mayoría de las refinerías producen gasolinas bajo los parámetros y especificaciones establecidas por la Sociedad Americana para Ensayos de Materiales (Especificaciones ASTM D4814). Tabla N°7 Especificaciones de Gasolinas

Especificación

Método ASTM

Volatilidad de destilación

D860

Relación de vapor a líquido

D2533, D5188 D323, D5190

Presión de vapor

N° de Octano Investigación N° de Octano Motor

D2699 D2700

Indices Anti-cascabeleo

--

Estabilidad a la oxidación Goma existente Estabilidad de oxidación Contenido de Azufre

D130 D381 D525 D1266

Aditivos anti-cascabeleo Contenido de plomo Contenido de manganeso

D2599 D3229 D3831

Importancia Mejor funcionamiento en clima frío No congelamiento de carburador Fácil encendido en caliente Vaporización en líneas de combustible Pérdida por evaporación en el Carburador Depósitos en cárter, cámaras de combustión y en bujías Vaporización en líneas de combustible Encendido a baja temperatura Pérdidas de vapor del tanque de combustible Vaporización en líneas de combustible Cascabeleo de baja-a-mediana velocidad Cascabeleo en elevadas RPM Cascabeleo a media máquina (N° de Octano motor + N° de octano Investigación)/2 Mayor vida útil de sistema de combustible Depósitos de sistema de inducción Emisión de escape, depósitos del motor y desgaste Deterioración de catalizador Emisiones de hidrocarburos del motor Deterioro del sensor de oxígeno


41


La tabla N°7 muestra una lista de estos métodos de ensayo. Pese a esta lista de especificaciones, existen otras propiedades también de importancia, como la densidad, tensión superficial, viscosidad, compatibilidad con materiales, y rango estequiométrico de Aire-Combustible. La lista de especificaciones cambia y se incrementa constantemente; por ejemplo, el cambio de carburador a combustible a inyección en automóviles trajo consigo problemas de depósitos en los inyectores, lo cual impulsó a encontrar aditivos para prevenir la formación de dichos depósitos. Al mismo tiempo, las especificaciones relacionadas al trabajo de los carburadores disminuyeron en importanciaLa volatilidad del combustible afecta el performance de encendido, la operación de los vehículos y las emisiones de gases en carretera o durante el llenado de tanque. Los efectos en el performance pueden ser severos si se tiene formación de vapor en el sistema de combustión, el cual reduce el flujo del combustible. El conductor puede tener problemas de conducción como jaloneos, contraexplosiones, funcionamiento áspero o intermitente, una corta y violenta reducción de la aceleración después de que el vehículo se pone en movimiento y en cambios cíclicos de potencia. El control del circuito cerrado del combustible, el uso de un sensor de oxígeno en el escape para controlar el flujo de aire de entrada y de combustible, puede aliviar estos problemas. Características de Combustible Diésel Las especificaciones del combustible diésel se muestran en la tabla N°8. El combustible Nº1D es utilizado para aplicaciones en clima frío; el Nº2D es el combustible para vehículos a diésel más común. Ambos son muy similares a los aceites de calefacción Nº1 y Nº2, por lo que compiten cuando hay demanda. El diésel Nº4D es utilizado para motores de velocidad media a baja de aplicación estacionaria.

42


Tabla N°8 Especificaciones del Diésel ASTM D975

Propiedades T. de Inflamación °C T. de Turbidez °C Agua y sedimentos %, máx. Residuos de Carbón %, máx. Ceniza % en peso máx. Punto de destilación 90% °C Viscosidad a 40°C (cSt) % máx. de Azufre N° de Cetano

N°1D

N°2D

N°4D

38 Req. Local 0.05 0.15 0.01 288 1.3-2.4 0.05 40

52 Req. Local 0.05 0.35 0.01 282-338 1.9-4.1 0.05 40

55 Req. Local 0.05 0.1 5.5-24 2.0 30


En términos de consideraciones de combustión, los principales factores son la viscosidad y el número de cetanaje. Las emisiones de partículas son afectadas adversamente por el contenido alto de azufre y aromatizantes. Pese a que el efecto primario de bajo número de cetanaje es evitar problemas de encendido en frío, la reducción de número de cetanaje puede también incrementar problemas de funcionamiento áspero, y emisiones de NO (óxido de nitrógeno). Típicamente, los motores de turbo son más tolerantes a un número bajo de cetano durante operaciones de flujo estacionario. Así como en el caso de la gasolina, los combustibles diésel pueden mejorarse agregando aditivos. Características de Combustibles de Turbinas Las especificaciones para jet fuel combustible son más precisas que para gasolina o diésel por razones de seguridad y durabilidad del motor. La tabla N°9 muestra las especificaciones ASTM para combustibles de turbina no militares. 43


Tabla N°9 Especificaciones ASTM de Combustibles de Turbinas de Aviación

Propiedad

Unidad

Jet A o A1

Jet B

Acidez Sulfuro de Mercaptano Azufre total Aromáticos Densidad T. de destilación al 90% Presión de vapor Viscosidad Punto de congelamiento T. de Inflamación Poder Calorífico Punto de Humo Goma existente

Mg KOH/g máx. % en peso máx. % en peso máx. % volumen máx. Kg/m3a 15°C °C KPa a 38°C, máx. cSt a -20°C °C, mín.

0.1 0.003 0.3 22 775 a 840 --8 -40 (Jet A) -47 (Jet A1) 38 (Jet A) -42.8 25 7

0.003 0.3 22 751 a 802 245 21 --50

°C MJ/Kg, mín. mm, mín. mg/100 ml, máx.

-42.8 25 7


Las consideraciones importantes de combustión son la formación de hollín, la radiación termal subsecuente y las características de la aspersión de la tobera como resultado de la viscosidad del combustible y de la tensión superficial. Hasta el momento se ha realizado un intenso trabajo para encontrar aditivos de combustible para aviones que reduzcan el esparcimiento de fuego cuando el combustible es incontenible durante un accidente. El combustible Jet A es un tipo de kerosene con un alto punto de inflamación. El combustible Jet B es un destilado con un amplio rango de volatilidad. El combustible Jet A-1 tiene un punto de enfriamiento más bajo que el Jet A.

44


1.1.3.

Octanaje y Cetanaje de los Combustibles

Octanaje Esta propiedad se aplica a combustibles líquidos pero también a los gaseosos, sobre todo a aquellos utilizados en motores de combustión interna. El octanaje o número de octano indica la tendencia de una gasolina a autoignicionarse dentro de la cámara de combustión cuando la relación de compresión en un motor de combustión interna por chispa se aumenta. El número de octano de un combustible se mide por comparación entre el comportamiento de dicho combustible y el comportamiento de una mezcla de iso-octano y n-heptano en un motor de combustión por chispa estandarizado. Al iso-octano se le asigna arbitrariamente el número 100 y al n-heptano se le asigna el número 0. Esta tendencia de autoignición de un combustible también se la conoce en la jerga de los mecánicos automotrices como “cascabeleo”. El iso-octano es el combustible líquido más resistente a la autoignición o cascabeleo, comparado con todas las gasolinas existentes en el tiempo que la escala fue creada. Una mezcla de 10% de n-heptano y 90% de iso-octano tendrá un número de octano de 90. El octanaje de un combustible se determina probando qué mezcla (heptano/octano) tiene la misma resistencia que el combustible que se está probando. Existen dos protocolos para determinar el octanaje: el primero es el método ASTM D2699 RON llamado de investigación y, el segundo, es el método ASTMD2700 MON o llamado método motor; en este último método, las condiciones de operación del motor son mucho más severas, es decir proclives a que haya cascabeleo. El motor utilizado en ambos métodos es un robusto motor de cuatro tiempos con válvulas en la parte superior, diámetro de 82.6 mm y 114.3 mm de carrera. El motor está diseñado para variar su relación de compresión de 3 a 30 a través de un mecanismo que sube o baja el cilindro y el ensamble de la culata con el cilindro. El motor 45


está equipado con un carburador con dos depósitos, uno para el combustible de prueba y el otro para la mezcla heptano/octano. Tabla N°10 Condiciones de Operación de Prueba de Octanaje

Variables Temperatura de Entrada Presión de Entrada Humedad Temperatura de Enfriamiento Velocidad del Motor Avance de Chispa Relación Aire-Combustible

ASTM D2699

ASTM D2700

52°C Atmosférica 0.0036 a 0.0072 Kg/Kg aire seco 100°C

Atmosférica 0.0036 a 0.0072 Kg/Kg aire seco 100°C

600 RPM 13°BTC Ajustado para la máxima autoignición

900 RPM 19-26°BTC Ajustado para la máxima autoignición

Fuente: Internal Combustion Engine Fundamentals John B. Heywood Edit. McGraw Hill

Tabla N°11 Octanaje de Diferentes Combustibles y Gasolinas

Combustible Hexadecano n-octano n-heptano (RON y MON 0 por definición) diésel

RON

MON

< −30 −20 0

0

15–25

2-methylheptane

23

23.8

n-hexano

25

26.0

1-pentano

34

1-heptano

60

n-pentano

62

61.9

46


Combustible

RON

Requerimiento típico para un motor de dos tiempos

69

Gasolina Regular en Bolivia

85

Gasolina Premium en Bolivia

95

Gasolina regular en Indonesia

88

Gasolina regular en Japón

90

n-butanol

92

Neopentano Gasolina regular en Australia, Nueva Zelanda, Canadá y los EEUU

MON 65

78 71 80.2

91–92

82–83

Gasolina regular sin plomo en Europa

95

85–86

Gasolina "Premium" en EEUU (mezcla con 10% etanol)

97

87-88

Gasolina Premium en Japón

100

t-butanol

103

91

106.1

99.4

2,3,3-trimethylpentane Etano

108

Tolueno

121

107

Propano

112

97

Isopropanol

118

98

1-Propanol

118

Metanol

108.7

88.6

Etanol

108.6

89.7

Metano

120

120

Hidrógeno

> 130

47


El Octanaje y la Altura Considerando que la autoignición de un combustible en una cámara de combustión es función de la presión absoluta dentro de la cámara, en lugares de altitud elevada el efecto de cascabeleo será menor debido a la menor presión atmosférica existente. En países como los EEUU, la gasolina que se vende en lugares de altitud tiene menor octanaje. Cetanaje La calidad de ignición de un combustible se define por el número de cetano. El método usado para determinar la calidad de emisión en términos del número de cetano es análogo al usado para determinar el número de octano. La escala de ese octanaje se define por la mezcla de dos hidrocarburos, el cetano (n-hexadecano, C16H34) un hidrocarburo con alta calidad de ignición, asignándole el valor de 100; el otro es el isocetano heptametil nonano (HMN), el cual representa la base de la escala con un número asignado de 15. Así, el número de cetano CN está dado por la siguiente fórmula: 𝐶𝑁 = %𝑛𝐶𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 + 0.15 ∙ %𝐻𝑀𝑁

(1.1.3.1)

El motor que se utiliza para determinar esta propiedad es muy similar al usado en la gasolina; sin embargo, la norma que rige esta prueba es la ASTMD613 y las condiciones de operación están incluidas en la siguiente tabla:

48


Tabla N°12 Condiciones de Operación de acuerdo a ASTMD613

Variables Temperatura de Entrada Presión de Entrada Temperatura de Enfriamiento Velocidad del Motor Avance de Chispa Relación Aire/Combustible

ASTM D613 65.6°C 10.3 MPa 100°C 900 RPM 13°BTC Ajustado para la máxima autoignición

Fuente: Internal Combustion Engine Fundamentals John B. Heywood Edit. McGraw Hill

Debido al elevado costo de esta prueba, se ha creado otras pruebas basadas en propiedades físicas del combustible. Por ejemplo, se utiliza el índice de Cetano (CCI) ASTM D976. Este protocolo se basa en la densidad API y el punto medio de ebullición; esta prueba está directamente relacionada a la composición química del combustible; los diésel parafínicos tienen alta calidad de ignición y los diésel aromáticos y nafténicos tienen pobre calidad de ignición. Otra prueba utilizada es la determinación del punto de anilina ASTM D611, que consiste en determinar la temperatura más baja a la cual dos volúmenes iguales de combustible y anilina pueden ser mezclados: Í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝐷𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 = 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑛𝑖𝑙𝑖𝑛𝑎 (°𝐹) ∙

𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐴𝑃𝐼 100

(1.1.3.2)

El índice de diésel depende de que los hidrocarburos aromáticos se mezclen completamente con la anilina a temperaturas bajas, mientras que las parafinas requieren mayores temperaturas antes de ser totalmente miscibles. De igual manera, una alta densidad API denota baja gravedad específica y alto contenido de parafinas, lo que supone una alta calidad de ignición. El índice de diésel generalmente arroja valores ligeramente por encima del número de cetano, lo cual es aceptable para referencias. 49


1.1.4.

Propiedades de los Combustibles Gaseosos

El Poder Calorífico Es una de las propiedades más importantes de un combustible. Se expresa para los combustibles gaseosos y líquidos por unidad de volumen en condiciones normales. El valor del poder calorífico va a variar mucho dependiendo del tipo de gas y composición del mismo. Los componentes no combustibles de un combustible van a bajar el rendimiento calorífico de la combustión; a pesar de esto, a veces un combustible de calidad inferior, pero que es subproducto de un proceso industrial, puede ser más ventajoso económicamente. Las unidades del poder calorífico son Kcal/m3; Btu/ft3; Cal/L. La unidad de volumen puede estar en: - Condiciones normales (N)m3: Volumen medido a Presión Normal: 1 atm, Temperatura Normal: 0ºC. - Condiciones estándar (S)m3: Volumen medido a Presión estándar: 1 atm, Temperatura Estándar (S): 15,6ºC. - Condiciones estándar ambiente (STAP) Volumen medido a Presión estándar: 1 atm y Temperatura Ambiente 25°. El Calor Específico Otra propiedad importante del combustible es el calor específico. Se define éste como la cantidad de calor requerida para que la unidad de masa de gas aumente su temperatura 1ºC. Las unidades son cal/gºC; Kcal/KgºC; Btu/lbºF. Al aumentar la temperatura existe una dilatación; es por ello que se definen los siguientes calores específicos: Calor específico a volumen constante (Cv). Calor específico a presión constante (Cp). Cv es menor que Cp, ya que se debe tener en cuenta el trabajo de expansión. Existe una relación entre estos dos valores: K= Cp/Cv, donde K es igual a: 1.67 para Gas monoatómico; 1.40 para Gas diatómico; 1.33 para Gas triatómico. 50


Índice de Wobbe (W) El Índice de Wobbe (W) es un parámetro importante cuando se quiere mezclar gases combustibles y el aire (en una reacción de combustión). Se controla este índice para asegurar la combustión satisfactoria en un quemador. Es además un indicador de intercambiabilidad de combustibles como el gas natural, gas licuado de petróleo y otros gases. El índice de Wobbe puede ser expresado matemáticamente como: 𝑊𝑆 =

Donde:

𝑃𝐶𝑆 √𝜌𝑜

𝑊𝑆

es el Índice de Wobbe superior

𝑃𝐶𝑆

es el poder calorífico superior

𝜌𝑜

(1.1.4.1)

es la densidad relativa del gas

El índice de Wobbe permite determinar la intercambiabilidad de dos gases mejor que el poder calorífico del combustible. El comportamiento de la llama, al intercambiar dos gases combustibles, es función del poder calorífico superior y de la densidad del gas. Particularmente, para gases con composición similar, el índice de Wobbe es un buen indicador del desempeño de los dos gases. Aunque el índice de Wobbe es una manera fácil y efectiva de medir la intercambiabilidad, la industria reconoce históricamente que este índice por sí solo no es suficiente ya que no predice adecuadamente todos los fenómenos de combustión. Otros factores que deben de identificarse para determinar la intercambiabilidad de un gas, además del índice de Wobbe, son: 1) la misma estabilidad de llama, con ausencia de desprendimiento de llama y ausencia de retroceso de llama; 51


2) idéntica calidad de combustión, (relación de volúmenes de CO y CO2 inferior al límite máximo admitido); 3) el mismo rendimiento de combustión; 4) la misma cantidad de aire que se necesita para obtener la combustión y la misma temperatura de rocío en los humos; 5) el mismo factor de aireación. Poder Comburívoro o Aire Teórico Es la cantidad de aire necesaria para asegurar la combustión de 1 m 3 de gas. Suele expresarse en m3N aire/m3N de gas. Poder Fumígeno (humos o gases de combustión) Conjunto combustión. los gases de Nm3 de gas distinguir:

de productos en estado de gas que se obtiene en el proceso de Se trata del volumen expresado en Condiciones Normales de combustión que se obtienen en la combustión completa de 1 asociado a una cantidad de aire igual a la teórica. Se puede

Humos secos: No se considera el vapor de agua Humos húmedos: Se considera el vapor de agua Se expresan en Nm3 humos/Nm3 de gas Clasificación de los Gases Combustibles según Familias Los gases se clasifican en familias de acuerdo al índice de Wobbe; aquellos gases que son de la misma familia tienen mayor facilidad de intercambiabilidad entre sí.

52


Tabla N°13 Gases Combustibles según Familias

PRIMERA FAMILIA

Índice de Wobbe comprendido entre 5.700 y 7.500 Kcal /m3(n). Pertenecen a esta familia el gas manufacturado, el gas de coquería y el gas de mezcla hidrocarburo-aire de bajo índice de Wobbe.

SEGUNDA FAMILIA

Índice de Wobbe comprendido entre 9.680 y 13.850 Kcal/m3(n). Pertenecen a esta familia los gases naturales y las mezclas hidrocarburo-aire de alto índice de Wobbe (aire propanado).

TERCERA FAMILIA

Índice de Wobbe comprendido entre 18.500 y 22.070 Kcal/m3(n). Pertenecen a esta familia los GLP (gases licuados del petróleo), propano, butano... Fuente: www.dcgasextremadura.es/gas.htm

Análisis Volumétrico Los gases varían de acuerdo a la variación en tantos por ciento en volumen de los distintos componentes del gas a utilizar, referidos a Condiciones Normales o Condiciones Estándar. Densidad Relativa Se indica la densidad relativa del gas con respecto al aire, referida al gas seco y en condiciones normales (Condiciones normales 1.01325 bar y 273°K).

53


1.2. Combustión Estequiométrica Se denomina así a la combustión que se realiza con la cantidad teórica de oxígeno estrictamente necesaria para producir la oxidación total del combustible sin que se produzcan productos no quemados o parcialmente quemados. En consecuencia, no se encuentra O2 en los humos ya que dicho O2 se consumió totalmente durante la combustión. También se puede definir como la cantidad mínima necesaria de aire para la combustión total de una unidad másica de combustible. Cuando una molécula pasa por una reacción química, los átomos reactantes son reordenados para formar una nueva combinación. Por ejemplo el hidrógeno y el oxígeno reaccionan para formar agua: 1 𝐻2 + 𝑂2 → 𝐻2 𝑂 2

Dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno forman una molécula de agua, y el número de átomos de hidrógeno y oxígeno debe ser igual en ambos lados de la ecuación. Tal reacción representa la condición inicial y final pero no indica cuál ha sido el camino real de la reacción, la que puede haber tenido muchos pasos intermedios con especies intermedias. Esta forma de análisis es similar a la que se usa en termodinámica, donde el estado inicial y final son los importantes y no así la trayectoria o los mecanismos utilizados para ir de un punto a otro. Con la ecuación anterior se debe hacer un análisis másico de la misma a partir de los pesos moleculares: 2𝑘𝑔 1 32𝑘𝑔 18𝑘𝑔 (1 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 𝐻2 ) ( ) + ( 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙𝑂2 ) ( ) = (1𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙𝐻2 𝑂) ( ) 1𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙𝐻2 2 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙𝑂2 1𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙𝐻2 𝑂

1 volumen de H2 + 1/2 volumen de O2 = 1 volumen de H2O 54


Las relaciones anteriores permiten afirmar que las masas de los productos son iguales a las masas de los reactantes; sin embargo, los moles o volúmenes de los productos no son iguales a los volúmenes de los reactantes. Composición del Aire Atmosférico Siendo el aire la sustancia donde se encuentra el oxígeno como elemento combustor de toda combustión, es importante hacer una pequeña referencia al aire atmosférico y su composición: Tabla N°14 Composición del Aire Atmosférico Seco

Gas Oxígeno O2 Dióxido de Carbono CO2 Nitrógeno N2 Otros Total

Volumen (%)

Presión (mmHg)

20.98 0.04 78.06 0.92 100

159.34 0.3 593.25 6.99 760

Fuente: Combustion Hand Book CRC Press 2001

Para efectos de cálculo, es conveniente aproximar el aire seco a una mezcla de 79% en volumen de nitrógeno molecular y 21% de oxígeno molecular, es decir 3.764 moles de N2 por un mol de O2. Así, el peso molecular del aire es de 28.96 g/mol. Cuando un combustible que tiene carbón, hidrógeno y oxígeno es quemado completamente con una cantidad de aire estequiométrica, se usa la siguiente expresión para hallar su balance másico: 𝐶𝛼 𝐻𝛽 𝑂𝛾 + (

𝛼+𝛽 4

𝛾

𝛽

𝛽

𝛾

2

2

4

2

− ) (𝑂2 + 3.76𝑁2 ) → 𝛼𝐶𝑂2 + ( ) 𝐻2 𝑂 + 3.76 (𝛼 + − ) 𝑁2

(1.2.1)

Donde 𝛼, 𝛽, 𝛾 son los subíndices de la composición del combustible o hidrocarburo. 55


En la anterior expresión se aprecia que los reactantes están compuestos por el combustible (hidrocarburo) y el comburente (aire), y los productos de la combustión son gases calientes, en muchos casos en estado de luminiscencia o comúnmente denominado fuego. Estos gases calientes son la energía térmica que se puede aprovechar de diferentes formas en motores de combustión interna, turbinas de gas, calderos de vapor e intercambiadores de calor para diferentes propósitos, desde domésticos hasta industriales, e incluso utilizados en los cohetes espaciales. La energía liberada en forma de calor proviene básicamente de la ruptura de las ligaduras de los carbones e hidrógenos de los hidrocarburos. Se puede apreciar, por ejemplo, que el pentano C5H12 tiene más ligaduras que el propano C3H8 y por consiguiente el pentano generará mayor cantidad de calor que el propano. Relación Aire-Combustible A/F Es la relación de masa de aire por unidad másica de combustible y se denota por: 𝐴⁄ = 𝐹𝑠

𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

=

𝐾𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑘𝑔𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

(1.2.2)

Ejercicio 1.2.1: Hallar la 𝐴⁄𝐹 𝑠 para el propano C3H8: 8 0 8 8 0 𝐶3 𝐻8 + (3 + − ) (𝑂2 + 3.76𝑁2 ) = 3𝐶𝑂2 + 𝐻2 𝑂 + 3.76 (3 + − ) 𝑁2 4 2 2 4 2 𝐶3 𝐻8 + 5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) = 3𝐶𝑂2 + 4𝐻2 𝑂 + 18.8𝑁2

56


15.6Kg aire 𝑨⁄ = 5(2 ∗ 16 + 3.76 ∗ 2 ∗ 14)Kg de aire = 𝑭𝒔 (3 ∗ 12 + 8 ∗ 1)Kg propano 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

Para que exista una combustión completa o estequiométrica del propano se requiere un mínimo de 15.6 Kg de aire por Kg de combustible. 1.3. Combustión con Exceso y Defecto de Aire Combustión con Exceso de Aire En toda combustión abierta a la atmósfera como la combustión de una vela, un mechero Bunssen, una fogata, etc. el aire de la combustión se está tomando del ambiente; en tal caso se tiene una combustión atmosférica que por lo general es una combustión incompleta por la presencia de monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados. Si se acerca una vela al techo, se verá que éste se tizna, es decir se queda una mancha en el techo que es una ligera capa de carbón no combustionado. Si se quiere una combustión completa, se debe alimentar el fuego con aire por medio de un ventilador, aireador u otra forma de inyección de aire y la llama se avivará. Cuando se tiene más aire que la cantidad de aire estequiométrica, se dice que se tiene una combustión con exceso de aire. El exceso de aire se mide en porcentajes del aire teórico y lo recomendable para fines de diseño de equipos de combustión es de 15% a un 20% como máximo para asegurarse de tener una combustión completa. Ejercicio 1.3.1: Determinar la relación Aire-Combustible para una combustión con 15% de exceso de aire de propano. 𝐶3 𝐻8 + 𝟏. 𝟏𝟓 ∙ 5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) = 3𝐶𝑂2 + 4𝐻2 𝑂 + 20.21𝑁2 + 0.75𝑂2 17.94 𝐾𝑔 𝐴⁄ = 𝐹𝐸 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜

57


En este ejemplo se puede ver que en el lado de los productos existe O2 y N2 que no han participado del proceso de reacción pero que han ayudado a lograr una combustión completa. Combustión con Defecto de Aire Cuando existe menos aire que el estequiométrico, es decir una combustión rica, entonces no existe suficiente oxígeno para oxidar totalmente el carbón y el hidrógeno del combustible y convertirlos en CO2 y H2O. En tales circunstancias los productos son una mezcla de CO2 y H2O con presencia de CO y, si la mezcla es muy pobre en oxígeno, incluso habrá presencia de Carbono. Cuando el defecto de aire no pasa del 20%, la composición de los productos puede ser determinada a partir de un balance másico; si el defecto es mayor, se debe trabajar por tanteo. Ejercicio 1.3.2: Determinar la relación Aire-Combustible para una combustión de propano con un 10% de defecto de aire. 𝐶3 𝐻8 + 𝟎. 𝟗 ∙ 5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) = 𝐴𝐶𝑂2 + 𝐵𝐻2 𝑂 + 𝐷𝐶𝑂 + 𝐹𝑁2

Se debe plantear la ecuación en los productos con la presencia de monóxido de Carbono y se debe determinar los coeficientes A, B, D y F con el siguiente sistema de ecuaciones: 1. 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝐶𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 3 = 𝐴 + 𝐷 2. 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝐻𝑖𝑑𝑟ó𝑔𝑒𝑛𝑜 8 = 2𝐵 3. 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑂𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 0.9 ∙ 5 ∙ 2 = 2𝐴 + 𝐵 + 𝐷 4. 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑁𝑖𝑡𝑟ó𝑔𝑒𝑛𝑜 0.9 ∙ 5 ∙ 3.76 = 𝐹 𝐴 = 2; 𝐵 = 4; 𝐷 = 1; 𝐹 = 16.92 𝐶3 𝐻8 + 𝟎. 𝟗 ∙ 5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) = 2𝐶𝑂2 + 4𝐻2 𝑂 + 𝐶𝑂 + 16.92𝑁2 14.04 𝐾𝑔 𝐴⁄ = 𝐹𝐷 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜

58


Si el defecto de aire es muy grande y en la solución de la ecuación planteada se hallan valores negativos o cero para alguna de las incógnitas, habrá que introducir, además de la presencia de CO, también C. Ejercicio 1.3.3: Determinar la relación Aire-Combustible para una combustión de propano con un 30% de defecto de aire. 𝐶3 𝐻8 + 𝟎. 𝟕𝟎 ∙ 5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) = 𝐴𝐶𝑂2 + 𝐵𝐻2 𝑂 + 𝐷𝐶𝑂 + 𝐹𝑁2 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝐶𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 3 = 𝐴 + 𝐷 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝐻𝑖𝑑𝑟ó𝑔𝑒𝑛𝑜 8 = 2𝐵 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑂𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 0.70 ∙ 5 ∙ 2 = 2𝐴 + 𝐵 + 𝐷 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑁𝑖𝑡𝑟ó𝑔𝑒𝑛𝑜 0.70 ∙ 5 ∙ 3.76 = 𝐹 𝑨 = 𝟎; 𝐵 = 4; 𝐷 = 3; 𝐹 = 13.16

Si A=0, entonces la solución sería una incongruencia; en tal caso se debe añadir la presencia de Carbono y se debe tantear la ecuación: 𝐶3 𝐻8 + 𝟎. 𝟕𝟎 ∙ 5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) = 𝐴𝐶𝑂2 + 𝐵𝐻2 𝑂 + 𝐷𝐶𝑂 + 𝐺𝐶 + 𝐹𝑁2

Una vez que se hace el proceso de tanteo, las incógnitas serán: 𝐴 = 1; 𝐵 = 4; 𝐷 = 1; 𝐺 = 1; 𝐹 = 13.16 𝐶3 𝐻8 + 𝟎. 𝟕𝟎 ∙ 5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) = 𝐶𝑂2 + 4𝐻2 𝑂 + 𝐶𝑂 + 𝐶 + 13.16𝑁2

Esta última ecuación tiene sentido y muestra un extremo del defecto de aire en un proceso de combustión. 10.92 𝐾𝑔 𝐴⁄ = 𝐹𝐷 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜

Función Lambda La función Lambda es una razón entre la relación aire-combustible real y la relación aire-combustible estequiométrica. Esta función se denota por la siguiente expresión: 59


𝜆=

Si

𝐴𝑖𝑟𝑒 𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒𝑅𝑒𝑎𝑙 𝐴𝑖𝑟𝑒 𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒𝐸𝑠𝑡𝑒𝑞𝑢𝑖𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜

=

𝐴⁄ 𝐹𝑅 𝐴⁄ 𝐹

(1.3.1)

𝑆

𝜆 = 1 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞𝑢𝑖𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎

𝜆 > 1 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑏𝑟𝑒 𝜆 < 1 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑟𝑖𝑐𝑎

Una aplicación de la función Lambda es la sonda lambda (Sonda λ) usada en motores a combustión con gasolina. Esta sonda λ es un sensor que está situado en el conducto de escape, inmediatamente después del múltiple de escape y antes del catalizador, de forma que puede medir la concentración de oxígeno en los gases de escape antes de que sufran alguna alteración. La medida del oxígeno es representativa del grado de riqueza de la mezcla, magnitud que la sonda transforma en un valor de tensión y que comunica a la unidad de control o cerebro, como los mecánicos la designan. Ejercicio 1.3.4: Considerando una mezcla estequiométrica, de isooctano y aire, determinar: a)

La fracción molar del combustible: 𝐶8 𝐻18 + (8 +

18 18 + 0) (𝑂2 + 3.76𝑁2 ) → 8𝐶𝑂2 + 9𝐻2 𝑂 + 3.76 (8 + + 0) 𝑁2 4 4

𝐶8 𝐻18 + 12.5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) → 8𝐶𝑂2 + 9𝐻2 𝑂 + 47𝑁2 𝑋𝐶8 𝐻18=

𝑁𝐶8 𝐻18

𝐶8 𝐻18 +𝑁(𝑎𝑖𝑟𝑒)

=

1 12.5∙4.76

= 0.0165

b) La relación A/F 𝐴⁄ = 12.5(2 ∗ 16 + 3.76 ∗ 2 ∗ 14)Kg de aire = 15.052 𝐾𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 𝐹𝑠 (8 ∗ 12 + 18 ∗ 1)Kg propano 𝐾𝑔𝑖𝑠𝑜𝑜𝑐𝑡𝑎𝑛𝑜

c)

La fracción molar de agua en los productos. 𝑋𝐻2 𝑂 =

9 = 0.14 8 + 9 + 47

60


d) La temperatura de los productos a la cual el agua empezará a condensar si la presión es la atmosférica a nivel del mar. De acuerdo a la ecuación de Dalton: 𝑁𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑁𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠

𝑃𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 =

=

𝑃𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑃𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙

(1.3.2)

𝑁𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ∙ 𝑃𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 9 ∙ 101.3 𝐾𝑃𝑎 = = 14.24𝐾𝑃𝑎 𝑁𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 64

Esta presión representa la presión de saturación del vapor y, como se sabe por termodinámica, tiene una temperatura de saturación que se halla en tablas de vapor saturado: 14.24𝐾𝑃𝑎 → 𝟓𝟑°𝑪

Ejercicio 1.3.5: ¿Cuántos Kg de aire se requiere para combustionar 55.5 L de gasolina? Considerar la gasolina como octano con una densidad igual 0.71 Kg/L Solución: 0.71𝐾𝑔𝑔𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎 𝑎𝑖𝑟𝑒 Del anterior ejemplo: 15.052 𝐾𝑔𝐾𝑔𝑜𝑐𝑡𝑎𝑛𝑜 ∙ ∙ 55.5𝐿𝑔𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎 = 𝟓𝟗𝟔 𝑲𝒈𝒂𝒊𝒓𝒆 1𝐿𝑔𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎

61


62


CAPÍTULO 2 2.

Termodinámica de la Combustión3

2.1. Calor de Combustión El calor de combustión es una de las formas más comunes en que se encuentra la energía. La combustión del gas natural domiciliario que alimenta la hornilla de una cocina es la forma más simple de observar y sentir el calor, que no es más que la energía cinética de los átomos y moléculas excitados por un proceso fisicoquímico exotérmico que se ha denominado combustión. El calor desprendido o asociado a los productos de combustión es el poder calorífico de una unidad másica de combustible. El calor de combustión es la

máxima cantidad de energía ideal que se desprende en un proceso de combustión en condiciones estequiométricas. Propiedades de las Mezclas El proceso de combustión ocurre siempre en estado gaseoso y los gases pueden ser sustancias puras o mezclas, por lo tanto, es importante establecer sus propiedades. Se sabe por la termodinámica básica que las propiedades térmicas de una sustancia pura incluyen la energía interna 𝑢, entalpía ℎ, calor específico 𝐶𝑃 , etc. Los sistemas de combustión están compuestos por diferentes gases, así que las propiedades termodinámicas de una mezcla resultan de la combinación de las propiedades individuales de cada especie. Se asume la ley de los gases ideales para una mezcla gaseosa aplicándola a cada uno de sus 3

S. McAllister et al., Fundamentals of Combustion Processes, Mechanical Engineering Series, 2011.

63


componentes. Sea una mezcla de sistema será:

𝐾

diferentes gases, la masa total

𝑚 = ∑𝐾 𝑖=1 𝑚𝑖

Donde:

𝑚

del

(2.1.1)

es la masa de la especie 𝑖

𝑚𝑖

𝑁 = ∑𝐾 𝑖=1 𝑁𝑖

(2.1.2)

𝑁

es el número total de moles en el sistema

𝑁𝑖

es el número de moles de la especie 𝑖 en el sistema

La fracción de masa 𝑌𝑖 y la fracción molar 𝑋𝑖 , describen la cantidad relativa de una especie dada y sus ecuaciones están dadas por: 𝑌𝑖 ≡

Donde:

𝑚𝑖 𝑚

fracción másica y

𝑋𝑖 ≡

𝑁𝑖 𝑁

fracción molar

𝑖 = 1,2, … . 𝐾.

Por definición: 𝐾 ∑𝐾 𝑖=1 𝑌𝑖 = 1y∑𝑖=1 𝑋𝑖 = 1.

(2.1.3)

Denotando por M el peso molecular de la especie i, el peso molecular promedio M de la mezcla se determina por la siguiente ecuación: 𝑀=

𝑚 𝑁

=

∑𝑖 𝑁𝑖 𝑀𝑖 𝑁

= ∑𝑖 𝑋𝑖 𝑀𝑖

(2.1.4)

De la Ley de Dalton de presiones aditivas y de la Ley de Amagat de volúmenes aditivos junto a la ley de gases ideales, la fracción molar de las especies en una mezcla puede darse a partir de la siguiente expresión : 𝑃𝑖 𝑃

=

𝑁𝑖 𝑁

=

𝑉𝑖 𝑉

𝑋𝑖

(2.1.5)

64


Donde 𝑃𝑖 es la presión parcial de la especie i, 𝑃 es la presión total de la mezcla gaseosa, 𝑉𝑖 es el volumen parcial de la especie i y 𝑉 es el volumen total de la mezcla. Las propiedades intrínsecas promedio de la mezcla pueden ser clasificadas usando una base molar o una base másica. Por ejemplo, la energía interna por unidad de masa de una mezcla se denota por 𝑢, y se determina por la sumatoria de la energía interna por unidad de masa de cada especie dividida entre la fracción másica de las especies, es decir: 𝑢=

𝑈 𝑚

=

∑𝑖 𝑚𝑖 𝑢𝑖 𝑚

= ∑𝑖 𝑌𝑖 𝑢𝑖

(2.1.6)

Donde 𝑈 es la energía interna total de la mezcla y 𝑢𝑖 es la energía interna por unidad de masa de la especie i. De manera similar, la entalpía por unidad de masa de la mezcla es: ℎ = ∑𝑖 𝑌𝑖 ℎ𝑖

(2.1.7)

El calor específico a presión constante por unidad de masa de la mezcla: 𝐶𝑝 = ∑𝑖 𝑌𝑖 𝑐𝑝,𝑖

(2.1.8)

Una propiedad molar básica a menudo se denota con una barra testada ^ y se determina por la suma de las propiedades por mol de cada especie referente a la fracción molar de cada especie; así, la energía interna por mol de la mezcla es: û = ∑𝑖 𝑋𝑖 û𝑖

(2.1.9)

Entropía por mol de mezcla es: 𝑠̂ = ∑𝑖 𝑋𝑖 𝑠̂𝑖

(2.1.10)

65


Asumiendo calores específicos constantes durante un proceso termodinámico, los cambios de energía interna, entalpía y entropía por unidad de masa de una especie individual se define como sigue: ∆𝑢𝑖 = 𝐶𝑣,𝑖 (𝑇2 − 𝑇1 )

(2.1.11)

∆ℎ𝑖 = 𝐶𝑝,𝑖 (𝑇2 − 𝑇1 )

(2.1.12)

∆𝑠𝑖 = 𝐶𝑝,𝑖 𝑙𝑛

𝑇2 𝑇1

− 𝑅𝑖 𝑙𝑛

𝑃𝑖,2

(2.1.13)

𝑃𝑖,1

y 𝑃𝑖,2 denotan las presiones parciales de la especie i en el estado 1 y estado 2, respectivamente. 𝑅𝑖 es la constante de los gases para la especie i 𝑃𝑖,1

𝑅𝑖 =

𝑅̂𝑢 𝑀𝑖

=

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠

(2.1.14)

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑒 𝑖

El cambio total de la entropía para un sistema de combustión es: (2.1.15)

∆𝑆 = ∑𝑖 𝑚𝑖 ∆𝑠𝑖

Ejercicio 2.1.1: Las masas constitutivas de una mezcla de gases son, 5 kg de O2, 8 kg de N2 y 10 kg. Determinar las fracciones másicas, fracciones molares. Peso molecular promedio y la constante universal de los gases para esta mezcla. 𝐾

𝑚 = ∑ 𝑚𝑖 = 𝑚𝑂2 + 𝑚𝑁2 + 𝑚𝐶𝑂2 = 5𝑘𝑔 + 8𝑘𝑔 + 10𝑘𝑔 = 23 𝑘𝑔 𝑖=1

Fracción másica: 𝑌𝑂2 ≡

𝑚𝑖 𝑚

=

5𝑘𝑔 23𝑘𝑔

= 0.217 ;𝑌𝑁2 ≡

𝑚𝑖 𝑚

=


= 0.348 ;𝑌𝐶𝑂2 ≡

𝑚𝑖 𝑚

=


= 0.435

Para hallar la fracción molar, primero se determina los pesos moleculares de cada componente: 66


𝑁𝑂2 =

Así:

𝑚𝑂2

5𝑘𝑔

𝑀𝑂2 32𝑘𝑔⁄ 𝑚𝑜𝑙

= 0.156 𝑘𝑚𝑜𝑙 , 𝑁𝑁2 = 0.286𝑘𝑚𝑜𝑙 , 𝑁𝐶𝑂2 = 0.227𝑘𝑚𝑜𝑙,

𝑁 = ∑𝐾 𝑖=1 𝑁𝑖 = 0.156 + 0.286 + 0.227 = 0.669 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑋𝑂2 ≡

𝑁𝑖 𝑁

=

0.156 0.669

; 𝑋𝑁2 = 0.428 ; 𝑋𝐶𝑂2 = 0.339

El peso molecular promedio se define como: 𝑀=

𝑚 23𝑘𝑔 = = 34.4 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑁 0.669𝑘𝑚𝑜𝑙

La constante universal de los gases aplicada a la mezcla: 𝑘𝐽 𝑅̂𝑢 8.314 ⁄𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐾 𝑘𝐽 𝑅𝑖 = = = 0.242 ⁄𝑘𝑔 𝐾 𝑘𝑔⁄ 𝑀𝑖 34.4 𝑘𝑚𝑜𝑙

Ejercicio 2.1.2: Una mezcla de gases tiene la siguiente composición: 1 kg de CO2, 3 kg de CH4 cuya temperatura es de 300°K y 200kPa. Determinar la presión parcial de cada gas y el peso molecular promedio de la mezcla. 𝑁𝐶𝑂2 =

𝑚𝐶𝑂2 𝑀𝐶𝑂2

=

1𝑘𝑔 𝑘𝑔 44 ⁄𝑚𝑜𝑙

= 0.0227 𝑘𝑚𝑜𝑙 ; 𝑁𝐶𝐻4 = 0.1875 𝑘𝑚𝑜𝑙

𝑁 = (0.0227 + 0.1875)𝑘𝑚𝑜𝑙 = 0.2102 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑋𝐶𝑂2 = 0.108; 𝑋𝐶𝐻4 = 0.892 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 = 𝑋𝐶𝑂2 ∙ 𝑃𝑇 = 0.108 ∙ 200 𝑘𝑃𝑎 = 21.6 𝑘𝑃𝑎𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐶𝐻4 = 0.892 ∙ 200 𝑘𝑃𝑎 = 178.4 𝑘𝑃𝑎

El peso molecular de la mezcla promedio será: 𝑀=

𝑚 4𝑘𝑔 = = 19.03 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑁 0.2102 𝑘𝑚𝑜𝑙

67


Ejercicio 2.1.3: Se mezclan dos gases en un recipiente de 0.45 m3 bajo las siguientes condiciones: Neón a 100 kPa, 20°C y Argón a 200 kPa, 50°C. Determinar la presión y la temperatura finales de la mezcla. Asumir una condición de gas ideal y que no existe ninguna forma de trabajo en el proceso. 0.6179 kJ/kg°C y 0.3122 kJ/kg°C calores específicos para Ne y Ar respectivamente. 𝑃1 𝑉1 100𝑘𝑃𝑎 ∙ 0.45𝑚3 𝑁𝑁𝑒 = ( ) = 8.314𝑘𝑃𝑎𝑚3 = 0.0185 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑅𝑢 𝑇1 𝑁𝑒 ∙ 293°𝐾 𝑘𝑚𝑜𝑙

𝑃1 𝑉1 200𝑘𝑃𝑎 ∙ 0.45𝑚3 𝑁𝐴𝑟 = ( ) = 8.314𝑘𝑃𝑎𝑚3 = 0.0185 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑅𝑢 𝑇1 𝐴𝑟 ∙ 323°𝐾 𝑘𝑚𝑜𝑙

𝑁 = 𝑁𝑁𝑒 + 𝑁𝐴𝑟 = 0.0185 𝑘𝑚𝑜𝑙 + 0.0335 𝑘𝑚𝑜𝑙 = 0.0520 𝑘𝑚𝑜𝑙

Se toman ambos gases como un sistema y si no hay trabajo que cruza el sistema, es un sistema cerrado. Aplicando la primera ley de la termodinámica se tiene: 𝐸𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝐸𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = ∆𝐸𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎

(2.1.16)

-𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = ∆𝑈 = ∆𝑈𝑁𝑒 + ∆𝑈𝐴𝑟 -𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = [𝑚𝐶𝑉 (𝑇𝑚 − 𝑇1 )]𝑁𝑒 + [𝑚𝐶𝑉 (𝑇𝑚 − 𝑇1 )]𝐴𝑟 𝑘𝐽 ⁄𝑘𝑔°𝐶 ) (𝑇𝑚 − 20°𝐶) 𝑘𝐽 + (0.035 ∙ 39.5𝑘𝑔) (0.3122 ⁄𝑘𝑔°𝐶 ) (𝑇𝑚 − 50°𝐶)

−15𝑘𝐽 = (0.0185 ∙ 201.18𝑘𝑔) (0.6179

𝑇𝑚 = 16.2°𝐶 (28902°𝐾)

La presión final en el tanque se obtiene a partir de la ecuación de estado para gases ideales: 68


𝑘𝑃𝑎 ∙ 𝑚3⁄ 𝑁𝑅𝑢 𝑇𝑚 (0.052 𝑘𝑚𝑜𝑙)(8.314 𝑘𝑚𝑜𝑙 °𝐾) (289.2°𝐾) 𝑃= = = 138.9𝑘𝑃𝑎 3 𝑉 0.9𝑚

2.2. Primera Ley Aplicada al Proceso de Combustión

Fig. 6. Cámara de Combustión como Volumen de Control

Se aplica la 1ª Ley de la Termodinámica a un Volumen de Control de una cámara de combustión que genera calor y se asume un trabajo que puede ser positivo o negativo. Por otra parte, se considera que dentro de la cámara no existe una variación de energía cinética ni potencial. La ecuación de la energía se limitará a la variación de las entalpías (energía de flujo + energía interna) entre los productos y los reactantes: 𝑄 − 𝑊 = 𝐻𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 − 𝐻𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠

(2.2.1)

69


2.3. Entalpía de Formación En los procesos de combustión, los reactantes son consumidos para formar productos y energía en forma de calor. Esta energía proviene del reacomodo de las ligaduras de los enlaces químicos en los reactantes para 𝑜 formar los productos. La entalpía estándar de formación, denotada por ∆ℎ̂𝑖 , cuantifica la energía química de enlace de una especie en condiciones estándar. La entalpia de formación de una sustancia es la energía necesaria para la formación de tal substancia a partir de sus elementos constitutivos en condiciones SATP o de temperatura ambiente y presión absoluta (25 °C y 1 𝑜 atm). La entalpia de formación ∆ℎ̂𝑖 tiene las unidades de MJ/kg, pero también puede expresarse en unidades molares MJ/kilomol. Tabla N°15 Entalpías de Formación de Combustibles Comunes

Especie H2O(gas) CO2 CO CH4 metano C3H8 propano C7H16(g) nheptano C8H18(g) isoctano CH3OH(g) metanol CH3OH(l) metanol C2H5OH(g) etanol C2H5OH(l) etanol H2 N2 C6H6(gas) benceno

̂ 𝒊 𝒐 , (MJ/Kmol) ∆𝒉 -241.83 -393.52 -110.53 -74.87 -104.71 -224.23 -259.25 -201.54 -238.43 -235.12 -277.02 0 0 82.93

Especie H N NO NO2 O NO2 C(g) C2H2 acetileno C2H4 etileno C2H6 etano C4H10nbutano O2 H2O(líquido) C(sólido)

̂ 𝒊 𝒐 , (MJ/Kmol) ∆𝒉 217.99 472.79 90.29 33.10 249.19 33.10 715.00 226.73 52.28 -84.68 -126.15 0 -285.8 0

Fuente: Fundamentals of Combustion Processes McAllister, S. Chen 2011

70


Los elementos en su forma más estable, tales como el carbón C, hidrógeno H2, oxígeno O2 y nitrógeno N2, tienen entalpía de formación igual a 0. Las entalpías de formación de especies más comunes se hallan en la tabla 15, tablas especializadas de libros de termodinámica y en los Anexos 1 y Anexo 2 del presente texto. Las condiciones estándar son un punto de partida que está acompañado por un cambio de entalpía. Para aquellos sistemas termodinámicos en los cuales no existe una reacción química, el cambio de entalpía de un gas ideal se describe como la entalpía sensible. Entalpía Sensible: Es el cambio de energía de una sustancia en referencia a una temperatura dada; la ecuación que gobierna esta entalpía es: 𝑇 ℎ̂𝑠𝑖 = ∫𝑇 𝐶̂𝑃 (𝑇)𝑑𝑡 0

(2.3.1)

Donde el subíndice i se refiere a la especie i, T0 se refiere a la temperatura estándar (25°) y el signo circunflejo ˆ indica la cantidad por mol. Nótese que la entalpía de cualquier especie es cero en condiciones estándar. La entalpía absoluta o total ℎ̂𝑖 , es la suma de la entalpía sensible y la entalpía de formación: ℎ̂𝑖

𝑜

= ∆ℎ̂ 𝑖 + ℎ̂ 𝑠𝑖

(2.3.2)

Por ejemplo se desea determinar la entalpia de formación del CO2 haciendo reaccionar 1kmol de C con 1 Kmol de O2 a una temperatura de 25 °C y una presión constante de 101.3 KPa. Una manera de determinar la entalpía de formación de una especie es usando un reactor de flujo de presión constante como el que se muestra en la figura 7.

71


Fig. 7.

Reactor de Flujo Continuo

El producto, 1 Kmol de CO2, sale fuera del reactor a 25°C. Una cantidad de calor producida en la reacción es transferida fuera del sistema, por lo ̂ 𝐶𝑂2 = −393.52𝑀𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙; tanto, la entalpia de formación del CO2 es negativa, ∆ℎ° esto significa que el CO2 a 25 °C contiene menos energía que sus elementos constituyentes C y O2, los cuales tienen cero de entalpía de formación. La entalpia de formación no es negativa para todas las especies químicas. Por ejemplo, la entalpia de formación del NO es ∆ℎ̂°𝑁𝑂 = + 90.29𝑀𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙; esto significa que se requiere energía para su formación y la toma de sus constituyentes, el N2 y el O2. Para especies más inestables o radicales como el O2, N2, H2 y CH3, la entalpia de formación es positiva. Ejercicio 2.3.1: Un estudio de factibilidad indica que los sólidos de la basura municipal pueden ser quemados y los gases producto de la combustión tendrían la siguiente composición en base seca: CO2 9.2%, CO 1.5%, O2 7.3%, N2 82%. ¿Cuál es la diferencia de entalpía por lbmol de este gas si la temperatura de la base de la chimenea es 550°F y a la salida es 200°F? Los calores específicos (BTU/lbmol°F) respectivos de cada gas son: N2: CP= 6.895 + 0.7624 × 10-3T – 0.7009 × 10-7T2; O2: CP = 7.104 + 0.7851 × 10-3T – 0.5528 × 10-7T2; CO: CP = 6.865 + 0.8024 × 10-3T – 0.7367 × 10-7T2; CO2: CP = 8.448 + 5.757 × 10-3T – 21.59 × 10-7T2+ 3.059 × 10-10T3 Solución: Se usará la ecuación 2.3.1, pero antes se debe encontrar el calor específico promedio de la mezcla, ecuación 2.1.8 72


𝐶𝑝 = ∑ 𝑌𝑖 𝑐𝑝,𝑖 = 𝑌𝑁2 + 𝑌𝑂2 + 𝑌𝐶𝑂 + 𝑌𝐶𝑂2 𝑖

𝐶𝑝 = 7.053 + 1.2242 ∙ 10−3 𝑇 − 2.6124 ∙ 10−7 𝑇 2 + 0.2814 ∙ 10−10 𝑇 3 ℎ̂𝑠𝑖 = ∫

200

(7.053 + 1.2242 ∙ 10−3 𝑇 − 2.6124 ∙ 10−7 𝑇 2 + 0.2814 ∙ 10−10 𝑇 3 ) 𝑑𝑡

550

1.2242 ∙ 10−3 2.6124 ∙ 10−7 (2002 − 5504 ) − (2002 − 5504 ) 2 3 0.2814 ∙ 10−10 + (2002 − 5504 ) 4 𝐵𝑇𝑈 ∆ℎ = −2616 𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙

∆ℎ = 7.053(200 − 550) +

2.4. Poder Calorífico Superior de un Combustible Para determinar el Poder Calorífico Superior de un combustible se efectúa un análisis teórico del volumen de control a presión constante sin intercambio de trabajo. Supongamos que 1 kmol de combustible y reactantes entran al volumen de control en condiciones estándar y salen en las mismas condiciones. En el proceso se extrae una máxima cantidad de calor cuando los productos son enfriados hasta la temperatura de entrada y el agua resultante se condensa. La ecuación de la conservación de energía para un reactor de presión constante está dada por: −𝑄𝑟𝑥𝑛,𝑝 = 𝐻𝑅 − 𝐻𝑃

(2.4.1)

Donde HR y HP son las respectivas entalpías de los productos y los reactantes. El valor negativo de −𝑄𝑟𝑥𝑛,𝑝 indica que ha existido transferencia de calor del sistema hacia los alrededores. De lo anterior se puede concluir que el

poder calorífico de un combustible es la diferencia entre las entalpias de los reactantes y las entalpías de los productos. Sin embargo, en 73


sistemas de combustión, la evaluación de las entalpías no es directa debido a que las especies que entran al sistema son diferentes a aquellas que salen del sistema debido a las reacciones químicas ocurridas. El calor de reacción 𝑄𝑟𝑥𝑛,𝑝 también es referido como entalpía de reacción o calor de reacción. El subíndice p indica que el valor ha sido calculado a presión constante, es decir que la entalpia de reacción se relaciona con la entalpia de combustión a través de la siguiente igualdad: 𝑄𝑟𝑥𝑛,𝑝 = −𝑄𝐶 Evaluación del Calor de Combustión a partir de un Reactor de Presión Constante Usando la ecuación (2.4.1) de la energía,−𝑄𝑟𝑥𝑛,𝑝 = 𝐻𝑅 − 𝐻𝑃 , se puede evaluar las entalpías de los reactantes y productos a partir de la inserción del total de las entalpías: ̂ 𝑖,𝑅 + ℎ° ̂ 𝑠𝑖,𝑅 ) − ∑ 𝑁𝑖,𝑃 (∆ℎ° ̂ 𝑖,𝑃 + ℎ° ̂ 𝑠𝑖,𝑃 ) −𝑄𝑟𝑥𝑛,𝑝 = 𝐻𝑅 − 𝐻𝑃 = ∑ 𝑁𝑖,𝑅 (∆ℎ° 𝑖

𝑖

̂ 𝑖,𝑅 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ° ̂ 𝑖,𝑃 ] + ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ℎ° ̂ 𝑠𝑖,𝑅 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ℎ° ̂ 𝑠𝑖,𝑃 = [∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ°

(2.4.2)

Donde Ni es el número de moles de la especie i. Las entalpías sensibles de los reactantes y productos comunes pueden ser encontradas en los Anexos 1 y 2. Los productos salen en las mismas condiciones que los reactantes. La cantidad de transferencia de calor desde el reactor a los alrededores se define como poder calorífico. En condiciones estándar, el término de la entalpia sensible se cancela tanto para los reactantes como los productos y el calor generado se define como: ̂ 𝑖,𝑅 -∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ° ̂ 𝑖,𝑃 −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ°

(2.4.3)

En estas pruebas, generalmente, se usa exceso de aire para asegurarse una combustión completa. La cantidad de exceso de aire no afectará el valor de −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 en condiciones estándar. El agua en el producto en condiciones 74


estándar será líquida. En tal caso, el Poder Calorífico Superior de un combustible será determinado por la siguiente expresión: 𝑃𝐶𝑆 =

−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝

(2.4.4)

𝑁𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

El signo negativo delante de −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 asegura que el PCS es positivo. Evaluación del Calor de Combustión a partir de un Reactor de Volumen Constante Un reactor de volumen constante es más conveniente que un reactor a presión constante para determinar experimentalmente el PCS de un combustible. Para un sistema cerrado donde no hay interacción de trabajo, la ecuación de la energía es: (2.4.5)

−𝑄𝑟𝑥𝑛,𝑣 = 𝑈𝑅 − 𝑈𝑃

El análisis para un proceso a volumen constante es el mismo que para un proceso a presión constante en lo que se refiere a los cambios de energía en los ligamentos de enlaces químicos. La energía interna será evaluada a partir de la ecuación de la entalpia: ℎ = 𝑢 + 𝑝𝑣 por unidad másica y la relación en función molar será ℎ̂ = 𝑢̂ + 𝑅̂𝑢 𝑇, en condiciones estándar (T = T0 = 25°C), la energía interna total de los reactantes, UR, dentro del sistema cerrado será: 𝑈𝑅 = 𝐻𝑅 − 𝑃𝑉 = 𝐻𝑅 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 𝑅̂𝑢 𝑇𝑜 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ̂°𝑖,𝑅 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 𝑅̂𝑢 𝑇0

(2.4.6)

La energía interna total de los productos es evaluada de igual manera: 𝑈𝑃 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ̂°𝑖,𝑃 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 𝑅̂𝑢 𝑇0

(2.4.7)

Usando ambas expresiones de la energía interna en términos de las entalpías se tiene que: −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 = 𝑈𝑅 − 𝑈𝑃

(2.4.8)

−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ̂°𝑖,𝑅 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 𝑅̂𝑢 𝑇0 − [∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ̂°𝑖,𝑃 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 𝑅̂𝑢 𝑇0 ]

(2.4.9)

75


−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ̂°𝑖,𝑅 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ̂°𝑖,𝑃 + (∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 )𝑅̂𝑢 𝑇0

(2.4.10)

Por lo tanto, el PCS de un proceso de combustión se calcula como: 𝑃𝐶𝑆 =

−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 −(∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 −∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 )𝑅̂𝑢 𝑇0 𝑁𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

(2.4.11)

Donde 𝑁𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 es el número de moles del combustible quemado y 𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 es el peso molecular del combustible. El signo negativo delante de 𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 es para asegurar que el PCS sea positivo. Para un combustible típico de la forma 𝐶𝛼 𝐻𝛽 𝑂𝛾, la diferencia entre y −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 es: 𝛽

𝛾

4

2

−(∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 )𝑅̂𝑢 𝑇0 = ∆𝑁𝑅̂𝑢 𝑇𝑜 = ( + − 1) 𝑅̂𝑢 𝑇0

−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣

(2.4.12)

Esta expresión es muy pequeña, por lo tanto se puede concluir que el PCS no varía si se lo obtiene en un proceso a presión constante o a volumen constante. El término Poder Calorífico Superior PCS (también llamado poder calorífico alto o poder calorífico bruto) se usa cuando el agua formada en los productos está condensada. Ejercicio: 2.4.1: Calcular el PCS del metano por unidad de masa a 298°K con aire teórico o estequiométrico. 𝐶𝐻4 + 2(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2 𝑂 + 7.52𝑁2

Fig. 8. Cámara de Combustión como Volumen de Control

76


Nótese que tanto en los reactantes como en los productos se tiene elementos básicos como el O2 y el N2 y también elementos compuestos como CH4, CO2, y el H2O. Cuando el elemento es compuesto, entonces al 𝑜 cambio de la entalpía se le llama Entalpía de Formación, denotada por ∆ℎ̂𝑖 . Elemento 𝐶𝐻4 𝑂2 𝑁2 𝐶𝑂2 𝐻2 𝑂𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝐻2 𝑂𝑔𝑎𝑠 𝑁2

Entalpía de Formación ̂ 𝒊, ∆𝒉° MJ/kmol -74.87 0 0 -393.52 -285.80 -241.83 0

Se debe considerar que existe la suficiente transferencia de calor que tanto los reactantes como el producto están a 298°K, 1 atm (condiciones estándar) y el agua del producto de la combustión se halla en estado líquido. Además, siendo que no existe cambio de energía sensible, entonces corresponde usar las ecuaciones (2.4.3) y (2.4.4) ̂ 𝑖,𝑅 -∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ° ̂ 𝑖,𝑃 −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ° = [1(−74.87) + 2(1 ∙ 0) + 2(3.76 ∙ 0)] − [1(−393.52) + 2(−𝟐𝟖𝟓. 𝟖) + 7.52(0)] −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 = 890.25 MJ/kmol 890.25𝑀𝐽⁄𝑘𝑚𝑜𝑙

−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻4 𝑃𝐶𝑆 = = = 55.64𝑀𝐽/𝑘𝑔𝐶𝐻4 𝑁𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 1𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻4 ∙ (12 + 4)𝑘𝑔⁄ 𝑘𝑚𝑜𝑙

Este calor es llamado Entalpía de Combustión o Poder Calorífico del Combustible. Si en el producto se considera agua líquida, entonces el 77


resultado se conoce como el Poder Calorífico Alto (como en este primer caso); sin embargo, si en el producto el agua está en fase gaseosa o vapor de agua, entonces el resultado es el Poder Calorífico Inferior o Bajo del combustible. La entalpía de combustión o Poder Calorífico es la máxima cantidad de calor que puede emitir o generar un combustible dado. 890.25𝑀𝐽⁄𝑘𝑚𝑜𝑙

−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻4 𝑃𝐶𝑆 = = = 55.64𝑀𝐽/𝑘𝑔𝐶𝐻4 𝑁𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 1𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻4 ∙ (12 + 4)𝑘𝑔⁄ 𝑘𝑚𝑜𝑙

Considerando el segundo caso, en el que el agua del producto está en estado gaseoso o vapor, se tiene: ̂ 𝑖,𝑅 -∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ° ̂ 𝑖,𝑃 −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ° = [1(−74.87) + 2(1 ∙ 0) + 2(3.76 ∙ 0)] − [1(−393.52) + 2(−𝟐𝟒𝟏. 𝟖𝟑) + 7.52(0)] −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 = 802.31 802.31𝑀𝐽⁄𝑘𝑚𝑜𝑙

−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻4 𝑃𝐶𝐼 = = = 50.15𝑀𝐽/𝑘𝑔𝐶𝐻4 𝑁𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 1𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻4 ∙ (12 + 4)𝑘𝑔⁄ 𝑘𝑚𝑜𝑙

De este ejemplo se puede concluir que el PCI es aproximadamente el 90% del PCS y para fines prácticos se puede asumir esta relación como constante. Ejercicio 2.4.2: Calcular la entalpía de combustión del ciclohexano con oxígeno puro: Solución:

𝐶2 𝐻6 + 3.5𝑂2 → 2𝐶𝑂2 + 3𝐻2 𝑂 ̂ 𝑖,𝑅 -∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ° ̂ 𝑖,𝑃 −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ°

−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 = [1(−84.64) + 3.5(0)] − [2(−393.52) + 3(−285.8)] = 1559.8 𝑀𝑗/𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 = −1559.8 𝑀𝑗/𝑘𝑚𝑜𝑙

78


2.5. Poder Calorífico Inferior de un Combustible El Poder Calorífico Inferior (también llamado poder calorífico bajo o poder calorífico neto) se usa cuando el agua formada en los productos de combustión está en fase vapor. La siguiente expresión sirve para relacionar ambos poderes caloríficos: 𝑃𝐶𝑆 = 𝑃𝐶𝐼 + (

Donde:

𝑚𝐻2𝑂 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

) ℎ𝑓𝑔 𝐻2𝑂(25°𝐶)

(2.5.1)

es la masa del agua generada en el proceso, 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 es la masa del combustible y ℎ𝑓𝑔 𝐻2𝑂(25°𝐶) es la entalpía de vaporización del agua que se debe buscar en tablas de vapor a la temperatura estándar igual a 25°C. 𝑚𝐻2𝑂

Los Poderes Caloríficos Superior e Inferior normalmente se obtienen a presión constante; sin embargo, en la nomenclatura ya no es necesario expresarlo. En la práctica no es necesario determinar el PCS y el PCI de la manera que se propone líneas arriba ya que existen tablas donde se dan los poderes caloríficos de los combustibles más comunes, a menos que se trate de un combustible o compuesto particular, o donde las temperaturas de referencia sean diferentes. La siguiente tabla muestra poderes caloríficos de diferentes combustibles.

79


Tabla N°16 Poderes Caloríficos

Poderes Caloríficos Altos de Combustibles Combustible Hidrógeno Metano Etano Propano Butano Gasolina Parafina Diésel Carbón Madera Turba Metanol Etanol Propanol Acetileno Hidracina Hexamina Carbón

MJ/kg 141.8 55.5 51.9 50.35 49.5 47.3 46 44.8 15 - 27 15 6-15 22.7 29.7 33.6 49.9 19.4 30.0 32.8

Btu/lb 61100 23900 22400 21700 20900 20400 19900 19300 8000 - 14000 6500 2500 - 6500 9800 12800 14500 21500 8370 12900 14100

KJ/mol 286 890 1560 2220 2877 ~ 5400 16300 ~ 4480 200 - 350 350 726 1368 2020 1300 622 4200 393.5

Fuente: Fundamentals of Combustion Processes McAllister, S. Chen 2011

Para determinar el PCS o PCI de una mezcla gaseosa de combustibles, se debe acudir a una tabla con los datos de poderes caloríficos y usar la siguiente fórmula que solamente se usa en base a volúmenes y no a masas: PCS = ∑ni Xi PCSi

PCI = ∑ni Xi PCIi

(2.5.2)

Ejercicio 2.5.1: Un GLP boliviano está compuesto por 60% de propano y 40% de butano en volumen. Hallar el PCS a partir de tablas y luego calcular el PCI. (0.6𝐶3 𝐻8 + 0.4𝐶4 𝐻10 ) + 5.6(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) → 3.4𝐶𝑂2 + 4.4𝐻2 𝑂 + 21.056𝑁2

80


n

PCSGLP = ∑ Xi PCSi = 0.6 ∙ i

𝑀𝐺𝐿𝑃 =

2220MJ 2877MJ Mj + 0.4 ∙ = 2482.8 ⁄kmol kmol kmol

0.6𝑘𝑚𝑜𝑙𝐶3 𝐻8 (3 ∙ 12 + 8 ∙ 1)𝐾𝑔 0.4𝑘𝑚𝑜𝑙𝐶4 𝐻10 (4 ∙ 12 + 10 ∙ 1)𝐾𝑔 49.6𝑘𝑔 𝐺𝐿𝑃 ∙ + ∙ = 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐺𝐿𝑃 1𝑘𝑚𝑜𝑙𝐶3 𝐻8 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐺𝐿𝑃 1𝑘𝑚𝑜𝑙𝐶4 𝐻10 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐺𝐿𝑃 PCSGLP = 2482.8

MJ GLP 1 kmol GLP 𝐌𝐉 ∙ = 𝟓𝟎. 𝟎𝟔 kmol GLP 49.6 Kg GLP 𝐤𝐠 𝐆𝐋𝐏

Para hallar el PCI se usará la ecuación (2.5.1): 𝑚𝐻2𝑂 𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 − ( )ℎ ∗ 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑓𝑔 𝐻2𝑂(25°𝐶)

De la ecuación de combustión del GLP: 4.4 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂 18 𝑘𝑔 𝐻2 𝑂 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐺𝐿𝑃 𝑘𝑔 𝐻2 𝑂 ∙ ∙ = 1.597 ⁄𝑘𝑔 𝐺𝐿𝑃 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐺𝐿𝑃 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂 49.6𝑘𝑔 𝐺𝐿𝑃 𝑚𝐻2𝑂 𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 − ( )ℎ = 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑓𝑔 𝐻2𝑂(25°𝐶) kJ 1.597𝑘𝑔 𝐻2 𝑂 kJ 46159.7kJ = 50060 −( ) 2442.3 = kg GLP 𝑘𝑔 𝐺𝐿𝑃 𝑘𝑔 𝐻2 𝑂 kg 𝑷𝑪𝑰 = 𝟒𝟔. 𝟏𝟔 𝑴𝑱/𝒌𝒈 ℎ𝑓𝑔 𝐻2𝑂(25°𝐶) ∗ Se

debe hallar en tablas de vapor saturado a la temperatura de

25°C. Determinación Experimental del PCS: La Bomba Calorimétrica El método experimental para determinar el poder calorífico superior de una muestra de combustible consiste en hacer uso de la bomba calorimétrica que es un recipiente de acero cerrado a prueba de explosiones y cuyo volumen no cambia durante la reacción. En el interior de la bomba se coloca 81


la muestra de combustible, la cual está en contacto con una resistencia eléctrica que genera calor; la bomba calorimétrica es inyectada con oxígeno a presiones mayores de 30 bar. La bomba es sumergida en agua u otro líquido que absorba el calor de combustión. Luego se mide el calor absorbido por la bomba y el agua a través de sus calores específicos; con estos datos se determina el PCS del combustible. El combustible se quema con el suficiente combustor (oxígeno) para lograr una combustión completa en el sistema cerrado. El sistema luego es enfriado a temperatura ambiente hasta que la temperatura final sea igual a la inicial. Se aplica la conservación de la energía de la primera Ley de la termodinámica para el análisis: 𝑈𝑃 − 𝑈𝑅 = 𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣

(2.5.3)

Fig. 9. Bomba Calorimétrica Fuente: S. McAllister et al., Fundamentals of Combustion Processes, Mechanical Engineering Series, 2011

82


Debido a que la temperatura final es similar a la temperatura ambiente, el agua en los productos de combustión está usualmente en fase líquida; por lo tanto se puede usar las ecuaciones del PCS a volumen constante, es decir: 𝑃𝐶𝑆 =

−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 −(∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 −∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 )𝑅̂𝑢 𝑇0 𝑁𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

(2.5.4)

Si los productos de la combustión presentan una temperatura final ligeramente mayor a la de los reactantes (<10°C), se puede considerar un error despreciable y la cantidad de calor transferido será: −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 = (𝑚𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 ∙ 𝐶𝑃,𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 + 𝑚𝐻20 ∙ 𝐶𝑝,𝐻20 )∆𝑇

Donde de acero.

∆𝑇

(2.5.5)

es el cambio de temperatura del agua y la bomba calorimétrica

La bomba calorimétrica también puede medir la entalpia de formación de una especie química. Por ejemplo, para determinar la entalpia de formación del H2O, se empieza con un mol de H2 y 0.5 mol de O2. Estos elementos tienen entalpías cero de formación, es decir: ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ̂°𝑖,𝑅 = 0

(2.5.6)

El único producto es el elemento agua H20; entonces se escribe la entalpía de formación del H20, como: ∆ℎ̂°𝑖,𝑃 =

𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 +(∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 −∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 )𝑅̂𝑢 𝑇0 𝑁𝑖,𝑝

=

𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 +∆𝑁𝑅̂𝑢 𝑇0 𝑁𝑖,𝑝

(2.5.7)

Donde: ∆𝑁 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅

(2.5.8)

Ejercicio 2.5.2: Los datos de la entalpía de formación para el agua líquida 𝑘𝐽

indican −285.8 𝑚𝑜𝑙 ; sin embargo, se usa una bomba calorimétrica que 83


quema H2 con O2 y mide una transferencia de calor de los productos de la combustión igual a 282.0 kJ. Estimar el error de medición de la entalpía. Solución:

𝐻2(𝑔𝑎𝑠) + 0.5 𝑂2(𝑔𝑎𝑠) → 𝐻2 𝑂(𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜) ∆𝑁 = 0 − (1 + 0.5) = −1.5

(Nótese: no se puede considerar el mol de agua porque está en estado líquido, sólo se consideran los gases). Se tiene como dato que

𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 = −282.0 𝑘𝐽

Aplicando la ecuación de balance de energía de aproximación de gas ideal (2.5.7) para 1 mol se tiene: ∆ℎ̂°𝐻2𝑂 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 = 𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 + ∆𝑁𝑅̂𝑢 𝑇0 ∆ℎ̂°𝐻

𝑘𝐽 2 𝑂 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 =−282.0𝑚𝑜𝑙∙1𝑚𝑜𝑙+(−1.5

El % de error es:

%=

(285.8−285.72) 285.8

𝑚𝑜𝑙∙8.314

𝐽 1𝑘𝐽 ∙ ∙298°𝐾)=−285.72𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙°𝐾 1000𝐽

= 0.03%

2.6. Temperatura de Flama Adiabática Una de las más importantes características de un proceso de combustión es la máxima temperatura que se puede alcanzar. La temperatura de los productos será mayor cuantas menos pérdidas de calor a los alrededores exista y toda la energía generada en el proceso de combustión sirva para calentar los gases de los productos. La temperatura de flama adiabática es una temperatura ideal máxima alcanzable en un proceso adiabático, es decir, un sistema cerrado donde no hay intercambio de energía o el calor Q = 0. Para el análisis y cálculo de la temperatura de la flama adiabática se usará nuevamente un sistema a presión constante. 84


De la Primera Ley de la Termodinámica:

𝑄 − 𝑊 = ∆𝐻.

(2.6.0)

Como

en este proceso no hay intercambio de trabajo y el calor es igual a cero (Q = 0), además se sabe que la entalpía es función de la temperatura, entonces por la conservación de la energía se tiene: 𝐻𝑃 (𝑇𝑃 ) = 𝐻𝑅 (𝑇𝑅 )

Donde:

𝐻𝑃 (𝑇𝑃 ) = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ℎ̂𝑖,𝑝 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 [∆ℎ̂°𝑖,𝑃 + ℎ̂𝑠𝑖,𝑝 (𝑇𝑃 )] 𝐻𝑅 (𝑇𝑅 ) = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ℎ̂𝑖,𝑅 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 [∆ℎ̂°𝑖,𝑅 + ℎ̂𝑠𝑖,𝑅 (𝑇𝑅 )]

(2.6.1) (2.6.2) (2.6.3)

Fig. 10. Interpretación Gráfica de la Temperatura de Flama Adiabática Fuente: S. McAllister et al., Fundamentals of Combustion Processes, Mechanical Engineering Series, 2011

La figura 10 es una explicación gráfica de cómo se determina la temperatura de Flama Adiabática. A la temperatura inicial de los reactantes, la entalpía de la mezcla de los productos es menor que la entalpía de la mezcla de los reactantes. La energía generada del proceso de combustión se usa para calentar los productos y, además, se cumple la condición de igualdad 𝐻𝑃 (𝑇𝑃 ) = 𝐻𝑅 (𝑇𝑅 ). El objetivo o tarea es hallar la temperatura de los productos dada la entalpía de los reactantes. Existen diferentes métodos para 85


determinar esta temperatura. En el presente texto se usará un método iterativo o de tanteo: Ejercicio 2.6.1: Determinar la temperatura de flama adiabática de un reactor que opera a presión constante quemando H2 y aire a 101.3 kPa y una temperatura inicial de 25°C. 1 𝐻2 (𝑔𝑎𝑠) + (𝑂2 + 3,76𝑁2 ) → 𝐻2 𝑂𝑔𝑎𝑠 + 1.88𝑁2 𝑔𝑎𝑠 2 𝐻𝑃 (𝑇𝑃 ) = 𝐻𝑅 (𝑇𝑅 ) ∑ 𝑁𝑖,𝑃 [∆ℎ̂°𝑖,𝑃 + ℎ̂𝑠𝑖,𝑝 (𝑇𝑃 )] = ∑ 𝑁𝑖,𝑅 [∆ℎ̂°𝑖,𝑅 + ℎ̂𝑠𝑖,𝑅 (𝑇𝑅 )] 𝑖

𝑖

∑ 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ̂°𝑖,𝑃 + ∑ 𝑁𝑖,𝑃 ℎ̂𝑠𝑖,𝑝 (𝑇𝑃 ) = ∑ 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ̂°𝑖,𝑅 + ∑ 𝑁𝑖,𝑅 ℎ̂𝑠𝑖,𝑅 (𝑇𝑅 ) 𝑖

𝑖

𝑖

𝑖

𝑁𝐻2𝑂 ∆ℎ̂°𝐻2𝑂 + 𝑁𝐻2𝑂 ℎ̂𝑠,𝐻2𝑂 (𝑇𝑃 ) + 𝑁𝑁2 ∆ℎ̂°𝑁2 + 𝑁𝑁2 ℎ̂𝑠,𝑁2 (𝑇𝑃 ) = 𝑁𝐻2 ∆ℎ̂°𝐻2 + 𝑁𝐻2 ℎ̂𝑠,𝐻2 (𝑇𝑅 ) + 𝑁𝑂2 ∆ℎ̂°𝑂2 + 𝑁𝑂2 ℎ̂𝑠,𝑂2 (𝑇𝑅 ) + 𝑁𝑁2 ∆ℎ̂°𝑁2 + 𝑁𝑁2 ℎ̂𝑠,𝑁2 (𝑇𝑅 )

Reemplazando valores: 1 ∙ ∆ℎ̂°𝐻2𝑂 + ℎ̂𝑠,𝐻2𝑂 (𝑇𝑃 ) + 0 + 1.88 ∙ ℎ̂𝑠,𝑁2 (𝑇𝑃 ) = 0 + 0 + 0 + 0 + 0 + 0 ∆ℎ̂°𝐻2𝑂 + ℎ̂𝑠,𝐻2𝑂 (𝑇𝑃 ) + 0 + 1.88 ∙ ℎ̂𝑠,𝑁2 (𝑇𝑃 ) = 0

Una vez que se plantea la ecuación, se debe tantear la Temperatura de los productos (𝑇𝑃 ) . Se considerará una temperatura de 𝑇𝑃 = 2000𝐾 . Se usa la entalpía de formación del agua y tablas de gases ideales para determinar las entalpías sensibles, luego se prueba con 𝑇𝑃 = 2500𝐾 y, con los resultados, se plantea la siguiente tabla: 86


TP (K)

HP (TP) MJ

Resultado de la Ecuación

2000K 2500K

-241.83+72.69+1.88x56.14 -241.83+98.96+1.88x74.31

-63.6 MJ -3.16MJ

El primer tanteo fue con 𝑇𝑃 = 2000𝐾 y el resultado era muy bajo, luego se probó 𝑇𝑃 = 2500𝐾 con un resultado mucho más aproximado a 0, lo que implica que el resultado correcto es 𝑇𝑃 ≈ 2500𝐾. Para hallar un valor más aproximado se puede extrapolar o interpolar entre dos respuestas cercanas, es decir: TP − 2500 0 + 3.1 = 2500 − 2000 −3.1 + 63.6 𝑇𝑃 = 2526𝐾

Ejercicio 2.6.2: Determinar la temperatura de flama adiabática para la combustión completa del metano 𝐶𝐻4 con 250% de aire teórico en un volumen de control adiabático.

Fig. 11. Cámara de Combustión Adiabática 𝐶𝐻4 + 2.5 ∙ 2(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2 𝑂 + 3𝑂2 + 18.8𝑁2 ̂ 𝑖,𝑅 + ℎ° ̂ 𝑠𝑖,𝑅 ) − ∑ 𝑁𝑖,𝑃 (∆ℎ° ̂ 𝑖,𝑃 + ℎ° ̂ 𝑠𝑖,𝑃 ) −𝑄𝑟𝑥𝑛,𝑝 = 0 = 𝐻𝑅 − 𝐻𝑃 = ∑ 𝑁𝑖,𝑅 (∆ℎ° 𝑖

𝑖

𝐻𝑃 (𝑇𝑃 ) = 𝐻𝑅 (𝑇𝑅 )

87


̂ 𝑖,𝑃 + ℎ° ̂ 𝑠𝑖,𝑃 (𝑇𝑃 )) = ∑ 𝑁𝑖,𝑅 (∆ℎ° ̂ 𝑖,𝑅 + ℎ° ̂ 𝑠𝑖,𝑅 (𝑇𝑃 )) ∑ 𝑁𝑖,𝑃 (∆ℎ° 𝑖

𝑖

̂ 𝑠𝑖,𝑃 (𝑇𝑃 ), ℎ° ̂ 𝑠𝑖,𝑅 (𝑇𝑃 ) son las entalpías sensibles, función de las Donde ℎ° temperaturas 𝑇𝑃 , de los productos y reactantes respectivamente. En el caso de los reactantes, esta temperatura es la temperatura de referencia 𝑇0 = 25°𝐶.

ℎ(𝑇)𝐶𝑂2 + 2ℎ(𝑇)𝐻2 𝑂 + 3ℎ(𝑇)𝑂2 + 18.8ℎ(𝑇)𝑁2 = 802.31

𝑘𝐽 ⁄𝑘𝑚𝑜𝑙𝐶𝐻 4

Antes de empezar el tanteo, se procederá a asumir que todas las entalpías corresponden al N2 para facilitar los cálculos: 24.8ℎ(𝑇)𝑁2 = 802310

ℎ(𝑇)𝑁2 = 32351.21𝑘𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙

Con este valor se acude a tablas de propiedades de gases ideales (libros de termodinámica) y se busca en la tabla de propiedades molares del N2 a qué temperatura corresponde la entalpía de referencia hallada; para este caso se halla el siguiente valor: Temperatura

Entalpía de Formación

1060 °K 32101 kJ/kmol ¿ ? Interpolando 1052.43°K 32351.21 kJ/kmol 1080 °K 32762 kJ/kmol Extraído de Termodinámica para Ingenieros Merle C. Potter Edit. Mc Graw Hill ℎ(𝑇)𝑁2 =

32351.21𝑘𝐽 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑛𝑑𝑒 → 1052.43°𝐾 𝑘𝑚𝑜𝑙

88


Esta

temperatura es simplemente una referencia y ahora se hará el tanteo a con un valor de 1000°K y luego con 1100°K. Los resultados se muestran en la tabla siguiente: T °K

𝒉(𝑻)𝑪𝑶𝟐

𝒉(𝑻)𝑯𝟐𝑶

𝒉(𝑻)𝑶𝟐

𝒉(𝑻)𝑵𝟐

Resultado

1100 1000

48258 42769

40071 35882

34899 31389

33426 30129

-15.65+74.85=59.2 -102.035+74.85=-27.185

La tabla muestra que el resultado correcto está entre 1000°K y 1100°K ya que se aprecia que hay un cambio de signo y por lo tanto se puede interpolar siendo el resultado 𝐓 = 𝟏𝟎𝟑𝟏. 𝟓°𝐊 2.7. Influencia de la Altitud en la Combustión La densidad del aire de la atmósfera disminuye conforme se asciende en altura. Cuando se sube a la cima de una montaña, o a un punto de una ladera muy elevada se dice que el aire está "enrarecido"; esto es porque la mayor parte de la masa del aire está concentrada en las zonas bajas atraída por la gravedad de la tierra y con una presión por su propio peso y, cuanto más se asciende, más liviano, tenue y ligero es el aire. En las capas altas existe menos presión y la densidad es menor. La densidad y la presión del aire disminuyen con la altura.

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Fig. 12. Efecto de la Altitud en la Densidad del Aire

En la figura 12 se muestra una botella cuyo volumen es 1 litro. Este volumen permanecerá constante aunque esta botella sea llevada hasta una altura de 5000 metros por encima del nivel del mar. A medida que se asciende, la presión irá disminuyendo de acuerdo a la siguiente ecuación4: 𝑔ℎ

𝑃 = 𝑃0 𝑒

Donde:

4

−̅̅̅̅ ̅ 𝑅𝑇

(2.7.1)

𝑃0 es

la presión atmosférica a nivel del mar 𝑔 es la gravedad ℎ es la altura sobre el nivel del mar

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/kinetic/barfor.html

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𝑎𝑡𝑚 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜 𝑅̅ = 0.002848 es 𝑔°𝐾

𝑇 es

la constante universal para el aire

la Temperatura del medio ambiente en °K

Haciendo uso de la fórmula citada, se halla que la presión a 5000 m.s.n.m. es de 0.55 atmósferas. Por otra parte, se considera al aire como un gas ideal y la densidad del mismo se obtiene a partir de la Ecuación de Estado: 𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 =

𝑚𝑅𝑇 𝑉

; 𝜌=

𝑚 𝑉

=

𝑃𝑉

(2.7.2)

𝑅𝑇

Asumiendo una temperatura ambiente igual a 15 °C = 288 °K, y el peso molecular del aire igual a 28.9 g/mol, se obtiene que la densidad del aire a nivel del mar como a 5000 m.s.n.m. respectivamente es: 𝜌0 𝑚.𝑠.𝑛.𝑚. =

1.22 𝑔 𝑙

𝜌5000 𝑚.𝑠.𝑛.𝑚. =

0.68 𝑔 𝑙

Con estas densidades se obtiene que las masas de aire dentro de la botella a nivel del mar y dentro de la botella a 5000 m.s.n.m. son respectivamente: 𝑚𝑎𝑠𝑎𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑎 0 𝑚.𝑠.𝑛.𝑚. = 1.22 𝑔 𝑚𝑎𝑠𝑎𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑎 5000 𝑚.𝑠.𝑛.𝑚. = 0.68 𝑔

Es importante recalcar que tanto a nivel del mar como a 5000 m.s.n.m. la composición volumétrica del aire es exactamente igual, es decir, 29 % de O2 y 71% de N2. Este fenómeno que se acaba de describir influye de manera importante en un proceso de combustión, ya que el mismo es más afectado a alturas mayores que al nivel del mar por una deficiencia de oxígeno y consecuente mezcla rica.

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El Ing. Percy Castillo Neyra, en su monografía Combustión en la Altura5, establece un factor de evaluación de la calidad del aire como comburente, formulando conceptualmente el término "poder calorífico del aire" como la cantidad total de energía (kcal o kJ ) que es capaz de liberar un volumen (m3) de aire por efecto de la reacción de su contenido de oxígeno con carbono.

Fig.13. Cantidad Total de Energía capaz de liberar por m3 de aire a diferentes alturas Fuente: http://www.combustionindustrial.com/img/COMBUSTION_ALTURA_ENE2008.pdf

En la figura 13 se puede apreciar que, a mayor altitud, menor cantidad de calor se genera por efecto de la deficiencia de oxígeno. A nivel del mar, el poder calorífico del aire siempre será de 915 Kcal/m3N; al realizarse la combustión a más altura, este valor disminuirá progresivamente, por disminuir gradualmente el contenido de oxígeno por metro cúbico de aire. 5

http://www.combustionindustrial.com/img/COMBUSTION_ALTURA_ENE2008.pdf

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Finalmente, para conseguir la combustión completa más próxima a la teórica y según el estado físico del combustible (granos, polvo, líquidos, gases y dispersiones), es preciso emplear una proporción de oxígeno superior a la teórica por razones físicas de contacto. De aquí el llamado “exceso de aire sobre el teórico necesario”. Este exceso de aire conlleva especialmente dos efectos importantes en cuanto al propósito de la combustión: • Disminución de la temperatura máxima posible, al aumentar la cantidad de gases en la combustión. • Variación sensible en cuanto a la concentración de los óxidos formados, en el nitrógeno del aire empleado. La menor densidad del aire en altura determinará que para el mismo volumen impulsado por el efecto Venturí en un quemador o por un ventilador, el flujo másico será proporcionalmente menor, disminuyendo en la misma forma el impulso aportado al quemador. La eficiencia de los ventiladores también resulta afectada por la menor densidad del aire debido a la menor capacidad de impulso de los álabes, disminuyendo la presión estática. En la llama se producirá menor intensidad de mezcla, con la tendencia a demorar la combustión y alargar la llama, pudiendo salir los productos de la cámara de combustión sin completarse el proceso de reacción, con presencia de productos no quemados y pérdida de poder calorífico del combustible. La combustión es un proceso físico-químico dentro del cual la termodinámica resulta de fundamental importancia. Las características del aporte de aire al quemador influyen su comportamiento en diversas formas: • Actuando como refrigerante de quemadores expuestos a la radiación y/o convección de las cámaras de combustión. 93


• Influyendo en el flujo másico por calentamiento (recuperadores) o enfriamiento (turbos). En el desarrollo de la combustión (llama), la disponibilidad de oxígeno, el diseño de la cámara de combustión y la intensidad de mezcla determinan las condiciones termodinámicas que aceleran la reacción química y la transferencia de calor. En la altura, todos los factores mencionados resultan afectados, disminuyendo la disponibilidad de calor con la menor presencia de oxígeno, afectando la temperatura de llama y la transferencia de calor por radiación, lo cual inducirá a una cámara más fría y alargamiento de llama; el mayor volumen ocupado por el aire podría determinar la inadecuación de las dimensiones de la cámara como reactor de combustión. Desde el punto de vista de la eficiencia del sistema, al ser mayor el volumen requerido para quemar la misma masa de combustible, el volumen de gases producido será consecuentemente mayor, debiendo circular a mayor velocidad a través de cámaras de combustión. Este paso más rápido de los gases disminuye la transferencia de calor por convección y podría determinar una limitación de la capacidad de producción si no se tiene suficiente capacidad de extracción y eliminación de gases (tiro). Estudios6 de campo en equipos domésticos de Gas Natural efectuados por la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating, and AirConditioning Engineers), han determinado que la tasa de flujo másico de combustible que va hacia el quemador del equipo de combustión se debe disminuir en 13% por cada 1000 m.s.n.m. para atenuar el efecto de la altura y tener una mejor relación Aire-Combustible. 6

http://www.thefreelibrary.com/Field+testing+residential+fan-assisted+gas-fired+furnaces--Part+II%3a...a0201591031

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El estudio experimental en la altura también determinó una mayor emisión, particularmente del monóxido de carbono CO y la alta emisión de óxido de nitrógeno NO, así como la disminución de la eficiencia de combustión. Efecto de la Altitud en Motores de Combustión Interna7 La disminución de la presión y la temperatura atmosférica afectan a la densidad del aire y su composición y, en consecuencia, a la performance de toda máquina térmica. Este problema es más acentuado en máquinas térmicas de desplazamiento volumétrico como los motores de combustión interna alternativos, y dentro de ellos aún más en los de aspiración natural. Debido a que el volumen desplazado por el pistón en la carrera de aspiración permanece constante, la masa de aire será menor en la altitud y se tendrá una mezcla más rica a medida que la altitud aumente. El rendimiento indicado disminuye con la altitud debido principalmente a que la presión en el cilindro es menor a lo largo de todo el ciclo del motor, aunque también influyen otros efectos relacionados con la incorporación del combustible. Todo ello provoca una pérdida de potencia indicada. Aunque la potencia de pérdidas mecánicas se reduce ligeramente con la altitud, debido a que la potencia de pérdidas de bombeo y la de rozamiento se reducen por la disminución de la contrapresión de escape y de presión en el cilindro respectivamente, esta disminución es mucho menos significativa que la de la potencia indicada. Por ello, algunos autores suponen el cambio en la potencia de pérdidas mecánicas como un porcentaje constante de la variación de la potencia indicada a medida que cambia la altitud (Xiaoping et al., 1996), 7

Estudio del Efecto de la Altitud sobre el Comportamiento de Motores de Combustión Interna. Parte 1: Funcionamiento Magín Lapuerta (1), Octavio Armas (1), John R. Agudelo (2) y Carlos A. Sánchez (2) (1) Universidad de Castilla-La Mancha, Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Camilo José Cela s/n, 13071 Ciudad Real-España (e-mail: [email protected]) (2) Universidad de Antioquia, Grupo GASURE, Calle 67 Nº. 53-108, A.A. 1226, Medellín-Colombia

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mientras que otros directamente la desprecian (SAE J1349, 1995; Heywood, 1988), suponiendo idéntica disminución para la potencia indicada y para la efectiva. Esta última suposición implica que el peso de las pérdidas mecánicas crezca frente a una potencia indicada que disminuye y que, por tanto, la pérdida relativa de potencia efectiva sea incluso mayor que la indicada y creciente al disminuir el rendimiento mecánico del motor. Lizhong et al. (1995) realizaron ensayos en un motor diésel de inyección directa, aspiración natural, de 3.3 litros de cilindrada total y cuatro cilindros. Dejando constante el dosado relativo, obtuvieron una disminución del 24% en la potencia efectiva y un incremento del consumo específico de combustible cercano al 4% al operar a 2000 m.s.n.m. (metros sobre el nivel del mar). Xiaoping et al. (1996) desarrollaron un modelo para predecir el efecto de la presión y la temperatura ambiente sobre motores diésel turboalimentados. Manteniendo constantes el régimen de giro del motor, la masa de combustible inyectado y la temperatura ambiente, obtuvieron una disminución en la potencia efectiva cercana al 4% al pasar de 0 a 3000 m.s.n.m. Obtuvieron el efecto de la temperatura dejando constantes el régimen de giro, la masa de combustible inyectado y la altura sobre el nivel del mar. Al disminuir la temperatura ambiente de 20 a -15ºC observaron un aumento de la potencia efectiva en torno al 7%. La compensación de potencia proporcionada por el turbocargador se debió al incremento del dosado relativo y por tanto de la temperatura de escape, y a la disminución de la contrapresión de escape al aumentar la altitud. En motores de encendido provocado con lazo de control cerrado, el requerimiento de dosado estequiométrico obliga a la unidad de control electrónico del motor a inyectar menos cantidad de combustible a medida que aumenta la altura sobre el nivel del mar (menor disponibilidad de aire 96


atmosférico). La menor temperatura exterior obliga a avanzar el ángulo de encendido ya que disminuye la velocidad de combustión. En vista de las anteriores experiencias, los fabricantes de motores han desarrollado diversos métodos para compensar el efecto de la altitud en sus motores, tales como la implementación de la turbo-alimentación o el uso de sensores barométricos (MAP) que retroalimentan a la unidad de control electrónico para que actúe corrigiendo los parámetros de la inyección de combustible. Se ha implementado algunos métodos de corrección por presión barométrica que no requieren el uso de sensores adicionales. Estos utilizan algoritmos de cálculo basados en las ecuaciones de flujo compresible a través de una restricción. Las entradas al algoritmo se obtienen de los sensores existentes en el motor (Olin y Maloney, 1999). La altitud sobre el nivel del mar ejerce efectos tanto sobre la presión y temperatura atmosféricas como sobre la concentración de oxígeno en el aire y la composición de éste. Sin embargo, para cuantificar el efecto sobre las prestaciones del motor, basta con considerar el efecto sobre las condiciones termodinámicas. La altitud disminuye notablemente la potencia indicada, y por tanto la efectiva, desarrollada por un motor de aspiración natural, en todo el rango de regímenes de giro. Sin embargo, este efecto se reduce al sobrealimentar el motor a través de un turbo, pudiendo incluso llegar a compensarse tal reducción a alto régimen. Las estrategias más recientes de diseño tienden a sobredimensionar el turbocaragador con el fin de evitar la pérdida de potencia a bajo régimen, limitando el exceso de potencia que éste proporcionaría a alto régimen, por medio de sistemas de compensación electrónicamente gobernados.

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CAPÍTULO 3 3.

Contaminación Ambiental por Efecto de la Combustión8

Los procesos de combustión a través de sus productos emiten gases y o partículas provenientes de los combustibles, sean éstos sólidos, líquidos o gaseosos. Estos gases y/o material particulado se consideran contaminantes y entre ellos los de mayor preocupación son: el dióxido de carbono CO2, el dióxido de nitrógenoNO2, el dióxido de azufre SO2 y un sin número de pequeñas partículas que irritan los ojos, la nariz y en general las vías respiratorias. El efecto de estos contaminantes sobre la salud humana se presenta a través de dolores de cabeza, mareos, náuseas, somnolencia, irritación de los ojos, dificultad en la respiración y problemas respiratorios como tos y finalmente cáncer en los pulmones y vías respiratorias. Las personas que adolecen de alergias, asma o problemas respiratorios y cardiacos son más susceptibles a los efectos de estos contaminantes. Es importante hacer notar que estos efectos que aquejan a la salud pueden ser causados por otras fuentes además de los contaminantes por combustión. Si se considera que los procesos de combustión son ampliamente usados en la industria y en el transporte, las dos fuentes más importantes de contaminación ambiental son la industrial como fuente fija y los automotores como fuentes móviles. Es importante puntualizar cada caso.

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Luis Echarra Universidad de Navarra Población , ecología y ambiente 2007

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Sustancias que Contaminan la Atmósfera Producto de la Combustión: 1. Óxidos de Carbono: Dióxido de Carbono Es un gas sin color, olor ni sabor que se encuentra presente en la atmósfera de forma natural. No es tóxico. Desempeña un importante papel en el ciclo del carbono en la naturaleza. Enormes cantidades de este gas, del orden de 1012 toneladas, pasan por el ciclo natural del carbono en el proceso de fotosíntesis. Acción contaminante: Dada su presencia natural en la atmósfera y su no toxicidad, se lo debería considerar como una sustancia que no contamina, pero se dan dos circunstancias que lo hacen un contaminante de gran importancia en la actualidad: es un gas que produce un significativo efecto de entrampamiento del calor, el llamado efecto invernadero; y su concentración está aumentando en los últimos decenios por la quema de combustibles fósiles y de grandes extensiones de bosques. Por estos motivos es uno de los gases que más influye en el importante problema ambiental del calentamiento global del planeta y el consiguiente cambio climático. Monóxido de Carbono Es un gas sin color, olor ni sabor. Es un contaminante primario. Es tóxico porque envenena la sangre impidiendo el transporte de oxígeno. Se combina fuertemente con la hemoglobina de la sangre y reduce drásticamente la capacidad de la sangre de transportar oxígeno. Es responsable de la muerte de muchas personas en minas de carbón, incendios y lugares cerrados (garajes, habitaciones con braseros, etc.)

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Alrededor del 90% del que existe en la atmósfera se forma de manera natural, en la oxidación de metano (CH4) en reacciones fotoquímicas. Se va eliminando por su oxidación a CO2. La actividad humana lo genera en grandes cantidades siendo, después del CO2, el contaminante emitido en mayor cantidad a la atmósfera por causas no naturales. Procede, principalmente, de la combustión incompleta de la gasolina y el diésel en los motores de los vehículos. 2. Óxidos de Azufre Dióxido de Azufre (SO2) Importante contaminante primario. Es un gas incoloro y no inflamable, de olor fuerte e irritante. Su vida media en la atmósfera es corta, de unos 2 a 4 días. Alrededor de la mitad que llega a la atmósfera vuelve a depositarse en la superficie y el resto se convierte en iones sulfato (SO4). Por este motivo es un importante factor en la lluvia ácida. En conjunto, más de la mitad del que llega a la atmósfera es emitido por actividades humanas, sobre todo por la combustión de carbón y petróleo, y por la metalurgia. Otra fuente muy importante es la oxidación del H2S y, en la naturaleza, es emitido por la actividad volcánica. En algunas áreas industrializadas, hasta el 90% del emitido a la atmósfera procede de las actividades humanas, aunque en los últimos años está disminuyendo su emisión en muchos lugares gracias a las medidas adoptadas a favor del medio ambiente. Trióxido de Azufre (SO3) Contaminante secundario que se forma cuando el SO2 reacciona con el oxígeno en la atmósfera. Posteriormente este gas reacciona con el agua formando ácido sulfúrico, con lo que contribuye de forma muy importante a 101


la lluvia ácida y produce daños importantes en la salud, la reproducción de peces y anfibios, la corrosión de metales y la destrucción de monumentos y construcciones de piedra. Otros Algunos otros gases como el ácido sulfhídrico (H2S) son contaminantes primarios, pero normalmente sus bajos niveles de emisión hacen que no alcancen concentraciones dañinas. 3. Óxidos de Nitrógeno Incluyen el óxido nítrico (NO), el dióxido de nitrógeno (NO2) y el óxido nitroso (N2O), NOx (conjunto de NO y NO2) El óxido nítrico (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2) suelen considerarse en conjunto con la denominación de NOx. Son contaminantes primarios de mucha trascendencia en los problemas de contaminación. El emitido en más cantidad es el NO, pero sufre una rápida oxidación a NO2, siendo éste el que predomina en la atmósfera. NOx tiene una vida corta y se oxida rápidamente a NO3, en forma de aerosol o a HNO3 (ácido nítrico). Tiene una gran trascendencia en la formación del smog fotoquímico, del nitrato de peroxiacetilo (PAN) e influye en las reacciones de formación y destrucción del ozono, tanto troposférico como estratosférico, así como en el fenómeno de la lluvia ácida. En concentraciones altas produce daños a la salud, plantas y corroe tejidos y materiales diversos. Las actividades humanas que los producen son, principalmente, las combustiones realizadas a altas temperaturas. Más de la mitad de los gases de este grupo emitidos proceden del transporte. Óxido Nitroso (N2O) En la tropósfera es inerte y su vida media es de unos 170 años. Va desapareciendo en la estratósfera en reacciones fotoquímicas que pueden 102


tener influencia en la destrucción de la capa de ozono. También tiene efecto invernadero. Procede fundamentalmente de emisiones naturales (procesos microbiológicos en el suelo y en los océanos) y menos de actividades agrícolas y ganaderas (alrededor del 10% del total). 4. Compuestos Orgánicos Volátiles Este grupo incluye diferentes compuestos como el metano CH4, otros hidrocarburos, los clorofluorocarburos (CFC) y otros. Metano (CH4) Es el más abundante y más importante de los hidrocarburos atmosféricos. Es un contaminante primario que se forma de manera natural en diversas reacciones anaeróbicas del metabolismo. El ganado, las reacciones de putrefacción y la digestión de las termitas forman metano en grandes cantidades. También se desprende del gas natural, del que es un componente mayoritario, y de algunas combustiones. Asimismo se forman grandes cantidades de metano en los procesos de origen humano hasta constituir, según algunos autores, cerca del 50% del emitido a la atmósfera. Desaparece de la atmósfera a consecuencia, principalmente, de reaccionar con los radicales OH formando, entre otros compuestos, ozono. Su vida media en la tropósfera es de entre 5 y 10 años. Se considera que no produce daños en la salud ni en los seres vivos, pero influye de forma significativa en el efecto invernadero y también en las reacciones estratosféricas. La gran mayoría del metano emitido a la atmósfera procede de cuatro fuentes, en proporciones muy similares: la agricultura y ganadería, el tratamiento de residuos, el tratamiento y distribución de combustibles fósiles y las emisiones naturales que tienen lugar, sobre todo, en las zonas húmedas. 103


Otros hidrocarburos En la atmósfera están presentes muchos otros hidrocarburos, principalmente procedentes de fenómenos naturales, pero también originados por actividades humanas, sobre todo las relacionadas con la extracción, el refinamiento y el uso del petróleo y sus derivados. Sus efectos sobre la salud son variables. Algunos no parece que causen ningún daño, pero otros, en lugares donde se encuentran en concentraciones especialmente altas, afectan al sistema respiratorio y podrían causar cáncer. Intervienen de forma importante en las reacciones que originan el "smog" fotoquímico. Las emisiones de este tipo de compuestos proceden de procesos naturales que tienen lugar en los bosques (el 30%, aproximadamente), y del transporte por carretera (25%). CFCs (Clorofluorcarburos) Moléculas orgánicas formadas por átomos de Cl y F unidos a C. Por ejemplo CCl3F (Freón-11) o CCL2F2 (Freón-12). Se han utilizado mucho en los "fluidos", frigoríficos, etc. Son especialmente importantes por su papel en la destrucción del ozono en las capas altas de la atmósfera. 6. Partículas y Aerosoles En la atmósfera hay diversas sustancias suspendidas como partículas de polvo, polen, hollín (carbón), metales (plomo, cadmio), asbesto, sales, pequeñas gotas de ácido sulfúrico, dioxinas, pesticidas, etc. Se suele usar la palabra aerosol para referirse a la parte de estos materiales que es de menor tamaño, sean sólidos o líquidos. A los sólidos que forman parte del aerosol se les denomina partículas. Se suele llamar polvo a la materia sólida de tamaño un poco mayor (de 20 micras o más). El polvo tiende a ser un

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problema local, mientras que los aerosoles pueden ser transportados muy largas distancias. Según su tamaño pueden permanecer suspendidas en la atmósfera desde uno o dos días, las de 10 micrómetros o más; y hasta varios días o semanas las más pequeñas. Algunas de estas partículas son especialmente tóxicas para los humanos y, en la práctica, los principales riesgos para la salud humana por la contaminación del aire provienen de este tipo de polución, especialmente abundante en las ciudades. Aerosoles Primarios Los aerosoles emitidos a la atmósfera directamente desde la superficie del planeta proceden principalmente de los volcanes, la superficie oceánica, los incendios forestales, polvo del suelo, origen biológico (polen, hongos y bacterias) y actividades humanas. Aerosoles Secundarios Los aerosoles secundarios se forman en la atmósfera por diversas reacciones químicas que afectan a gases, otros aerosoles, humedad, etc. Suelen crecer rápidamente a partir de un núcleo inicial. Entre los aerosoles secundarios más abundantes están los iones sulfato, alrededor de la mitad de los cuales tienen su origen en emisiones producidas por la actividad humana. Otro componente importante de la fracción de aerosoles secundarios son los iones nitrato. La mayor parte de los aerosoles emitidos por la actividad humana se forman en el hemisferio Norte y como no se expanden por toda la atmósfera tan rápido como los gases, sobre todo porque su tiempo medio de permanencia en la atmósfera no suele ser mayor de tres días, tienden a permanecer cerca de sus lugares de producción. 105


Impacto sobre el Clima Los aerosoles pueden influir sobre el clima de una manera doble. Pueden producir calentamiento al absorber radiación o pueden provocar enfriamiento al reflejar parte de la radiación que incide en la atmósfera. Por este motivo, no está totalmente clara la influencia de los aerosoles en las distintas circunstancias atmosféricas. Probablemente contribuyen al calentamiento en las áreas urbanas y siempre contribuyen al enfriamiento cuando están en la alta atmósfera porque reflejan la radiación disminuyendo la que llega a la superficie. 6. Oxidantes Ozono (O3) (estratosférico y troposférico) El ozono es la sustancia principal en este grupo, aunque también otros compuestos actúan como oxidantes en la atmósfera. El ozono, O3, es una molécula formada por átomos de oxígeno. Se diferencia del oxígeno molecular normal en que este último es O2. El ozono es un gas de color azulado que tiene un fuerte olor muy característico que se suele notar después de las descargas eléctricas de las tormentas. De hecho, una de las maneras más eficaces de formar ozono a partir de oxígeno es sometiendo a este último a potentes descargas eléctricas. Es una sustancia que cumple dos papeles totalmente distintos según se encuentre en la estratósfera o en la tropósfera. Ozono estratosférico El que está en la estratósfera (de 10 a 50 km.) es imprescindible para que la vida se mantenga en la superficie del planeta porque absorbe las letales radiaciones ultravioletas que llegan del sol.

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Ozono troposférico El ozono que se encuentra en la tropósfera, junto a la superficie de la Tierra, es un importante contaminante secundario. El que se encuentra en la zona más cercana a la superficie se forma por reacciones inducidas por la luz solar en las que participan, principalmente, los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos presentes en el aire. Es el componente más dañino del smog fotoquímico, causa daños importantes a la salud cuando está en concentraciones altas y frena el crecimiento de las plantas y los árboles. En la parte alta de la tropósfera suele entrar ozono procedente de la estratósfera, aunque su cantidad e importancia son menores que el procedente de la parte media y baja de la tropósfera. Las concentraciones de ozono en la tropósfera por encima de Europa, los Estados Unidos y Canadá son por lo general entre tres y cuatro veces superiores a las de la era preindustrial, debido principalmente al enorme incremento de las emisiones de óxidos de nitrógeno procedentes de la industria y de los vehículos. 3.1. Contaminación Industrial Las centrales térmicas y otras industrias emiten la mayoría de las partículas y de los óxidos de azufre, además de cantidades importantes de otros contaminantes. Los tipos de industria más contaminantes, hablando en general, son la química, la metalurgia-siderurgia y la papelera. En definitiva, la quema de combustibles fósiles, petróleo y carbón es responsable de la mayoría de las emisiones y la industria química es la principal emisora de productos especiales, algunos muy dañinos para la salud. Otra fuente

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importante de contaminación atmosférica suele ser la destrucción de los residuos por combustión. Inicialmente es importante explicar las definiciones de algunos efectos de la contaminación. Smog La palabra inglesa smog (de smoke: humo y fog: niebla) se usa para designar la contaminación atmosférica que se produce en algunas ciudades como resultado de la combinación de unas determinadas circunstancias climatológicas y unos concretos contaminantes. A veces, no muy frecuentemente, se traduce por neblumo (niebla y humo). Hay dos tipos muy diferentes de smog: Smog Industrial: El llamado smog industrial o gris fue muy típico en algunas ciudades grandes, como Londres o Chicago, con mucha industria, en las que hasta hace unos años se quemaba grandes cantidades de carbón y petróleo pesado con mucho azufre, en instalaciones industriales y de calefacción. En estas ciudades se formaba una mezcla de dióxido de azufre, gotitas de ácido sulfúrico formado a partir del anterior y una gran variedad de partículas sólidas en suspensión, que originaba una espesa niebla cargada de contaminantes, con efectos muy nocivos para la salud de las personas y para la conservación de edificios y materiales. En la actualidad, en los países desarrollados, los combustibles que originan este tipo de contaminación se queman en instalaciones con sistemas de depuración o dispersión mejores y raramente se encuentra este tipo de polución, pero en países en vías de industrialización como China o algunos países de Europa del Este, todavía es un grave problema en algunas ciudades.

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Smog Fotoquímico: En muchas ciudades el principal problema de contaminación es el llamado smog fotoquímico. Con este nombre se refiere a una mezcla de contaminantes de origen primario (NOx e hidrocarburos volátiles) con otros secundarios (ozono, peroxiacilo, radicales hidroxilo, etc.) que se forman por reacciones producidas por la luz solar al incidir sobre los primeros.

Fig. 14. Formación del Smog Fotoquímico Fuente: Luis Echarra Universidad de Navarra

Esta mezcla oscurece la atmósfera dejando un aire teñido de color marrón rojizo cargado de componentes dañinos para los seres vivos y los materiales. 109


Aunque prácticamente en todas las ciudades del mundo hay problemas con este tipo de contaminación, es especialmente importante en las que están en lugares con clima seco, cálido y soleado, y tienen muchos vehículos. El verano es la peor estación para este tipo de polución y, además, algunos fenómenos climatológicos, como las inversiones térmicas, pueden agravar este problema en determinadas épocas ya que dificultan la renovación del aire y la eliminación de los contaminantes.

Fig. 15. Situación Normal Fuente: Luis Echarra Universidad de Navarra

En la situación habitual de la atmósfera, la temperatura desciende con la altitud, lo que favorece a que suba el aire más caliente (menos denso) y arrastre los contaminantes hacia arriba. 110


Fig. 16. Inversión Térmica Fuente: Luis Echarra Universidad de Navarra

En una situación de inversión térmica, una capa de aire más cálido se sitúa sobre el aire superficial más frío e impide la ascensión de este último (más denso), por lo que la contaminación queda encerrada y va aumentando. Las reacciones fotoquímicas que originan este fenómeno suceden cuando la mezcla de óxidos de nitrógeno e hidrocarburos volátiles emitida por los automóviles y el oxígeno atmosférico reaccionan, inducidos por la luz solar, en un complejo sistema de reacciones que acaba formando ozono. El ozono es una molécula muy reactiva que sigue reaccionando con otros contaminantes presentes en el aire y acaba formando un conjunto de varias decenas de sustancias distintas como nitratos de peroxiacilo (PAN), peróxido de hidrógeno (H2O2), radicales hidroxilo (OH), formaldehído, etc. Estas sustancias, en conjunto, pueden producir importantes daños en las plantas, irritación ocular, problemas respiratorios, etc. 111


Deposición Ácida: Algunas de las moléculas que contaminan la atmósfera son ácidos o se convierten en ácidos con el agua de lluvia. El resultado es que en muchas zonas con grandes industrias se ha comprobado que la lluvia es más ácida que lo normal y que también se depositan partículas secas ácidas sobre la superficie, las plantas y los edificios. Esta lluvia ácida ya no es el don beneficioso que revitaliza tierras, ríos y lagos; más al contrario, trae enfermedad y decadencia para los seres vivos y los ecosistemas. Algunas industrias o centrales térmicas que usan combustibles de baja calidad, liberan al aire atmosférico importantes cantidades de óxidos de azufre y nitrógeno. Estos contaminantes pueden ser trasladados a distancias de hasta cientos de kilómetros por las corrientes atmosféricas, sobre todo cuando son emitidos a la atmósfera desde chimeneas muy altas que disminuyen la contaminación en las cercanías pero la trasladan a otros lugares. En la atmósfera los óxidos de nitrógeno y azufre son convertidos en ácido nítrico y sulfúrico que vuelven a la tierra con las precipitaciones de lluvia o nieve (lluvia ácida). Otras veces, aunque no llueva, van cayendo partículas sólidas con moléculas de ácido adheridas (deposición seca). La lluvia normal es ligeramente ácida, por llevar ácido carbónico que se forma cuando el dióxido de carbono del aire se disuelve en el agua que cae. Su pH suele estar entre 5 y 6. Pero en las zonas con la atmósfera contaminada por estas sustancias acidificantes, la lluvia tiene valores de pH de hasta 4 o 3 y, en algunas zonas en que la niebla es ácida, el pH puede llegar a ser de 2,3, es decir pH similar al del zumo de limón o al del vinagre.

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Daños provocados por la Deposición Ácida Es interesante distinguir entre: a) Ecosistemas acuáticos.- En ellos está bastante demostrada la influencia negativa de la acidificación. Fue precisamente observando la situación de cientos de lagos y ríos de Suecia y Noruega, entre los años 1960 y 1970, en los que se vio que el número de peces y anfibios iba disminuyendo de forma acelerada y alarmante, cuando se dio importancia a esta forma de contaminación. La reproducción de los animales acuáticos es alterada hasta el punto de que muchas especies de peces y anfibios no pueden subsistir en aguas con pH inferiores a 5.5. Especialmente grave es el efecto de la lluvia ácida en lagos situados en terrenos de roca no caliza, porque cuando el terreno es calcáreo, los iones alcalinos son abundantes en el suelo y neutralizan, en gran medida, la acidificación; pero si las rocas son granitos, o rocas ácidas pobres en cationes, los lagos y ríos se ven mucho más afectados por una deposición ácida que no puede ser neutralizada por la composición del suelo. b) Ecosistemas terrestres.- La influencia sobre las plantas y otros organismos terrestres no está tan clara, pero se sospecha que puede ser un factor muy importante de la llamada "muerte de los bosques" que afecta a grandes extensiones de superficies forestales en todo el mundo. También parece muy probable que afecte al ecosistema terrestre a través de los cambios que produce en los suelos. En todo caso, se necesita seguir estudiando estos temas para conocer mejor cuáles pueden ser los efectos reales. c) Edificios y construcciones.- La corrosión de metales y construcciones es otro importante efecto dañino producido por la lluvia ácida. Muchos edificios y obras de arte situados a la intemperie se están deteriorando 113


decenas de veces más aprisa que antes de la industrialización y esto sucede por la contaminación atmosférica, especialmente por la deposición ácida. Cambio Climático y Efecto Invernadero El clima es variable. A lo largo de los 4.600 millones de años de historia de la Tierra las fluctuaciones climáticas han sido muy grandes. En algunas épocas el clima ha sido cálido y en otras ha sido frío, pasándose a veces bruscamente de unas situaciones a otras. Así, por ejemplo: Algunas épocas de la Era Mesozoica (225-65 millones años AP) han sido las más cálidas de las que tenemos constancia fiable. En ellas la temperatura media de la Tierra era unos 5ºC más alta que la actual. En los relativamente recientes últimos 1,8 millones de años ha habido varias extensas glaciaciones, alternándose con épocas de clima más benigno, similar al actual. A estas épocas se les llama interglaciaciones. La diferencia de temperaturas medias de la Tierra entre una época glacial y otra como la actual es de sólo unos 5ºC o 6ºC. Diferencias tan pequeñas en la temperatura media del planeta son suficientes para pasar de un clima con grandes casquetes glaciares extendidos por toda la Tierra a otro clima como el actual. Así se entiende que modificaciones relativamente pequeñas en la atmósfera, que cambiarán la temperatura media unos 2ºC o 3ºC, podrían originar transformaciones importantes y rápidas en el clima y afectar de forma muy importante a la Tierra y a nuestro sistema de vida. Efecto Invernadero Dentro de un invernadero la temperatura es más alta que en el exterior porque entra más energía de la que sale, por la misma estructura del habitáculo, sin necesidad de que se emplee calefacción para calentarlo. En el conjunto de la Tierra se produce un efecto natural similar de retención del calor gracias a algunos gases atmosféricos. La temperatura 114


media en la Tierra es de unos 15ºC y si la atmósfera no existiera sería de unos -18ºC. Se le llama efecto invernadero por similitud, porque en realidad la acción física por la que se produce es totalmente distinta a la que sucede en el invernadero de plantas. El efecto invernadero hace que la temperatura media de la superficie de la Tierra sea 33ºC mayor que la que tendría si no existieran gases con efecto invernadero en la atmósfera. ¿Por qué se produce el efecto invernadero? El efecto invernadero se origina porque la energía que llega del sol, al proceder de un cuerpo de muy elevada temperatura, está formada por ondas de frecuencias altas que traspasan la atmósfera con gran facilidad. La energía remitida hacia el exterior desde la Tierra, al proceder de un cuerpo mucho más frío, está en forma de ondas de frecuencias más bajas y es absorbida por los gases con efecto invernadero. Esta retención de la energía hace que la temperatura sea más alta, aunque hay que entender bien que al final, en condiciones normales, es igual la cantidad de energía que llega a la Tierra que la que ésta emite. Si no fuera así, la temperatura de nuestro planeta habría ido aumentando continuamente, cosa que, por fortuna, no ha sucedido. Se podría decir, de una forma muy simplificada, que el efecto invernadero provoca que la energía que llega a la Tierra sea "devuelta" más lentamente, por lo que es "mantenida" más tiempo junto a la superficie y así se produce la elevación de temperatura. Como se indica en la columna de acción relativa de la tabla 17, un gramo de CFC produce un efecto invernadero 15,000 veces mayor que un gramo de CO2, pero como la cantidad de CO2 es mucho mayor que la del resto de los gases, la contribución real al efecto invernadero es la que señala la columna de la derecha. 115


Tabla N°17 Gases con Efecto Invernadero

CO2 CFCs CH4 N2O

Acción relativa

Contribución real

(referencia) 15 000 25 230

76% 5% 13% 6%

Fuente: Luis Echarra Universidad de Navarra

Otros gases como el oxígeno y el nitrógeno, aunque se encuentran en proporciones muchos mayores, no son capaces de generar efecto invernadero. Aumento de la Concentración de Gases con Efecto Invernadero En el último siglo, la concentración de anhídrido carbónico y otros gases invernadero en la atmósfera ha ido creciendo constantemente debido a la actividad humana: • A comienzos de siglo, por la quema de grandes masas de vegetación para ampliar las tierras de cultivo. • En los últimos decenios, por el uso masivo de combustibles fósiles como el petróleo, carbón y gas natural, para obtener energía y por los procesos industriales. La concentración media de dióxido de carbono se ha incrementado desde unas 275 ppm antes de la revolución industrial, a 315 ppm cuando se empezaron a usar las primeras estaciones de medición en 1958, hasta 379 ppm en 2005. Los niveles de metano se han doblado en los últimos 100 años. En 1800 la concentración era de aproximadamente 715 ppb (partes por billón); en 2005 esta concentración subió a 1774 ppb. 116


El metano se crea por la descomposición de la materia orgánica que procede en gran parte de los vertederos, el ganado bovino y el resto del sector ganadero (pollos y cerdos). Los hidratos de metano, combinación congelada de metano y agua, se encuentran en grandes cantidades en el mar. Es posible que un cambio climático continuo pudiese liberar esas reservas congeladas de metano y añadir repentinamente mucho metano a la atmósfera, lo que agravaría los efectos de los gases de efecto invernadero, al mismo tiempo que provocaría un calentamiento global sin precedentes. La cantidad de óxido de dinitrógeno se incrementa en un 0.25% anual. En la época preindustrial sus niveles fueron de alrededor de 270 ppb y alcanzaron los 319 ppb en 2005. Contaminación Vehicular Los automotores liberan grandes cantidades de óxidos de nitrógeno, óxidos de carbono, sulfuros, hidrocarburos y partículas al quemar la gasolina y el diésel. Los motores de gasolina y los motores a diésel son las mayores fuentes de polución urbana. Los motores de gasolina emiten óxido nítrico NO y pequeñas cantidades de dióxido de nitrógeno NO2, monóxido de carbono CO y compuestos orgánicos que son no quemados o parcialmente quemados HC. Las cantidades de emisión dependen del diseño del motor y las condiciones de operación. La siguiente tabla muestra la cantidad de emisiones de un motor a gasolina.

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Tabla N°18 Emisiones de Escape de Motor a Gasolina NOx CO HC

500 a 100 ppm 1a2% 3000 ppm

20g/kg combustible 200 g/ kg combustible 25g/ kg combustible

Hace algunos años, cuando los motores tenían carburador, las emisiones eran mucho mayores, había pérdidas por el cárter, evaporación en los tanques de gasolina, no existía recirculación de los gases quemados y cuando se apagaba el motor todavía había evaporación en el depósito de los carburadores. Los vehículos no presentaban catalizadores que ahora permiten una combustión total de los gases de emisión. La siguiente tabla muestra una relación de la disminución de emisiones debido a mejoras realizadas en los motores de los vehículos: Tabla N°19 Emisiones de escape en g/milla

Año

CO

NOx

HC

1960* 84.0 4.1 10.6 1968 - 1971** 34.0 4.1 1972 - 1974 ** 28.0 3.1 3.0 1975 – 1976 15.0 2.0 1.5 1977 – 1979 15.0 2.0 1.5 1980 7.0 2.0 0.41 1981 - 1982 3.4 1.0 0.41 1983 - 1993 3.4 1.0 0.41 1994 - 1996 3.4 0.4 0.25 2004 -2006 1.7 0.2 0.125 * Valores típicos antes de regulaciones ** Ajuste a procedimientos de regulación de 1975 + TIER 1 Regulación federal de los EEUU

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Los motores a diésel son menos contaminantes que los motores a gasolina, sin embargo, el material particulado que emiten, aproximadamente entre 0.2 y 0.5 % de la masa del combustible, sale como pequeñas partículas de aproximadamente 0.1 micrón de diámetro conteniendo hollín e hidrocarburos no quemados. Las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados son una quinta parte de la que emiten los motores a gasolina. Actualmente las gasolinas y el diésel contienen azufre; la gasolina ≤ 600 ppm en peso y el diésel ≤ 0.5 %. El azufre es oxidado o quemado y se produce SO2 del cual una tercera parte puede ser oxidada formando SO3 que, combinado con el agua, produce ácido sulfúrico en aerosol. El uso de alcohol como combustible puede ser causante de la emisión de aldehídos que también son un contaminante. 3.2. Analizadores de Gases de Emisión9 Los gases, producto de la combustión, son los gases de salida obtenidos cuando un combustible se quema con aire en equipos de combustión tales como motores y calderas. Sobre la base de los gases de combustión se puede determinar la composición del combustible. Un combustible que tiene compuestos de carbono e hidrógeno genera gas de combustión que contiene óxidos de carbono y de hidrógeno debido a que el oxígeno en el aire se quema con componentes que liberan energía térmica resultante. En la construcción de calentadores, calderas, motores de combustión existe un tubo de escape o una chimenea por donde los gases de combustión calientes se expulsan a la atmósfera y por cuya composición y análisis volumétrico se 9

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001766/Temas/General/15_Analisis Gases.htm

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puede conocer cómo se está efectuando el proceso de combustión. Los analizadores de gases son los equipos que permiten conocer la composición y análisis volumétricos mencionados. Los procesos de combustión difieren mucho de los procesos ideales y la mejor manera de saber cómo está operando el equipo de combustión es a través de un analizador de gases, el cual proporcionará datos para el diseño y cálculo de la eficiencia de los equipos. Actualmente existen equipos digitales que determinan la composición volumétrica, la velocidad, temperatura de salida y flujos, variables que permiten al ingeniero manejar parámetros de diseño más objetivos en los equipos de combustión. Analizador de Orsat10:

Fig. 17. Analizador de Gases Orsat Fuente: Fundamentos de Termodinámica Van Wylen&Sonttag Edit. Limusa 1982 10

Fundamentos de Termodinámica Van Wylen&Sonttag Edit. Limusa 1982

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El aparato de Orsat que se muestra en la figura 17 es un dispositivo para efectuar el análisis de los productos de la combustión. En la actualidad, se dispone de medios más modernos y que se usan profusamente. En el aparato de Orsat se hace pasar sucesivamente por varias soluciones un volumen medido de los productos de combustión; cada solución absorbe determinado componente de manera que, si se mide el volumen antes y después de pasar por cada solución, la diferencia representará el volumen absorbido por ella, que corresponde al componente que la solución en cuestión es capaz de absorber. De esta manera se podrá determinar el análisis volumétrico de los gases de la combustión. El gas se introduce, subiendo o bajando la botella de nivelar que contiene agua y, en determinadas ocasiones, mercurio o salmuera. En detalle, el aparato funciona como sigue: la bureta medidora se llena con los productos de la combustión y su volumen se determina cuidadosamente. Se pasa luego el gas a la pipeta A que contiene hidróxido de potasio que absorbe el dióxido de carbono; el gas remanente se regresa a la bureta medidora y se determina su volumen; la diferencia con el volumen original representa el dióxido de carbono absorbido. De un modo semejante, se va haciendo pasar el resto por las pipetas B y C; la pipeta B contiene una solución de cloruro cuproso para absorber el monóxido de carbono. Si fuera necesario conocer otros productos, se dispondrían pipetas adicionales con los productos adecuados para absorberlos. El gas que no se absorbe se supone que es nitrógeno. El análisis volumétrico obtenido usando el aparato de Orsat es en base seca; esto es, el agua formada durante la combustión no aparece en el análisis; esto es así porque la determinación se hace a la temperatura ambiente, que es considerablemente inferior a la del punto de rocío de los 121


productos de la combustión de la mayoría de los hidrocarburos combustibles; además, el gas permanece saturado durante el análisis y éste tiene lugar a presión y temperaturas constantes. Utiliza el análisis de los productos de la combustión para determinar la relación aire-combustible efectiva. El principio básico que se tiene en cuenta es el de la conservación de la masa de cada uno de los elementos; así, al hacerse el cambio de reactivos a productos, se puede hacer balances de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno y de otros elementos que pudieran encontrarse. Puede advertirse, además, que existen relaciones definidas entre las cantidades de varios de esos elementos de modo que la relación entre el oxígeno y el nitrógeno suministrados con el aire es fija; y también lo es la relación entre el carbono y el hidrógeno si se conoce la composición del hidrocarburo combustible. Estos principios relacionados con el análisis de los productos de la combustión se apreciarán mejor a través del siguiente ejercicio: Ejercicio 3.2.1: Los productos de la combustión de un hidrocarburo combustible de composición desconocida dan el siguiente análisis en un analizador de Orsat: CO2 8.0%, CO 0.9%, O2 8.8% y N2 82.3%. Calcúlese: a) La relación Aire-Combustible. b) La composición del combustible en base másica. c) El exceso de aire teórico. Solución: 𝐶𝑎 𝐻𝑏 + 𝐴(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) → 8.0𝐶𝑂2 + 0.9𝐶𝑂 + 8.8𝑂2 + 𝐵𝐻2 𝑂 + 82.3𝑁2

Efectuando un sistema de ecuaciones para cada elemento se tiene: Para el C:

𝑎 = 8.0 + 0.9

Para el O2:

2𝐴 = 2 ∙ 8 + 0.9 + 2 ∙ 8.8 + 𝐵

Para el H2:

𝑏 = 2𝐵

Para el N2:

2 ∙ 3.76𝐴 = 2 ∙ 82.3

122


𝑎 = 8.9; 𝑏 = 18.55; 𝐴 = 21.89; 𝐵 = 9.2766 𝐶8.9 𝐻18.55 + 21.89(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) → 8.0𝐶𝑂2 + 0.9𝐶𝑂 + 8.8𝑂2 + 9.2766𝐻2 𝑂 + 82.3𝑁2 𝐴 𝐹𝑟𝑒𝑎𝑙

=

21.89 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐴𝑖𝑟𝑒 1 𝑚𝑜𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏 28.9 𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 5.047𝐾𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 ∙ ∙ = (8.9 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏 ∙ 12 + 18.55 ∙ 1)𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏 1 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑖𝑟𝑒 𝐾𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏

Ahora se halla estequiométrica:

la

ecuación

estequiométrica

y

relación

A/F

𝐶8.9 𝐻18.55 + 13.5325(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) → 8.9𝐶𝑂2 + 9.275𝐻2 𝑂 + 50.8822𝑁2 𝐴 13.53 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐴𝑖𝑟𝑒 1 𝑚𝑜𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏 28.9 𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 3.12𝐾𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 = ∙ ∙ = (8.9 ∙ 12 + 18.55 ∙ 1)𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏 1 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑖𝑟𝑒 𝐹𝑆. 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏 𝐾𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏

Para determinar el porcentaje de exceso de aire se usa la función Lambda: 𝜆=

5.047 𝐾𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏. 3.12 𝐾𝑔 𝑠𝑖𝑟𝑒 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏

= 1.617

El exceso de aire es del 61.7%.

Analizador de Gases Vehiculares:

Fig. 18. Esquema de un Analizador de Gases por Rayos Infrarrojos

Este aparato se utiliza para lograr una completa sincronización del motor. Mide la composición de los gases del escape mediante su análisis y 123


comparación con una muestra base, a partir de la cual se puede determinar la composición porcentual volumétrica de los gases tomados del motor que se quiere sincronizar. Las partes constitutivas generales de esta máquina son:         

Emisor de rayos infrarrojos Lentes Cámara de gases para muestra patrón Cámara para muestra de gases Compresor Aguja para toma de datos Tubo para escape del automóvil Captadores de rayos infrarrojos Comparador

El funcionamiento de ésta máquina se desarrolla de la siguiente manera: Los tubos emisores de rayos infrarrojos proyectan éstos a través de unos lentes que se seleccionan de acuerdo a la sustancia que se quiere determinar (CO2, CO, HC, O2); luego el rayo difractado pasa a través de las cámaras de gases y es proyectado sobre un dispositivo sensor. De manera paralela sucede un proceso similar pero en una cámara de gases donde está contenida la muestra patrón, que también es proyectada sobre el sensor. De estos sensores parten datos que son comparados y que arrojan los datos finales que son leídos en el tablero del aparato. La gran contaminación ambiental en el mundo ha obligado a tomar medidas para limitar su aumento, por lo cual los estándares de emisión vehicular se han vuelto más estrictos y los de control más sofisticados, 124


haciendo obsoletos los analizadores no infrarrojos ya que éstos no pueden medir las concentraciones de CO e HC, además de presentar inexactitudes en la medición de los otros compuestos. Los productos medidos por este analizador de gases son los siguientes: Monóxido de Carbono (CO): Este es un subproducto de la combustión sin olor y tóxico. Se presenta por la combustión incompleta causada por el exceso de combustible en la mezcla aire–combustible; éste aumenta cuando se presentan mezclas muy ricas. Las causas para la presencia de un alto nivel de CO son:     

Mezcla muy rica de combustible. Baja velocidad de marcha en ralentí o mínima. Avance de chispa incorrecto. Fallas en el analizador de gases. (Sistema PCV, filtro sucio, etc.) Estrangulador de aire defectuoso (Choke).

Hidrocarburos (HC): Son consecuencia de la combustión incompleta que se produce cuando la mezcla dentro del cilindro llega a las paredes de éste y se apaga dejando combustible sin quemar. Se mide en partes por millón en volumen. El exceso de HC en vehículos se debe a fallas o defectos mecánicos, eléctricos (mala ignición) o en el carburador o sistema de inyección. Oxígeno (O2): Este es uno de los mejores indicadores de la forma en que se realiza la operación en el motor. Indica la cantidad de oxígeno residual a la salida del escape, luego de la quema. La lectura se da en porcentaje de volumen. 125


El O2 residual aumenta en forma directamente proporcional con la relación aire-combustible hasta un límite en que la mezcla es incombustible. En mezclas ricas en combustible, la lectura del O2 residual será baja pero la lectura de CO será alta. Por lo cual es indispensable disponer de ambas. Dióxido de Carbono (CO2): Al igual que los anteriores, es un producto de la combustión. En bajas concentraciones no es tóxico ya que es procesado por las plantas. Se mide en porcentajes de volumen. En las siguientes gráficas se puede observar el comportamiento de emisión de los gases de escape en función de relación aire-combustible:

Fig. 19. Comportamientos de los Gases de Escape con Base en la Relación Aire-Combustible Fuente: Internal Combustion Engines Fundamentals John B. Heywood McGraw Hill

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Se puede apreciar que, cuando la relación aire-combustible es cercana a la estequiométrica, la emisión de los gases contaminantes como los hidrocarburos y el monóxido de carbono son bajos, aunque por las altas temperaturas los óxidos de nitrógeno también se incrementan, pero el consumo de combustible será menor por cuanto la mayor parte de éste se convierte en agua y dióxido de carbono. Analizador de Gases para la Industria: Una muestra de gas puede ser analizada por diferentes elementos y compuestos usando un analizador de rayos infrarrojos. Este equipo mide las diferentes longitudes de onda que los gases absorberán en un proceso de radiación para luego ser identificadas. Cada sustancia tiene su único espectro que hace del análisis muy seguro. El equipo está compuesto de dos cámaras las cuales analizarán y detectarán los componentes en los gases. La primera cámara sirve para medir las longitudes de onda y la otra cámara se usa como una referencia de comparación. El detector se fija con un filtro óptico el cual obstruirá otras longitudes de onda que no se estén midiendo. Existen diferentes versiones de este tipo de analizadores y están hechos para ser usados en plantas y fábricas de diferentes industrias. Los analizadores pueden ser instalados directamente en los sistemas de emisión de una fábrica para tener registros en tiempo real. Los mejores equipos operan con un solo rayo bajo el principio de longitud de onda dual. Se puede medir hasta seis gases al mismo tiempo. En aplicaciones industriales los analizadores se usan en calderos, incineradores de basura y hornos. En algunos países la toma de datos y su registro es obligatorio. 127


Los instrumentos analizadores electrónicos de emisiones portátiles son ideales para el monitoreo de emisiones, mantenimiento y puesta a punto de los procesos de combustión, incluyendo motores de calderas, quemadores, gas y diésel, turbinas, calderas, hornos, calentadores, incineradores y análisis de laboratorio. Estos equipos miden diferentes tipos de gases tales como O2, CO, NO, NO2, SO2, H2S, CO2 e hidrocarburos CxHy. Las concentraciones de estos gases son establecidas de acuerdo a las regulaciones ambientales de los organismos de gobierno para tales fines. 3.3. Limpieza de Gases Industriales Algunas plantas municipales de incineración en países desarrollados tienen unidades de tratamiento de los gases, producto de la combustión, cuyo objetivo es limpiar los contaminantes producidos. Cada tonelada de residuos incinerados produce contaminantes sólidos, como metales pesados y polvo. Estas plantas generan gases de combustión, principalmente monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx), dióxido de azufre (SO2 ), óxido nitroso (N2O), ácido clorhídrico (HCl) y ácido fluorhídrico de hidrógeno (HF), entre otros. Existen combinaciones de varios sistemas de limpieza para proporcionar un sistema de tratamiento general a los gases de combustión: Remoción de Partículas El primer paso en el tratamiento de los gases de combustión consiste en la eliminación de las partículas sólidas, cuyo tamaño oscila entre 1 micrón hasta 1 mm. Algunas de las prácticas comunes son hoy en día el uso de ciclones, filtros de tela o precipitadores electrostáticos.

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Fig. 20. Esquemas de Limpiadores de Gases de Combustión

Ciclón: En el interior del ciclón, el gas se arremolina alrededor de un tubo sumergido y las partículas se deslizan por la inercia de la pared del cilindro, desde donde pasan a la sección cónica en la parte inferior, mientras que las salidas de gas limpio son a través de la parte superior. Precipitadores Electrostáticos: Los precipitadores electrostáticos utilizan alto voltaje para cargar eléctricamente las partículas contenidas en el gas de combustión por medio del contacto con iones y electrones. Una vez que las partículas están cargadas, se dirigen hacia el electrodo de precipitación. Cuando el proceso está terminado, se suspende el suministro de energía y un martillo golpea el precipitador para empujar el polvo hacia abajo. Filtros de Tela: Los filtros de tela funcionan como una aspiradora doméstica. El gas de combustión pasa a través de un filtro que permite que el aire fluya a través de él, pero conserva el material particulado. Las partículas permanecen en el filtro hasta que éstos se soplan con aire comprimido en la 129


dirección opuesta, limpiando el filtro y haciendo que el polvo caiga para luego ser removido. Remoción de Contaminantes Gaseosos Una vez que se retira el material particulado, los contaminantes gaseosos deben ser eliminados. Todas las tecnologías actuales para la eliminación de los gases se basan en cualquiera de los procesos de absorción o adsorción. Por absorción se entiende que el gas de combustión se mezcla con aditivos que reaccionan y transforman los gases contaminantes en productos no contaminantes, mientras que en los procesos de adsorción de las moléculas del contaminante los gases se adhieren a la superficie de otro material, permaneciendo los contaminantes unidos y permitiendo que el gas limpio fluya. La eliminación de los contaminantes ácidos y alcalinos se hace por medio de lavadores de gases, los cuales pueden funcionar de tres maneras: en húmedo, mojado o seco. Lavadores Húmedos En un depurador húmedo, el gas de combustión se introduce en una solución de agua, peróxido de hidrógeno, y/o reactivos (por ejemplo, solución de hidróxido de sodio). El producto de reacción es acuoso. La solución de lavado es fuertemente ácida (típicamente pH 0 a 1) debido a los ácidos que se forman en el proceso de deposición. El HCl y HF se eliminan principalmente en la primera etapa del lavado húmedo. El efluente de la primera etapa se recicla muchas veces, con una pequeña adición de agua fresca y una purga del lavador para mantener la eficiencia de eliminación de gas ácido. En este medio ácido, la deposición de SO2 es baja, por lo que se requiere una segunda etapa de lavado para su eliminación. La eliminación de dióxido de azufre se logra en una etapa de lavado controlado a un pH cercano a neutro o alcalino (generalmente pH 6 - 7) en el 130


que se añade una solución de sosa cáustica o lechada de cal. Por razones técnicas esta eliminación tiene lugar en una etapa de lavado separado en el que, además, se produce la eliminación adicional de HCl y HF. Lavadores Húmedos y Secos Estos depuradores húmedos-secos, a diferencia de los depuradores húmedos, no saturan el flujo de gases de combustión que se está tratando. Este tipo de depuradores usa un sistema de aspersión de un agente de absorción acuosa en el gas de combustión, la solución de agua se evapora y los productos de reacción son sólidos que se pueden filtrar. La siguiente figura muestra el funcionamiento de un lavador húmedo-seco típico.

Fig. 21. Depurador Húmedo–Seco

Depuradores Secos En los procesos de absorción seca no se utiliza la dilución en agua. En cambio, el gas de combustión pasa a través de un polvo fino y seco, los productos de reacción sólidos generados tienen que ser eliminados después de la corriente de gas de combustión por un filtro como se muestra en la figura 22. Los agentes de absorción típicos utilizados son el hidróxido de 131


calcio (Ca (OH)2), comúnmente conocido como cal, y bicarbonato de sodio. La proporción de cal es típicamente dos o tres veces la cantidad estequiométrica de la sustancia que se deposita; con bicarbonato de sodio la proporción es inferior.

Fig. 22.

Depurador Seco

Remoción de los NOx Los óxidos de nitrógeno son destruidos ya sea por reducción no catalítica selectiva (SNCR) o por reducción catalítica selectiva (SCR). En el proceso SNCR se aplica urea seca (CO (NH2) 2) o amoníaco (NH3) como agentes reductores directamente en un horno a temperaturas entre 900 y 1050 °C. Los agentes reductores reaccionan con los óxidos de nitrógeno para formar agua y nitrógeno. El proceso reductor SCR tiene lugar en un catalizador, a temperaturas entre 200 y 400 °C. Una mezcla de amoníaco y aire reaccionan con el gas de combustión para formar oxígeno y agua. El módulo SCR debe ser instalado después de que el material particulado y los gases ácidos hayan sido eliminados. El sistema SNCR puede alcanzar tasas de reducción hasta de un 70%, mientras que el sistema SCR puede alcanzar hasta un 85%. 132


CAPÍTULO 4 4.

Quemadores

Los quemadores son equipos que se usan para combustionar o quemar un combustible con un oxidante (comúnmente el aire) para convertir la energía química del combustible en energía térmica. Los quemadores ayudan a tener un proceso de combustión controlado y eficiente. Según sea el tipo de combustible utilizado, los quemadores se clasifican en quemadores de gas, quemadores de combustibles líquidos y quemadores de sólidos. 4.1. Quemadores de Combustibles Gaseosos11 Son los equipos que permiten realizar la reacción de combustión entre el combustible gaseoso y el comburente de manera controlada y regulable. Es decir, aseguran la aportación adecuada de ambos para conseguir la potencia calórica especificada y distribuyen la zona de reacción (llama) y la circulación de los productos de combustión de modo que se transfiera a la carga de manera eficiente el calor producido. Debido a la limpieza de los gases y a que el combustible ya está atomizado antes de entrar al quemador, el proceso de combustión en quemadores a gas no requiere gran preparación previa. Los quemadores a gas son los se queman con menos exceso de aire, lo que permite obtener mayores rendimientos. 11

Grupo de ciencia y tecnología del gas. facultad de Ingenierías. Universidad de Antioquia

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Un quemador a gas debe ser diseñado y construido para que, durante su operación, cumpla de manera óptima y eficiente las siguientes funciones:  Suministrar la cantidad adecuada de combustible gaseoso para alcanzar la potencia térmica especificada.  Permitir la regulación de los caudales de aire y gas.  Mezclar homogéneamente el gas y el aire, y conseguir que la mezcla se encuentre dentro de los límites de inflamabilidad.  Garantizar una combustión higiénica, esto es, sin emisión de monóxido de carbono, óxidos nitrosos ni producción de hollín.  Garantizar la estabilidad de llama, es decir, impedir la ocurrencia de reflujo de llama y desprendimiento de llama.  Encausar el calor generado durante la combustión de tal forma que pueda ser transferido en la mayor cantidad posible a la carga.  Dar a la llama un poder de radiación adecuado.  Dar a la llama las dimensiones apropiadas a las del recinto donde se efectúa la combustión.  Operar de manera silenciosa.

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4.1.1. Clasificación de los Quemadores Tabla N°20 Clasificación de Quemadores

Según Presión de Suministro

Según el Punto de Mezcla

Según el Suministro de aire

Presión Baja: Cuando la presión de suministro es menor o igual a 0.1 bar (100 mbar). A esta condición el gas puede tratarse como un fluido incompresible. Presión Intermedia: Cuando la presión de suministro es mayor de 0.1 bar y menor que la presión crítica, (la presión crítica es la presión a la cual una corriente de gas en expansión alcanza la velocidad del sonido, esta presión es característica de cada gas combustible) el gas no se considera incompresible. Presión Alta: Cuando la presión de suministro es mayor que la presión crítica*. El gas no se considera incompresible. *Presión Crítica: G. N. 0.741 Bar, GLP 0.8144 bar Quemadores de mezcla previa o premezcla. El gas y el aire primario se mezclan previamente en un mezclador antes de llegar a la zona de combustión. El aire secundario se aporta desde la atmósfera a la zona de combustión por difusión. Quemadores sin mezcla previa o llama de difusión. En estos quemadores el aire y el gas son suministrados separadamente a la zona de combustión. La mezcla de combustible-oxidante y la combustión son simultáneas. Aplicación principal en calderas. Quemadores de aire forzado. El aire es suministrado por medio de un ventilador. Los quemadores asistidos por ventilador generalmente suministran el aire total en la premezcla originando una llama corta, con una combustión higiénica cuando opera con una rata de aire de 1.05 a 1.1. El quemador de aire forzado se aplica en situaciones en las que se requiere un gran exceso de aire en la combustión, o cuando la caída de presión a la salida del quemador es alta, o también cuando se requiere garantizar una combustión limpia. El gas es inyectado aguas abajo, el cual se mezcla con el aire por turbulencia y el ventilador induce la corriente de la mezcla.

135


Según Presión de Trabajo con respecto a la Presión Atmosférica

Quemador de aire inducido. El aire atmosférico es arrastrado por la corriente de gas; al expandirse ésta desde el inyector, su velocidad aumenta y la presión decrece, creándose una zona de presión negativa lo que permite la inducción de aire. Quemador de aire inductor. Si existe disponibilidad de aire comprimido para alimentar al quemador, puede ser usado para inducir la corriente de gas, que inicialmente se encuentra a presión atmosférica. Cuando se requieren grandes relaciones másicas de aire- combustible, este tipo de quemador garantiza una operación fácil y puede alcanzarse variaciones de rata de flujo de 1 a 5 para una relación constante de aire a gas. Para este sistema de inducción no se hace uso de la energía de presión del gas en la línea, usualmente se requiere de un gasto de energía para comprimir el aire. El gas inducido puede estar a una ligera presión diferente a la atmosférica para evitar cualquier infiltración accidental mientras el quemador está apagado. Este método presenta seguridad que no existe en los quemadores donde el fluido motriz es el gas. Quemadores atmosféricos. La combustión tiene lugar en una zona a presión atmosférica. Esta es la situación que se presenta en los quemadores domésticos. Quemadores no atmosféricos. La combustión tiene lugar en cámaras herméticas. Esta situación se presenta en quemadores que funcionan en recintos cerrados donde la presión está por encima o por debajo de la atmosférica.

Fuente: Grupo de Ciencia y Tecnología del GasFacultad de Ingenierías. Universidad de Antioquia

136


Quemadores Atmosféricos

Quemadores de Aire Forzado

Fig. 23. Quemadores Atmosféricos y Quemadores de Aire Forzado

Diseño de Quemadores Atmosféricos El quemador atmosférico es un tipo de quemador con llama de premezcla y aire inducido; es muy común y, considerando que tiene aplicaciones domésticas, comerciales e industriales, se dará particular énfasis a su diseño.

137


Fig. 24. Quemador Atmosférico y sus partes constitutivas

4.1.2.

Parámetros de Diseño de un Quemador Atmosférico.

Potencia Teórica del Quemador: Es la cantidad de calor por unidad de tiempo que se obtiene del quemador en el proceso de combustión y se define por: 𝑄̇𝑆 = 𝑉̇ ∙ 𝑃𝐶𝑆

Donde:

(4.1.2.1)

𝑄̇𝑆 es

el calor suministrado o Potencia teórica del quemador (kw) 3 𝑉̇ es el flujo volumétrico del gas combustible (m N/s en condiciones Normales) 3 𝑃𝐶𝑆 es el poder calorífico superior (KJ/m N). Nótese que también se puede usar el PCI en similares unidades.

138


Potencia Específica: Se define como la relación entre la potencia útil del quemador y el área total de salida de la mezcla aire-combustible en la cabeza del quemador, esto es: 𝑄̇𝑒 =

Donde:

𝑄̇𝑈 𝐴𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

(4.1.2.2)

es la Potencia específica (kw/cm2) 2 𝐴𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 es el área de salida de la cabeza del quemador (cm ) 𝑄̇𝑈 es la potencia útil del quemador (kw) 𝑄̇𝑒

Rango de Funcionamiento: Es la relación entre la Potencia máxima y la Potencia mínima en que el quemador trabaja con estabilidad, de manera limpia y sin mucho ruido. Tasa de Aireación Primaria: Es la relación entre el aire inducido (aire primario) que admite el quemador y el aire teórico. Queda definida por la siguiente expresión: 𝑇𝐴𝑖𝑟𝑒𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑎 =

Donde:

𝑉̇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑉̇𝐺𝑎𝑠 𝐶𝑜𝑚𝑏 ∙𝑉𝑆

(4.1.2.3)

es la Tasa de aireación primaria es el flujo de aire primario que entra al quemador (m3N/h) 𝑉̇𝐺𝑎𝑠 𝐶𝑜𝑚𝑏 es el flujo del gas combustible que alimenta al quemador (m3N/h) 3 𝑉𝑆 es el volumen teórico de aire estequiométrico (m N) que se puede obtener a partir de la relación 𝐴⁄𝐹𝑠 𝑇𝐴𝑖𝑟𝑒𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑉̇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜

139


Flexibilidad de Regulación del Quemador: Se define como la relación de las tasas de aireación extremas en las que el quemador funciona correctamente, es decir, combustión limpia, estabilidad de llama y sin generación de hollín. Eficiencia del Quemador:

Fig. 25. Eficiencia del Quemador

No toda la energía química que lleva el combustible es aprovechada por el quemador, ya que al no ser un proceso adiabático siempre existirán pérdidas. Dichas pérdidas se pueden cuantificar a través de la eficiencia, que es una relación entre la potencia útil desarrollada por el quemador y la potencia que entra al quemador: 𝜂=

𝑄ú𝑡𝑖𝑙 𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

(4.1.2.4)

Donde:

η es la eficiencia del quemador 𝑄ú𝑡𝑖𝑙 es la potencia del quemador obtenida de forma experimental, también denominada potencia útil. 𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎= 𝑉̇𝐺𝑎𝑠 𝐶𝑜𝑚𝑏 ∙ 𝑃𝐶𝑆

(4.1.2.5)

140


La eficiencia de los quemadores es afectada por los siguientes factores: -

-

La tasa de aire primario y el exceso de aire total. La geometría del quemador. Las condiciones de entrada de la mezcla gas-aire (presión temperatura y homogenización). El material del quemador, que incide en la adsorción de los transportadores de cadena, pudiéndose inhibir el proceso de combustión y también transmitir rápidamente el calor enfriando la mezcla. El ambiente donde se realiza la combustión, dado que la presencia de algunos compuestos (CO2 y H2O) reduce el contenido de oxígeno en el aire.

Características de la Flama en un Quemador Atmosférico:

Fig. 26.

Comportamiento de la Presión en un Quemador Atmosférico Fuente:http://www.registrocdt.cl/registrocdt/www/admin/ uploads/doctec/9351252421213133561c.08.04.01-8.pdf

141


En este tipo de quemadores el combustible y el aire primario se mezclan previamente antes de llegar a la zona de combustión. El calificativo de atmosférico se debe a que el aire primario es arrastrado desde la atmósfera por la corriente de gas, y también porque la combustión se realiza a presión atmosférica. El principio de funcionamiento fue desarrollado en 1855 por el químico alemán Robert Bunsen. Dependiendo del tipo de gas, las presiones de suministro en un quemador atmosférico oscilan entre 5 y 50 mbar. La mayoría de los artefactos domésticos, comerciales y algunos industriales emplean quemadores atmosféricos. El quemador atmosférico usa la presión de gas en la línea para aspirar el aire primario que se mezcla con éste antes de la zona de combustión.

Fig. 27. Tipos de Flamas

La mezcla de aire y combustible tiene lugar en un penacho constituido por varias capas (figura 27). La zona interna consiste de la mezcla airecombustible no quemada; la zona externa está constituida por los productos de combustión; la combustión toma lugar en la zona intermedia. El aire 142


adicional (aire secundario) es transportado desde la atmósfera por difusión a la zona intermedia suministrando el oxígeno requerido para completar la combustión. Para asegurar que un adecuado suministro de aire penetre la capa exterior, se requiere abundante cantidad de aire. Aunque el exceso de aire es necesario para asegurar una combustión completa, éste es indeseable debido a que absorbe calor y lo transporta a la atmósfera con los productos de combustión. Muchos artefactos de gas equipados con quemadores atmosféricos operan con un exceso de aire del 35 al 40%. Además de la emisión de monóxido de carbono como resultado de una combustión incompleta, cuando el nitrógeno está expuesto a radicales de oxígeno (oxígeno reactivo que se forma en el proceso de combustión) a alta temperatura, hay la tendencia a la formación de óxido de nitrógeno. Temperatura de llama de 1500ºC y abundancia de radicales de oxígeno hacen del quemador atmosférico un generador de NOx. Los quemadores atmosféricos permiten obtener muchos patrones de llama y una combustión generalmente limpia, lo cual ha hecho del quemador atmosférico un bastión importante para el crecimiento de la industria del gas. Sin embargo, los criterios de diseño para futuros artefactos de gas incluyen altas eficiencias y un mínimo de polución, requerimientos imposibles de lograr con los actuales quemadores atmosféricos.

143


4.1.3.

Cálculo del Inyector

Fig. 28. Inyector Seccionado

El inyector o pitón del quemador es el elemento principal por cuya sección se inyecta la cantidad de combustible necesaria para la combustión. Su diámetro, junto a la presión de inyección, el tipo de gas y la temperatura determinarán la cantidad de calor que se generará en la boca del quemador. A presiones bajas (𝑃 < 100 𝑚𝑏𝑎𝑟) , la compresibilidad de un gas es despreciable y la relación caudal-presión en el inyector está dada por la relación de Bernoulli haciendo analogía con un fluido no compresible:

Fig. 29. Esquema Bernoulli

144


𝑃1 + 𝜌𝑔𝑧1 +

𝑣1 2 𝜌 2

= 𝑃2 + 𝜌𝑔𝑧2 +

𝑣2 2 𝜌

(4.1.3.1)

2

Donde 𝜌 es la densidad del fluido, 𝑃1 y 𝑃2 son las presiones de los puntos 1 y 2 respectivamente. De igual modo 𝑣1 y y 2 respectivamente.

𝑣2

designan las velocidades del fluido en los puntos 1

Si se considera que 𝑃1 = 𝑃2 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 , la ecuación de Bernoulli queda como: 𝜌𝑔𝑧1 +

𝑣1 2 𝜌 2

= 𝜌𝑔𝑧2 +

𝑣2 2 𝜌 2

Por otra parte, por la ecuación de la continuidad: 𝑉1̇ = 𝑉̇2 ; 𝑣1 ∙ 𝐴1 = 𝑣2 ∙ 𝐴2

De donde

𝑣1 =

𝑣2 ∙𝐴2 𝐴1

, que a su vez se puede expresar en función de los

diámetros respectivos, es decir: 𝑑2 2 𝑣1 = 𝑣2 ( ) 𝑑1 Reemplazando

en la ecuación de Bernoulli se tiene: 𝑣2 = √

2𝑔(𝑧1 − 𝑧1 ) 𝑑

1 − ( 2)

4

𝑑1

Considerando que

𝑑1 ≫ 𝑑2

entonces

𝑑

4

( 1) ≈ 0 𝑑2

y sea

𝑧1 − 𝑧2 = ℎ ,

la

velocidad en el punto 2 será: v2 = √2gh

(4.1.3.2)

(Expresión conocida como Teorema de Torricelli) En la práctica, la sección mínima del flujo es inferior a la sección del orificio. Por otra parte, la fricción del fluido contra la pared provoca una 145


disminución de la velocidad del chorro. Para tomar en cuenta estos dos fenómenos se incluye en la ecuación un coeficiente de flujo K, entonces: 𝑉𝑔̇ = 𝐾 ∙ 𝐴 ∙ √2𝑔ℎ

(4.1.3.3)

Si ∆𝑃 = 𝜌𝑔ℎ, entonces: 2∆𝑃 𝑉𝑔̇ = 𝐾 ∙ 𝐴 ∙ √

(4.1.3.4)

𝜌

Si el área de la salida del inyector es, 𝐴 = 𝜋4 𝑑2 2 𝜋 2∆𝑃 𝑉𝑔̇ = 𝐾 ∙ 𝑑2 2 ∙ √ 4

(4.1.3.5)

𝜌

De esta última expresión se despeja el diámetro del pitón o inyector: ̇ 4𝑉𝑔

̇ 4𝑉𝑔

𝜌

𝑑2 = √ 2∆𝑃 = √ √ 𝑘𝜋 2∆𝑃 𝑘𝜋√

(4.1.3.6)

𝜌

Donde:

𝑑2 = 𝑑 es

el diámetro del inyector 𝑉𝑔̇ es el flujo volumétrico o caudal del combustible gaseoso 𝑘 es el coeficiente de descarga del inyector ∆𝑃 es la presión manométrica que alimenta al inyector 𝜌 es la densidad del gas en las condiciones ambientales

El valor de 𝑘 varía de acuerdo a la geometría del inyector como se muestra en la figura 30, que para los tipos más comunes de inyectores es igual a 0,8 y para di ≥ 2mm K=0.85.

146


Fig. 30. Coeficientes de Descarga Fuente: Combustión y Quemadores Manuel Márquez M. Edit. Marcombo 1989

4.1.4. Geometría del Quemador Atmosférico

Fig. 31. Geometría del Quemador Atmosférico

di diámetro del inyector dmáx diámetro máximo dg diámetro de garganta dS diámetro de salida dC diámetro de convergencia Lig distancia inyector - garganta Ld longitud del difusor 147


L1 longitud cono convergente L2 longitud pitón a cono convergente α ángulo de divergencia Diseño del Quemador Atmosférico Paso 1: El diseño del quemador se inicia a partir de la potencia del mismo. Algunos autores presentan la siguiente relación denominada Potencia unitaria12 que liga el flujo térmico con el área de salida del quemador en kw por cm2: 𝑄̇𝑢 = 1.0 𝑎 1.3 𝑄̇𝑢 = 0.7 𝑎 1

𝑘𝑊 𝑐𝑚 2

𝑘𝑊 𝑐𝑚 2

𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝐺𝑎𝑠 𝑁𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑙

𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑃𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜, 𝐵𝑢𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑦 𝐺𝐿𝑃

𝐴=

Donde:

𝑄̇𝑆 𝑄̇𝑢

(4.1.4.1) (4.1.4.2)

(4.1.4.3)

𝐴 es

la sección de salida la potencia suministrada al quemador en kW 2 ̇ 𝑄𝑢 es la potencia unitaria en kW/cm 𝑄̇𝑆 es

Conociendo el área se hallará el diámetro: 𝑑𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 = √

4𝑄̇𝑆

𝜋𝑄𝑢

(4.1.4.4)

Paso 2: Seguidamente se determina el diámetro de la garganta del Venturí o quemador a partir de la ecuación de continuidad y siguiente expresión que relaciona el flujo de gas y el flujo de aire: 12

Calentamiento Industrial Eléctrico y por Combustión Raúl H. Varetto Edit. Alsina 2011

148


𝑑𝑔 =

𝑑𝑖 𝑉̇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝜌 ( ̇ ) (√ 𝑎𝑖𝑟𝑒) 𝛽 𝑉𝑔𝑎𝑠 𝜌𝑔𝑎𝑠

(4.1.4.5)

Donde: 𝑉̇𝑎𝑖𝑟𝑒 es el flujo volumétrico del aire que induce el gas inyectado, sin embargo, en la combustión de quemadores atmosféricos tan sólo un 35 a 40% del aire calculado es el aire primario que entra al quemador, por lo tanto éste debe ser reducido en dicho porcentaje. ̇ es el flujo volumétrico del gas 𝑉𝑔𝑎𝑠 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 es la densidad del aire en las condiciones atmosféricas 𝜌𝑔𝑎𝑠 es la densidad del gas en las condiciones de entrada al inyector 𝛽 compensa las pérdidas de gasto y presión en el Venturí (𝛽 ≈ 0.75)

Paso 3: A continuación se halla la longitud del difusor usando la relación: Ld= 6 a 9 dg

(4.1.4.6)

Paso 4: Ahora se calcula la distancia inyector-garganta con la relación: Lig= 2.22 dg+15 mm

(4.1.4.7)

Estas dos últimas ecuaciones son relaciones experimentales. Paso 5: Las dimensiones determinadas son teóricas, sin embargo, deben ser reajustadas con la práctica experimental. Una guía de referencia práctica es seguir las siguientes relaciones geométricas recomendadas: 2.5dg
1.5 dg < dc < 2.5 dg

1.2 dg
L2
1.5 dg
L1 > di

La cámara y el tubo de mezcla forman dos conos, convergente y divergente. El cono divergente favorece la disminución de rozamiento con el 149


mejoramiento de la mezcla Aire-Combustible y disminución de la velocidad del fluido mezclado. Se recomienda evitar ángulos muy pronunciados (3.5 a 5°). El tubo de mezcla transforma la energía cinética en energía potencial (presión estática que debe ser mayor que la atmosférica para que el gas salga). Por ello el tubo debe ser largo y suavemente divergente. Ejercicio 4.2.3.1: Diseñar y especificar la geometría de un quemador atmosférico a Gas Natural cuya potencia útil es de 45000 Kcal/h, una presión de alimentación de 20 mbar. Un exceso de aire del 40%. Una eficiencia del 85%. El equipo opera a nivel del mar. El PCS del Gas Natural es de 10.8 kWh/m3N y el coeficiente de descarga del quemador es 0.75. Solución: 45000 Kcal/h representan 52.38 kW que divididos entre 0.85 da la potencia suministrada del quemador, es decir: 𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 61.62𝐾𝑊, potencia

que servirá para hallar el flujo volumétrico

del gas natural a partir del PCS: 𝑉̇𝐺𝑎𝑠 𝐶𝑜𝑚𝑏 =

𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 61.62𝑘𝑊 3 = = 5.71 𝑚 𝑁⁄ℎ 𝑃𝐶𝑆 10.8 𝑘𝑊 ∙ ℎ⁄𝑚3 𝑁

Con este valor se determinará el diámetro del inyector: 4𝑉̇ 𝜌 4 ∙ 5.71 0.6 √ 𝑑2 = √ √ =√ ∙ 1000 = 5.24𝑚𝑚 𝑘𝜋 2∆𝑃 3600 ∙ 0.9𝜋 2 ∙ 2000

Donde:

20 mbar = 2000 Pa = 2000 N/m2 y 1 N=1 Kg m/s2 3 𝜌 es 0.6 Kg/m para el Gas Natural. ∆𝑃 es

Se recomienda ser muy cuidadoso con la simplificación de las unidades. Ahora se determinará el diámetro máximo del quemador: 150


4∙61.62

𝑑𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 = √

𝜋∙1.15

=8.26

cm

Luego se determinará el diámetro de la garganta, pero antes se debe hallar el flujo volumétrico a partir de A/FS asumiendo que el Gas Natural está compuesto principalmente de metano CH4 𝐶𝐻4 + 2(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2 𝑂 + 7.52𝑁2 𝐴⁄ = 9.52 𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝐹𝑠 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐶𝐻4

; sin embargo, en la combustión de quemadores

atmosféricos tan sólo un 35 a 40% del aire calculado es el aire primario que entra al quemador, por consiguiente: 𝐴⁄ = 0.4∙9.52 𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝐹𝑅 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐶𝐻4

Por lo tanto

3.808 𝑣𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 1 𝑣𝑜𝑙 𝐺𝑎𝑠 𝑁𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑙

3 𝑉̇𝑎𝑖𝑟𝑒 = 3.808 ∙ 5.71 = 21.74 𝑚 𝑁⁄ℎ

El siguiente paso es determinar el diámetro de la garganta del quemador: 𝑑𝑔 =

3 𝑘𝑔 1.286 ⁄ 3 𝑑𝑖 𝑉̇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 5.24𝑚𝑚 21.74 𝑚 𝑁⁄ℎ 𝑚 ) = 36.05𝑚𝑚 ( ) (√ )= ( ) (√ 3 ̇ 𝑘𝑔⁄ 𝛽 𝑉𝑔𝑎𝑠 𝜌𝑔𝑎𝑠 0.75 5.71 𝑚 𝑁⁄ℎ 0.7 𝑚3

Se halla la longitud del difusor usando la relación: Ld= 6 a 9 dg Ld= 7.5x3.605 cm = 27.03 cm. Lig = 2.22 x 3.06 +1.5 = 9.5 cm Finalmente se hallan las demás recomendaciones experimentales.

dimensiones

cumpliendo

di = 5.24 mm

dmáx = 8.3 cm

dg = 3.6 cm

Ld = 27 cm

ds =6

Lig = 9.5

L1 = 6.5

L2 = 3

dc = 7 cm

α = 4.97°

las

151


4.2. Diseño de Quemadores de Tiro Forzado Los quemadores de Tiro Forzado, por lo general, son quemadores cuya alimentación de gas son mayores a 100 mbar y constan de un ventilador o turbosoplador auxiliar para inducir el aire primario de combustión. Esencialmente el quemador está compuesto por los siguientes subsistemas: 

Subsistema de alimentación de gas



Subsistema de alimentación de aire



Subsistema de ignición



Subsistema de seguridad o control de llama

Fig. 32. Partes Constitutivas de un Quemador de Tiro Forzado Fuente: http://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=10953

152


1.

Motor conductor de Ventilador

2.

Tablero de control

3.

Transformador para chispero

4.

Presostato (interruptor de presión de quemador de 1 etapa)

5.

Presostato (interruptor de presión de quemador de 2 etapas)

6.

Electrodos de encendido y barras ionizadoras (chisperos)

7.

Amortiguador de aire del ventilador

8.

Válvula solenoide (segunda etapa)

9.

Válvula solenoide de seguridad

10. Interruptor principal 11. Válvula solenoide (primera etapa) 12. Regulador de presión

Fig. 33. Diagrama de Flujo de Operación de un Quemador de Tiro forzado Fuente: http://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=10953

153


El diseño para estos quemadores es más simple que para los atmosféricos, puesto que una vez que se calcula el diámetro del inyector, la geometría no tiene mucha importancia ya que el aire será suministrado por un turbosoplador. El segundo paso, es saber escoger apropiadamente el ventilador o turbosoplador que va alimentar con el flujo de comburente o aire. Asimismo, se debe especificar apropiadamente los componentes de cada subsistema. 4.2.1. Determinación del Diámetro del Inyector Para determinar el flujo másico de combustible que fluye por un diámetro de inyector se utiliza la siguiente ecuación: 1

𝑚̇𝑐 = 𝑘𝐴𝑖

Donde:

1

𝛾− 𝛾 𝑃𝑎 𝛾 √ 𝑃 ⁄𝑃 𝑃0 𝜌0 [1 − ( 𝑎⁄𝑃 ) ] 0 0

(4.2.1.1)

es el flujo másico de combustible 𝐴𝑖 es la sección del inyector 𝐴 = 𝜋4 𝑑𝑖 2 𝑃𝑎 es la presión atmosférica si el gas es descargado a la atmósfera, sino será la presión absoluta a la salida del inyector. 𝐶 𝛾 = 𝑃⁄𝐶 es la relación entre los calores específicos del gas 𝑉 𝑚̇𝑐

𝑃0 es

la presión absoluta del gas en el inyector 𝜌0 es la densidad del gas en el inyector, función de

𝑓(𝑃0 , 𝑇0 )

154


4.3. Ventiladores y Turbosopladores de Quemadores

Fig. 34. Ventilador Centrífugo Fuente: Eclipse Combustion Engineering Guide

Los ventiladores para combustión se seleccionan por su capacidad volumétrica en m3N/h. Para determinar el ventilador adecuado que requiere un quemador primero se debe determinar la relación A/FS, y luego multiplicar por el porcentaje de exceso de aire recomendado entre 15 a 20%. Es muy importante tomar en cuenta la presión y temperatura del medio ambiente. Los ventiladores centrífugos son equipos que operan a volumen constante. A una velocidad rotacional dada generarán el mismo volumen independientemente de la densidad del aire. Un ventilador de ocho paletas o segmentos generará un flujo volumétrico igual a: 𝑉̇𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑁𝑉𝜔

(4.2.1.2)

155


Donde:

N es el número de paletas V el volumen del segmento (m3) 𝜔 la velocidad angular RPM, debido a que cada segmento se llenará y vaciará en cada vuelta del ventilador.

El volumen real generado es estrictamente función de la capacidad de carga volumétrica de la rueda y su velocidad; consecuentemente, si la densidad del aire es afectada por la presión, temperatura, o ambos, el ventilador generará un flujo másico diferente, pero igual flujo volumétrico. En Bolivia, en la mayoría de los casos, los ventiladores son importados y se debe hacer los ajustes necesarios para su uso en la altura puesto que estos ventiladores son especificados en condiciones Normales o Estándar (nivel del mar). Otro aspecto importante que se debe tomar en cuenta es la presión a la cual debe trabajar el turbosoplador. Esta presión debe incluir las pérdidas ocasionadas por el paso de válvulas y tramos de tuberías. La densidad del aire también afecta la presión desarrollada por el ventilador y su potencia consumida. A fin de efectuar los ajustes necesarios se recurrirá a las leyes de los ventiladores:

156


Leyes de los Ventiladores 1.

Efecto de la velocidad del ventilador en el Flujo, Presión y Potencia consumida

2.

Efecto de la Densidad del Aire en Flujo, Presión y consumo de Potencia

A)

Flujo vs. velocidad: el flujo varía directamente proporcional a la variación de la velocidad: 𝑉2̇ 𝜔2 = 𝜔1 𝑉1̇

A)

Flujo Volumétrico vs. Densidad: el flujo volumétrico permanece constante independientemente de la densidad. Si se quiere un flujo másico constante, entonces: 𝑉2̇ 𝜌1 = ̇ 𝑉1 𝜌2

B)

Presión vs velocidad: La presión cambia cuadráticamente con la velocidad: 𝑃2 𝜔2 2 =( ) 𝑃1 𝜔1

D)

Potencia vs velocidad: La potencia varía cúbicamente con la velocidad: 𝑃𝑜𝑡 2 𝜔2 3 =( ) 𝑃𝑜𝑡 1 𝜔1

Las leyes 1A, 1B y 1C son conocidas como la regla 1-2-3 de los ventiladores centrífugos.

C) Flujo másico vs. Densidad: El flujo másico varía en relación directa con la densidad o gravedad específica: 𝑚̇2 𝜌2 = 𝑚̇1 𝜌1 E)

Presión vs. Densidad: La presión varía directamente proporcional a la densidad o gravedad específica: 𝑃2 𝜌2 = 𝑃1 𝜌1

F)

Potencia consumida vs. Densidad: La potencia varía directamente proporcional a la densidad o gravedad específica: 𝑃𝑜𝑡2 𝜌2 = 𝑃𝑜𝑡1 𝜌1

157


Ejercicio 4.3.1: Un quemador a G.L.P. de tiro forzado tiene una potencia nominal de fábrica igual a 1000000 de Btu/hr a una presión de alimentación de aire de 20” de columna de agua, incluyendo pérdidas en tuberías y válvulas. Si el quemador se instala en la ciudad de La Paz a 3600 m.s.n.m., seleccionar un ventilador que permita que el quemador mantenga su potencia nominal. Solución:

1x106Btu/hr es igual a 293.0711 kW

Si se considera que el GLP es una mezcla volumétrica del 60% de propano y 40% de butano, su PCS será igual a: n

PCS = ∑ Xi PCSi = i

0.6 moles de C3 H8 2220kJ 0.4 moles de C4 H10 2877kJ ∙ + ∙ mol de GLP mol C3 H8 mol de GLP mol C4 H10

=

2482.8 kJ⁄ 2482.8kJ⁄ = 30.7kW h⁄ 3 mol GLP = 0.02246m3 m N ̇

293.0711𝑘𝑊 ̇ = 𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 30.7kW Con el dato anterior se halla el 𝑉𝑔𝑎𝑠 h⁄ 𝑃𝐶𝑆

m3 N

3 = 9.54 m N⁄ℎ

Ahora se hallará la A/FS: 0.6𝐶3 𝐻8 + 0.4𝐶4 𝐻10 + 5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) → 3.4𝐶𝑂2 + 5𝐻2 𝑂 + 18.8N2 𝐴⁄ = 5 ∙ 4.76 𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 23.8𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒⁄ 𝐹𝑠 𝑚𝑜𝑙 𝐺𝐿𝑃 𝑚𝑜𝑙 𝐺𝐿𝑃

Si el quemador requiere trabajar con un 15% de exceso de aire, entonces: 𝐴⁄ = 23.8𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒⁄ 𝐹𝑅 𝑚𝑜𝑙 𝐺𝐿𝑃 ∙ 1.15 = 27.4 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Referirse a Moles es referirse a volumen, por lo tanto, se puede concluir que:

158


𝐴⁄ = 27.4 𝑚3 𝑁 𝑎𝑖𝑟𝑒⁄ 𝐹𝑅 𝑚3 𝑁 𝐺𝐿𝑃

es la relación que permite determinar el flujo

volumétrico de aire que debe generar el ventilador: 𝑉̇𝑎𝑖𝑟𝑒 =

27.4 𝑚3 𝑁 𝑎𝑖𝑟𝑒 3 261.4 m3 Naire⁄ ∙ 9.54 m N⁄ℎ = ℎ 𝑚3 𝑁 𝐺𝐿𝑃

Aplicando la ecuación de flujo másico constante se halla el nuevo flujo volumétrico para la ciudad de La Paz con la densidad del aire en la ciudad de la Paz: 𝜌2 = 0.83 𝐾𝑔⁄𝑚3 y la densidad en condiciones normales es: 𝜌1 = 1.286 𝜌 1.286∙261.4 𝑚 𝑉̇2 = 1 ∙ 𝑉1̇ = = 402.11 𝜌2

402.11

𝑚3 ℎ

0.836

3

ℎ

𝐾𝑔 ⁄ 3 𝑚

para la ciudad de La Paz. En otras palabras,

de aire a 3600 m.s.n.m. tienen la misma masa que

261.4

m3 N h

a nivel

del mar. Ahora se debe ajustar la presión para el nuevo flujo volumétrico, tomando en cuenta que la densidad del aire es menor: 𝑉1 2 𝑉1 2 𝜌1 𝜌1 1.286 𝑃2 = 𝑃1 ∙ ( ) ( ) = ( ) 𝑃2 = 𝑃1 ∙ = 20" c. de a.∙ =29.9" 𝑐. 𝑑𝑒 𝑎. 𝑉1 𝑉1 𝜌2 𝜌2 0.86

Debido a que la presión generada por el ventilador disminuye con la densidad, entonces la presión que era a nivel del mar se debe aumentar a mayor altura para compensar dicha pérdida. 𝑃1 = 𝑃2 ∙

𝜌1 1.287 = 29.9 " 𝑐. 𝑑𝑒 𝑎.∙ = 44.74 " 𝑐. 𝑑𝑒 𝑎. 𝜌2 0.86

159


Por lo tanto, el ventilador debe ser capaz de generar por lo menos 𝑚3 402.11 de aire a una presión de 44.74 " 𝑐. 𝑑𝑒 𝑎. para satisfacer las necesidades ℎ de un quemador que opera a 3600 m.s.n.m. 4.3.1.

Clasificación de Ventiladores

Existen dos diseños básicos: 1. La configuración de flujo axial, la cual mueve el aire o gas en forma paralela al eje de rotación. 2. La configuración de flujo centrífugo o flujo radial, la cual mueve el aire o gas de forma perpendicular al eje de rotación. Clasificación por la forma como transita el Flujo del Ventilador 1. El ventilador centrífugo mueve un amplio rango de volúmenes. El rodete del ventilador puede tener hojas rectas o curvas; por lo general el motor está fuera del ventilador. 2. El ventilador de hélices mueve el aire desde un espacio cerrado a otro abierto o a la inversa en un amplio rango de volúmenes a baja presión. 3. Los ventiladores de ductos o tubos cilíndricos tienen una rueda de flujo axial y manejan presiones intermedias; las hojas pueden ser en forma de discos o helicoidales. 4. Los ventiladores de paletas alabeadas y axiales tienen una rueda de hojas guiadoras y un cilindro de paletas alabeadas, son de alta presión pero de flujo moderado. Fig. 35. Tipos de Ventiladores o Turbosopladores Fuente: Power Handbook McGraw Hill 1951

160


 Los ventiladores de flujo axial son usados para mover flujos grandes y bajas presiones o resistencias menores al flujo.  Los ventiladores de flujo centrífugo se usan donde se requiere mayor presión. Los ventiladores también pueden clasificarse de acuerdo a su presión máxima de trabajo: Tabla N°21 Clasificación de Ventiladores

Clasificación de Ventiladores por Presión máxima de Trabajo * CLASE I CLASE II CLASE III * Clasificación ASHRAE

9.34 mbar de presión 16.80 mbar de presión 30.5 mbar de presión Fuente: ASHRAE

4.3.2.

Potencia de un Ventilador

La cantidad de energía que requiere un ventilador depende de: 

El volumen de gas movido.



La presión estática del ventilador.



La resistencia contra la que trabaja el ventilador.



La eficiencia del ventilador.

161


Fig. 36. Diagrama Presión vs. Volumen de un Ventilador

Para entender mejor esta relación de energía se muestra en la figura 36 el diagrama P vs. V de un compresor de un ventilador típico. El trabajo que hace un ventilador tiene una mínima diferencia de presión comparada con el de un compresor. En el diagrama se observa que el volumen permanece virtualmente constante durante la fase de compresión; esto se debe a que el cambio en la densidad del gas es prácticamente despreciable con respecto a la entrada y la salida. Para efectos de cálculo de la potencia del ventilador, el cambio de volumen durante la fase de compresión puede tomarse como cero, de tal manera que el trabajo de un ventilador se puede expresar como: 𝑊𝐶 = ∆𝑃 ∙ 𝑉

Donde:

(4.3.2.1)

∆𝑃 es

el cambio de presión a lo largo del ventilador 𝑉 es el volumen desplazado

162


Si se considera un flujo volumétrico en lugar del volumen, el trabajo del ventilador se convertirá en potencia y estará afectado por una eficiencia mecánica. 𝑊̇𝐶 = ƞ𝜂 ∙ ∆𝑃 ∙ 𝑉̇

Donde:

(4.3.2.2)

es la potencia del ventilador en kW es la caída de presión expresada en Pa (pascales) 3 𝑉̇ es el flujo volumétrico en m /s 𝜂 es la eficiencia del ventilador que es dada por el fabricante o bien se puede asumir 𝜂ƞ = 0.3 𝑎 0.5 para ventiladores centrífugos pequeños 𝜂ƞ = 0.5 𝑎 0.7 para los medianos y 𝜂ƞ = 0.7 𝑎 0.9 para los grandes 𝑊̇𝐶 ∆𝑃

4.3.3.

Medición de la Presión y Velocidad en un Ventilador

Fig. 37. Medición de la Presión de un Ventilador Fuente: http://www.climabit.com/imagenes/ventila/aire2.jpg

Es común la medición de la presión de un ventilador con un manómetro simple haciendo uso de agua en un tubo transparente de poco diámetro y disponiéndolo como se muestra en la figura 37. La medición se hace en cm o pulgadas de columna de agua y esta presión comprende: 163


 La presión estática (B): es la diferencia de presiones entre la entrada del aire y la salida del ventilador más la fuerza ejercida contra las paredes de ductos y tuberías así como generada por el rozamiento.  La presión dinámica (A): es aquella generada por la energía cinética del gas.  La combinación de ambas presiones se define como la presión total (C), aquella que permite determinar la velocidad del gas en el flujo. Para determinar la presión del ventilador se debe usar la ecuación siguiente: (4.3.3.1)

𝑃 = 𝜌𝑔ℎ

Donde:

𝑃 es

la presión (Pa)

𝜌 es

la densidad del fluido en el manómetro (kg/m3)

ℎ es

la altura de la cota que se mide en el manómetro (m)

𝑔 es

la constante de aceleración (m/s2)

La velocidad del aire en el ducto se determina a partir de la presión dinámica usando la siguiente expresión: 𝑃𝑑 =

𝜌∙𝑣 2 2𝑔

𝑃𝑑 ∙2𝑔

, 𝑣=√

𝜌

(4.3.3.2)

y el flujo volumétrico de aire del ventilador será: 𝑉̇𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑣 ∙ 𝐴

Donde pruebas.

𝐴

(4.3.3.3)

es la sección del tubo conectado al ventilador usado para las

164


4.3.4.

Potencia Requerida de un Ventilador

La potencia necesaria para mover el fluido en el ventilador está dada por: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑉̇𝑎𝑖𝑟𝑒 ∙ 𝑃𝑇

Donde:

𝑉̇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑃𝑇

(4.3.3.4)

es el flujo volumétrico a lo largo del ventilador.

es la presión total.

4.4. Quemadores de Combustibles Líquidos

Fig. 38. Partes constitutivas de un Quemador de Combustibles Líquidos

Los quemadores de combustibles líquidos tienen su inicio en los barcos que cambiaron el carbón por el fueloil como fuente de energía, desde esos tiempos el diseño de estos equipos ha mejorado mucho pero el principio de operación permanece constante: 165


 Atomizar o pulverizar el combustible: es el exponer una mayor superficie de contacto del líquido con el aire para facilitar su vaporización antes del proceso de combustión. Un inyector o pitón de un quemador de líquidos cuyo flujo es de 2.3 L/h puede generar 50 millones de gotas de aceite por hora.  Mezclar el combustible con el aire necesario para la combustión. La forma de atomizar y mezclar sirve para clasificar básicamente los quemadores para líquidos: Quemadores de vaporización o gasificación (viscosidad inferior a 1.5 cSt a 10 ºC)  

Quemadores de emulsión (viscosidad hasta 4,5 cSt a 50 ºC)



Quemadores de pulverización



Por fluido auxiliar. (Viscosidad entre 3.5 cSt y 5 cSt a 50 ºC)



Mecánica centrífuga. (Viscosidad entre 5 cSt y 10 cSt a 50 ºC)



Mecánica por presión directa. (Viscosidad entre 1.5º cSt y 3 cSt a

50ºC) 

Pulverización neumática en todos los casos

4.4.1.

Quemadores de Vaporización o Gasificación

El elemento principal de todos los quemadores por vaporización es una cazoleta o cubeta formada por: • Taza o crisol • Difusor de aire Se distinguen entre quemadores de vaporización con: • Tiro natural • Ventilador 166


Campo de aplicación: • Combustibles con una viscosidad inferior a 1.5 cSt a 10ºC • Sólo alcanza hasta potencias de 35 kW • Bajo rendimiento • Elevada opacidad

Fig. 39.

Quemador de Vaporización: a) llama vertical b) llama horizontal

Fuente:http://www.dirind.com/dim/imagenes/clasificaciones/monografias/quemadores/quemadores_1.jpg

4.4.2.

Quemadores de Emulsión

Se emplean para reducir los efectos contaminantes de los combustibles pesados. Consisten en producir una emulsión del combustible líquido con el agua; al comenzar la combustión, una gota de emulsión produce la rápida evaporación de la fracción de agua contenida en ella, provocando el fraccionamiento de la gota en infinidad de partículas. Las características de este tipo de quemador son: 

Trabajar con exceso de aire reducido.



Reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno.



Reducir del SO3 a SO2. 167




Reducir los no quemados sólidos.



El principal inconveniente es el consumo suplementario de calor.

Fig. 40. Quemadores de Emulsión a Baja Presión Fuente:http://www.dirind.com/dim/imagenes/clasificaciones/monografias/quemadores/quemadores_3.jpg

4.4.3.

Quemadores de Pulverización por Fluido Auxiliar

La energía que se precisa para atomizar el combustible la aporta el fluido auxiliar: 

Aire o neumática (Viscosidad del combustible 3 – 5 cSt a 50 ºC)



Baja presión (0.1 a 0.5 atm)



Media presión (0.1 a 1.5 atm)



Alta presión (0.5 a 7 atm)



Vapor de agua (Viscosidad del combustible 5 – 8 cSt a 50ºC)

168


Fig. 41.- Quemador de Pulverización Neumática a baja presión de Mezcla Fuente:http://www.dirind.com/dim/imagenes/clasificaciones/monografias/quemadores/quemadores_5.jpg

4.4.4.

Quemador de Pulverización Mecánica Centrífugo

El combustible se impulsa a través de un eje hueco a una pieza troncocónica llamada copa, que gira a gran velocidad (3.000 a 4.000 r.p.m., normalmente). Al alcanzar el extremo de la copa, tiende a disgregarse en diminutas partículas. 169


Fig. 42. Quemador de Pulverización Mecánica Fuente:http://www.dirind.com/dim/imagenes/clasificaciones/monografias/quemadores/ quemadores_8.jpg

4.4.5. Directa

Quemadores de Pulverización Mecánica por Presión

Fig. 43. Quemador de Pulverización Mecánica por Presión Directa Fuente:http://www.dirind.com/dim/imagenes/clasificaciones/monografias/quemadores/quemadores_6.jpg

170


Son los quemadores más simples y de mayor uso en las instalaciones de climatización, calderos pirotubulares y hornos pequeños. Los componentes principales que integran un quemador de líquidos son:

Fig. 44. Esquema de la bomba y circuito de combustible de un quemador de fuelóleo modulante con una sola boquilla de pulverización

Fuente:http://www.dirind.com/dim/imagenes/clasificaciones/monografias/quemadores/ quemadores_7.jpg

- Bomba de Combustible: La función de la bomba y el circuito de combustible es poner en la boquilla de pulverización el combustible en la cantidad y en el estado (presión y temperatura) requeridos por el quemador en cada instante. La bomba de engranajes comprime el combustible a la presión necesaria para producir su atomización a la salida de la boquilla (7 a 14 kg/cm2 para el gasóleo y 17 a 25 kg/cm2 para fuelóleos, siendo lo usual 12 kg/cm2 para el gasóleo y 22 kg/cm2 para el fuelóleo). Son bombas volumétricas rotativas, normalmente de engranajes que dan pequeños caudales constantes y elevadas presiones. 171


- Inyector: También denominado chicler, pitón o tobera, este elemento es el punto final del circuito hidráulico o de combustible y su perfecto estado es fundamental para el buen funcionamiento de la combustión y por tanto del quemador. El combustible sometido a una gran presión es obligado a salir por un orifico pequeño después de haber recibido un movimiento de rotación. El movimiento de rotación se origina al obligar al combustible a pasar por una hélice antes de llegar al orificio de salida. La fuerte caída de presión que experimenta el combustible al salir se transforma en un aumento de velocidad, que origina la atomización del combustible. Parámetros a considerar en la selección:   

Forma del hogar Potencia térmica de la caldera Tipo de combustible

Fig. 45. Nomenclatura de Toberas Fuente:htpp//www.dirind.com/dim/imagenes/clasificaciones/monografias/quemadores/ quemadores_8.jpg

Las toberas se clasifican por el caudal de la boquilla en US gal/h, la forma y el ángulo de pulverización. 172


Cono de llama

Hueco

Semihueco

Lleno

Fig. 46. Ángulos de Pulverización de toberas Fuente:htpp//www.dirind.com/dim/imagenes/clasificaciones/monografias/quemadores/ quemadores_9.jpg

- Ventilador o Turbosoplador y circuito del aire: Aporta la cantidad de aire necesaria para la combustión en función del caudal de combustible. Aseguran una cierta calidad de este aire, imprimiendo una velocidad y una turbulencia que favorezca la mezcla homogénea. Debe vencer la contrapresión del hogar.

173


Fig. 47. Distribución del aire Fuente:htpp//www.dirind.com/dim/imagenes/clasificaciones/monografias/quemadores/ quemadores_10.jpg

- Motor: Su eje conduce la bomba y también el ventilador. La tensión de utilización puede ser monofásica o trifásica, según su potencia. - Obturador de Aire: Es la compuerta para regular el caudal de aire que se introduce en el circuito neumático por la acción del ventilador. En algunos casos es accionada por un servomotor o pistón hidráulico. - Programador o Caja de Control: Realiza las funciones de automatismo del quemador, para la secuencia de puesta en marcha, vigilancia de la continuidad de la combustión y seguridad de su funcionamiento en cuanto a prevención de explosiones. - Cabezal de Combustión: Es la parte del quemador donde se realiza la mezcla de combustible con el aire y se inicia la combustión. Sus variables son: los caudales que aportan, el 174


centrado del deflector de aire y la boquilla de pulverización, la distancia entre la salida de la boquilla y el deflector.

Fig. 48. Cabeza de Combustión Fuente:htpp//www.dirind.com/dim/imagenes/clasificaciones/monografias/quemadores/ quemadores_11.jpg

4.5. Quemadores de Combustibles Sólidos Este tipo de quemadores no es muy común en nuestro país donde el uso de diésel y Gas Natural predomina en sistemas de combustión, sobre todo en la industria. Muchos procesos industriales requieren de agua caliente a elevadas temperaturas y de vapor de agua a grandes presiones. Habitualmente, para conseguir esto la industria utiliza combustibles fósiles, con precios subvencionados y cada día más elevados con respecto a los precios internacionales. Considerando que en Bolivia se tiene un alto potencial de energía renovable y controlable como es la biomasa, la posibilidad del uso de este biocombustible en quemadores de sólidos para producir agua caliente y vapor se hace cada vez más necesaria. Representa una menor dependencia de fuentes energéticas fósiles, además de un considerable ahorro económico. 175


Un ejemplo del uso de la biomasa que se usa en Bolivia es para generar electricidad:



Bagazo de caña (ingenios azucareros)



Cáscara de castaña (distribuidora eléctrica de Riberalta)

Biomasa que podría ser utilizada en Bolivia para generar electricidad: 

Cáscara de girasol (aceiteras)



Aserrín (aserraderos)



Cáscara de arroz (beneficiadoras)

 Biogás (plantas de tratamiento de aguas, vertederos de basura, granjas, etc) El uso de la biomasa como energía primaria reporta los siguientes beneficios: 

Evita la dependencia energética de combustibles fósiles.



Disminuye las emisiones nocivas que crean el efecto invernadero.



Es limpia y moderna.



Genera un ahorro económico.

Un quemador de combustible sólido está básicamente compuesto por un hogar donde se produce la combustión, un alimentador del combustible, un sistema de inyección de aire que puede ser forzado o inducido y un sistema de extracción de los gases quemados. Las diferencias entre los diversos quemadores estriban en la forma de alimentación del combustible.

176


4.5.1.

Quemador de Sólidos con Alimentación Inferior

También denominados de crisol o afloración. Estas calderas disponen de un sistema de alimentación por afloramiento en la zona inferior. Un tornillo sinfín transporta la biomasa a través de un conducto hasta el quemador y la empuja al plato de combustión, como se observa en la figura 49.

Fig. 49. Quemador de Biomasa de Alimentación Inferior con Tiro Forzado Fuente: Agencia Extremeña de la Energía

4.5.2. Quemador de Sólidos con Alimentación Superior

Fig. 50. Quemador de Biomasa de alimentación superior Fuente: Agencia Extremeña de la Energía

177


Como se ve en la figura 50, el material sólido cae al lecho de la combustión mediante un conducto. Se consigue de este modo separar las zonas de almacenamiento de las de combustión. Sin embargo, la caída del combustible sobre el lecho de la combustión genera una combustión inestable y ocasiona una mayor liberación de polvo y no quemados que en otros tipos de alimentación. 4.5.3.

Quemadores de Sólidos con Parrilla Móvil

Este sistema se aplica en quemadores de mayor tamaño que permiten utilizar biomasa de calidad inferior y composición variable, con mayor contenido en humedad y cenizas. Este diseño se utiliza generalmente en calderas con una potencia superior a 500 KW, que normalmente utilizan como combustible astillas, corte, residuos agrícolas e, incluso, mezclas de composición variables. En la figura 51 se observa el esquema básico de este tipo de generadores.

Fig. 51. Quemador de Biomasa de parrilla móvil Fuente: Agencia Extremeña de la Energía

178


4.6. Sistemas de Encendido y Seguridad de Quemadores Sistemas de Encendido: Para que se inicie la combustión es necesario que se alcance la temperatura de inflamación. Esta temperatura mínima se puede alcanzar de las siguientes formas: 1. Forma natural: acercando una llama o algún objeto que aporte la energía necesaria. 2.

Automática, con los siguientes dispositivos:

Efecto piezoeléctrico: Se basa en la propiedad que tienen algunos cristales de producir una diferencia de potencial entre sus extremos al ser golpeados o presionados. Los cristales pueden ser: Cuarzo, turmalina, titanio básico, etc., los cuales están tallados de forma adecuada y sus extremos recubiertos por una deposición de cobre electrolítico.

Fig. 52. Chispero Piezoeléctrico Fuente: Dpto. Ingeniería Energética y Fluidomecánica E.T.S. de Ingenieros Industriales Universidad de Valladolid

179


Es un sistema autónomo, no necesita fuentes de energía externas. Es inofensivo, genera una tensión de 10 a 20 MV, pero de intensidad reducida, no produce interferencias eléctricas, es ligero y portátil, se incorpora a cualquier aparato, es robusto y no sufre deterioro por fricciones, sin embargo, este chispero es sólo aplicable a gases y es un sistema de encendido no continuo. Resistencia eléctrica: Este sistema se basa en la producción de calor por incandescencia, se sitúa a la salida del quemador. Suele trabajar con tensiones de 6 a 12 voltios, por lo que requiere un transformador.

Fig. 53. Chispero de Resistencia eléctrica Fuente: Dpto. Ingeniería Energética y Fluidomecánica E.T.S. de Ingenieros Industriales Universidad de Valladolid

Chispa eléctrica: El encendido por chispa eléctrica se consigue mediante una descarga eléctrica entre un electrodo o bujía y el propio quemador. La chispa puede ser generada por una bobina de inducción, por un condensador, por un oscilador de transistores, por un transformador de alta tensión, entre otros. 180


El sistema es continuo, mientras permanezca activado, su accionamiento es a distancia. El sistema no es autónomo, necesita corriente eléctrica para su funcionamiento. Presenta fragilidad de la resistencia y ésta está sometida de forma constante a la llama.

Fig. 54. Chispero Eléctrico de Salto de Chispa Fuente: Dpto. Ingeniería Energética y Fluidomecánica E.T.S. de Ingenieros Industriales Universidad de Valladolid

Sistemas de Seguridad: Se denominan dispositivos de protección y seguridad a aquellos elementos del quemador que tiene como objetivo evitar: a) Escapes de combustibles sin quemar. b) Funcionamientos defectuosos del aparato. Actuando en todos los casos sobre la válvula de combustible, impidiendo que el equipo se vuelva a poner automáticamente en servicio. Los principales componentes de protección y seguridad de un quemador son:

181


Detectores de llama: El detector de llama tiene como misión interrumpir la salida de combustible del quemador en caso de que se extinga la llama, los más utilizados son: 

Seguro Bimetálico de encendido:

Consiste en aprovechar la dilatación de una tira bimetálica en presencia de fuego o calor para accionar o desactivar la válvula de alimentación de combustible.

Fig. 55. Seguro Bimetálico de Encendido Fuente: Dpto. Ingeniería Energética y Fluidomecánica E.T.S. de Ingenieros Industriales Universidad de Valladolid



Seguro de encendido por Termopar:

Se basa en el efecto descubierto por Seebeck en 1821, de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuya unión se mantiene a distinta temperatura. Esta corriente es aprovechada como una señal que puede ser amplificada para accionar la electroválvula de alimentación de combustible al quemador. En caso de no haber fuego o calor el termopar no emitirá ninguna señal. 182




Célula fotoeléctrica:

Las células fotoeléctricas generan una diferencia de tensión entre sus bornes cuando están sometidas a la radiación luminosa.

Fig. 56. Seguro de Encendido por Célula Fotoeléctrica Fuente: Dpto. Ingeniería Energética y Fluidomecánica E.T.S. de Ingenieros Industriales Universidad de Valladolid



Célula Fotoconductora:

Las células fotoconductoras están compuestas por ciertas sustancias (selenio, silicio, sulfuro de talio, etc.) que tienen la propiedad de que la resistencia que presentan al paso de la corriente eléctrica es función de la radiación que reciben.

Fig. 57. Seguro de Encendido por Célula Fotoconductora Fuente: Dpto. Ingeniería Energética y Fluidomecánica E.T.S. de Ingenieros Industriales Universidad de Valladolid

183




Tubos de Descarga:

Consiste en un tubo de vidrio transparente que contiene dos electrodos y un gas a baja presión (Helio o Hidrógeno o Hidrógeno-Argón). El gas, al detectar las radiaciones ultravioletas de la llama, se ioniza y cierra el circuito eléctrico entre los electrodos.

Fig. 58. Seguro de Encendido por Célula Fotoconductora Fuente: Dpto. Ingeniería Energética y Fluidomecánica E.T.S. de Ingenieros Industriales Universidad de Valladolid

Presión de alimentación del combustible: En caso de que exista una caída de presión o sobrealimentación de la misma al quemador por parte del combustible, debe existir un dispositivo que regule tal situación y bloqueé el paso del combustible al quemador para evitar su mal funcionamiento. La diferencia entre la presión de distribución y la presión de servicio se mantiene mediante los reguladores de presión.

184


Fig. 59. Reguladores de Presión Fuente: Dpto. Ingeniería Energética y Fluidomecánica E.T.S. de Ingenieros Industriales Universidad de Valladolid

185


186


CAPÍTULO 5 5.

Generadores de Vapor

La utilización del vapor como fluido de trabajo, ya sea para transmitir trabajo mecánico (expandiendo vapor en una turbina) o para el uso de diferentes procesos industriales, es muy común debido a su alta capacidad térmica, a la facilidad que presenta para su manejo, a la disponibilidad de agua a bajo costo y a la posibilidad de reciclarlo. En la actualidad, los ciclos de vapor se utilizan ampliamente en procesos industriales en los que se requiere transmisión de calor, en la generación de energía eléctrica, en hoteles, hospitales, etc.

Un generador de vapor es un conjunto de equipos y aparatos que se combinan para producir vapor. El componente principal de un Generador de Vapor es la Caldera o Caldero Caldera: Es un intercambiador de calor cerrado en un recipiente metálico, destinado a producir vapor o calentar agua, mediante la acción del calor a una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la atmosférica. La transferencia de calor se realiza a través de una superficie de calefacción, formada por paredes y bancos de tubos. La superficie de calefacción es el área de una caldera que por un lado está en contacto con los gases y por el otro con el agua que se desea calentar y evaporar. Existe una gran variedad de tamaños: desde las domésticas para calefacción, hasta las que se usan en plantas termoeléctricas capaces de producir hasta 1250 Kg/s de vapor, a presiones de aproximadamente 17.5 a 28.0 MPa y temperaturas de sobrecalentamiento superiores a los 530 °C. 187


Comúnmente el fluido de trabajo en las calderas es el agua; sin embargo, también existen calderas de aceites térmicos que llegan a elevadas temperaturas, 200°C a 300°C sin que exista cambio de fase. 5.1. Clasificación general de las Calderas13 La clasificación general de las calderas está referida a diferentes aspectos funcionales y constructivos de las calderas: 1. De acuerdo a la posición de sus intercambiadores de calor: a) Horizontales b) Verticales 2. Atendiendo a su instalación: a) Fija o estacionaria b) Móviles o portátiles 3. Atendiendo a la ubicación del hogar: a) De hogar interior b) De hogar exterior 4. Atendiendo a la circulación de los gases: a) Recorrido en un sentido (de un paso) b) Con retorno simple (de dos pasos) c) Con retorno doble (de tres pasos) 5. Con respecto a su forma de calefacción: a) Con un tubo hogar (liso o corrugado) 13

Descripción de Calderas y Generadores de Vapor. Preparado por: Pedro Abarca Bahamondes. Revisado por: Walter DümmerOswald. Asociación Chilena de Seguridad

188


b) Cilíndrica sencilla de hogar exterior c) Con dos tubos hogares (liso o corrugado) d) Con tubo Galloway (calderas horizontales o verticales) e) Con tubos múltiples pirotubulares)

de

humo

(igneotubulares

o

f) Con tubos múltiples de agua (hidrotubulares o acuotubulares) g) Con tubos múltiples de agua y tubos múltiples de humo h) (acuopirotubular o mixtas) 6. De acuerdo a la presión del vapor que producen: a) De baja presión (hasta 2,0 kg/cm2) b) De mediana presión (sobre 2,0 kg/cm2 hasta 10 kg/cm2) c) De alta presión (sobre 10 kg/cm2 hasta 225 kg/cm2) d) Supercríticas (sobre 225 kg/cm2) 7. Con respecto al volumen de agua que contienen en relación con su superficie de calefacción: a) De gran volumen de agua (más de 150 L x m2 de superficie de calefacción SC) b) De mediano volumen de agua (entre 70 y 150 L x m2 de SC) c) De pequeño volumen de agua (menos de 70 L x m2 de SC) 8. Según su utilización: a) De vapor b) De agua caliente 9.

Según la circulación del agua dentro de la caldera: a) Circulación natural: El agua circula por efecto térmico 189


b) Circulación forzada: El agua se hace circular mediante bombas 10. Según el tipo de combustible: a) De combustible sólido b) De combustible líquido c) De combustible gaseoso Además existen calderas que obtienen el calor necesario de otras fuentes de calor, tales como gases calientes de desperdicios de otras reacciones químicas, de la aplicación de la energía eléctrica o del empleo de la energía nuclear. 5.2. Calderos Pirotubulares14 Se denomina caldero pirotubular a aquel generador de vapor cuyo intercambiador de calor está compuesto por una serie de tubos por los cuales circulan gases calientes, generalmente producto de una combustión y, además, estos tubos están rodeados de agua, la cual se desea calentar o evaporar. Estos calderos pueden ser de alta o baja presión. Los dos tipos de calderos pirotubulares más fabricados en el mundo son los siguientes: 1)

Calderos de Fondo Seco

2)

Calderos de Fondo Húmedo

14


190


Fig. 60. Esquema de Caldero de Fondo Seco Fuente: http://www.spiraxsarco.com/

Fig. 61. Esquema de Caldero de Fondo Húmedo Fuente: http://www.spiraxsarco.com/

Todos los calderos pirotubulares tienen el mismo principio de funcionamiento: el calor producido por los gases de combustión pasan por los tubos al mismo tiempo que el agua rodea los tubos. Sin embargo, estos calderos presentan diferentes diseños, de acuerdo al número de pasos de los gases calientes por una serie de tubos. 191


Los calderos pirotubulares se miden de acuerdo al diámetro exterior que presentan y su diseño está limitado a una presión de 17237 bar y 750 HP de potencia. A medida que el agua es calentada, ésta incrementa su volumen y se hace más liviana, por lo tanto sube a la superficie y el agua fría baja. Eventualmente, las burbujas rompen la superficie y entran en el espacio del vapor. Cuanto mayor sea el número de tubos dentro de la caldera, mayor será la superficie de contacto, por un lado de los gases calientes y por el otro del agua, y mayor calor se aprovechará de los gases de combustión. Esto resulta en una circulación más rápida del agua y formación de burbujas.

Fig. 62. Sección de Caldero Pirotubular de 4 Pasos Fuente: https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images? q=tbn:ANd9GcRLrlSnazwWRai7ORJKWd6BsWq_UAlz6QJP7ZfBeXGdHspjBbKFow

192


En la figura 62 se muestra un generador de vapor tipo paquete de tubos de humo rectos y horizontales, de tipo forzado, donde el agua se encuentra dentro de un tambor atravesado axialmente por un tubo central, denominado cañón, y un bando de tubos paralelo a éste, por los cuales circulan los gases calientes. El cañón hace las veces de horno y contiene en su interior el quemador, donde descarga el ventilador de tiro forzado. El número de pasos depende de las veces que los gases circulan axialmente; en este caso se tienen cuatro. El primer paso, del frente a la parte posterior de la caldera a través del horno o cañón, el segundo de la parte posterior nuevamente al frente por los tubos inferiores (los gases se desvían hacia abajo mediante una mampara) y luego dos pasos más descargando finalmente en la chimenea. Este tipo de diseño es muy usado en calderas tipo paquete de baja capacidad que producen vapor saturado.

Fig. 63. Subsistemas que comprenden un Caldero Pirotubular Fuente: Prácticas del Laboratorio de Máquinas térmicas de la UNAM

193


5.2.1.

Subsistemas de un Caldero Pirotubular

Sistema de alimentación de Combustible: En el tanque de suministro se recibe el combustible, que en este caso es aceite diésel. Antes de la bomba, la caldera cuenta con un sistema doble de alimentación de combustible para mantenimiento regular a los filtros sin necesidad de parar la unidad. La bomba de alimentación de combustible es de desplazamiento positivo de engranajes, y se requiere una válvula de alivio que mantenga una presión constante en la descarga, derivando parte del flujo por la tubería de recirculación. La válvula de control del flujo de combustible (E) opera en paralelo con la compuerta del ventilador, con lo cual se logra la relación Aire-Combustible adecuada para cada carga en la caldera. La válvula solenoide (F) opera mediante una foto celda que al detectar llama en el piloto de encendido envía una señal eléctrica que permite el paso del combustible a través de ella; si la foto celda no detecta llama, la válvula permanece cerrada y en esta forma se elimina el riesgo de un exceso de combustible dentro del hogar. El interruptor por falla del tiro forzado (G) trabaja mediante un diafragma que se recibe señales de presión antes y después del ventilador; en caso de falla, regresa a su posición de equilibrio, enviando una señal a la válvula solenoide para que cierre el paso de combustible. Finalmente existe un control automático de encendido de flama mediante un piloto de gas que funciona por una chispa eléctrica, previo barrido de los gases restantes del encendido anterior.

194


Sistema de agua de alimentación:

Fig. 64. Subsistema de alimentación de agua de un Caldero Pirotubular Fuente: Prácticas del Laboratorio de Máquinas Térmicas UNAM

El tanque de almacenamiento (a) recibe el agua de la red municipal, la cual pasa a un equipo de tratamiento químico (b) donde se desmineraliza y purifica. Luego el agua pasa al tanque de alimentación de donde las bombas la toman para introducirla a la caldera. En este tanque se suministra los compuestos químicos requeridos para el tratamiento interno del agua. El control del nivel de agua dentro de la caldera se logra por medio de un flotador (e), el cual opera un interruptor de cápsula de mercurio de dos puertos que controla el arranque-paro de las bombas de alimentación. Sistema de control de presión: Funciona al fijar tres posiciones en el servomotor dando relaciones de flama alta, flama media y apagada. La presión se detecta por medio de un arreglo émbolo resorte el cual opera un interruptor de cápsula de mercurio de tres puertos que fija las tres 195


posiciones del servomotor. En caso de falla, se cuenta con dispositivos de seguridad contra presión alta, como las válvulas de seguridad. Sistema de seguridad:

Fig. 65. Subsistema de Seguridad de un Caldero Pirotubular Fuente: Prácticas del Laboratorio de Máquinas Térmicas de la UNAM

Consiste principalmente de una válvula de seguridad de cuerpo cilíndrico en cuyo interior se aloja un pistón acoplado a un resorte; cuando la presión del vapor actúa sobre el pistón vence la resistencia del resorte, el émbolo se desplaza descubriendo un pequeño paso por donde escapa el vapor con lo cual la presión de la caldera baja. El resorte está calibrado para que a determinada presión el pistón obstruya nuevamente la salida del vapor. 196


5.3. Cálculos de un Generador de Vapor A continuación se estudiarán los cálculos imprescindibles para determinar las características de un caldero para especificarlo o adquirirlo. 5.3.1.

Capacidad Nominal de una Caldera Pirotubular

La capacidad de las calderas pequeñas (calderas tipo paquete) se determina en Caballos Caldera o BHP (Boiler Horse Power), unidad que se define como la cantidad de energía necesaria para evaporar 15.65 Kg/h de agua a 100°C, a una presión de 1.013 bar; en tales condiciones la entalpía de vaporización es de 2256.0 kJ/kg: 1𝐶𝐶 = 1𝐵𝐻𝑃 =

15.65 𝑘𝑔 2256.0 𝑘𝐽 ℎ

∙

𝑘𝑔

∙

1ℎ 3600 𝑠

= 9.8 𝑘𝑊

(5.3.1.1)

En los años 1830 a 1850 se determinó que una caldera debía tener una Superficie de Calefacción igual a 10 ft2 por cada HP, necesaria en la locomotora donde sería usada la caldera. Se debe recordar que en ese tiempo los calderos usaban ladrillos refractarios para no perder calor, esto significaba que el caldero tenía una capacidad de absorber calor a razón de 3347 BTU/h por cada pie cuadrado de Superficie de Calentamiento. La Capacidad Nominal de una caldera relacionaba estos valores referenciales y se estableció experimentalmente la siguiente relación: 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙(𝐵𝐻𝑃) =

𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑚2 ) 2 0.93 𝑚 ⁄𝐵𝐻𝑃

(5.3.1.2)

A medida que el tiempo fue pasando y los diseños de los calderos también fueron mejorando con la incorporación de nuevos materiales, la Superficie de Calentamiento fue disminuyendo de 0.93 m2/BHP a 0.46 m2/BHP; actualmente esta relación llega hasta 134 m2/BHP. 197


En las calderas de tamaños mayores (mayores a 1000 BHP), su capacidad se determina en kW, kJ/h, Kcal/h y otras unidades de potencia. 5.3.2. Equivalente de Vaporización Se define como los kilogramos de agua por hora, que se vaporizarían a 100°C si se hubiese absorbido la misma cantidad de energía que en las condiciones observadas en la caldera. 𝐸. 𝑑𝑒 𝑉. =

𝑚̇𝑣 (ℎ2 −ℎ1 ) 𝑘𝐽 2257 ⁄𝑘𝑔

(5.3.2.1)

Muchos calderos especifican su capacidad en flujo másico en condiciones de presión atmosférica, es decir, a 100°C. (En inglés from and at) 5.3.3. Factor de Vaporización Se define como la relación entre el calor absorbido por 1 kg de agua de alimentación en las condiciones reinantes en la caldera y el absorbido por 1 kg de agua al vaporizarla a 100 °C. 𝐹. 𝑑𝑒 𝑉. =

ℎ2 −ℎ1 𝑘𝐽 ⁄𝑘𝑔

2257

(5.3.3.1)

5.4. Superficie de Calentamiento Es aquella superficie de una caldera que se halla en contacto con los gases productos de la combustión, por un lado, y con el agua, por otro lado. Esta superficie se mide en el lado de contacto con los gases calientes. Ejercicio 5.4.1: Se tiene un caldero cuyas dimensiones de cañón, carcasa y tubos se muestra en la figura 66. El largo de los tubos es 1.75 m. Hallar la superficie de calentamiento y su capacidad nominal.

198


Fig. 66. Sección transversal de Caldero Pirotubular Fuente: Prácticas del Laboratorio de Máquinas Térmicas de la UNAM

Solución: Se debe tomar en cuenta todas las superficies que tengan contacto con los gases calientes: a)

Superficie interior del Cañón: 𝑆𝐶 = 𝜋𝑑𝐶 ∙ 𝐿𝐶 = 𝜋 ∙ 0.466𝑚 ∙ 1.75𝑚 = 2.56𝑚2

(5.4.1)

b) Superficie interior de los tubos: 𝑆𝑇 = 𝑁𝑡 ∙ 𝜋 ∙ 𝑑𝑡 ∙ 𝐿𝑡 = 39 ∙ 𝜋 ∙ 0.0254𝑚 ∙ 1.75𝑚 = 5.45𝑚2

(5.4.2)

c) Superficie de planchas anterior y posterior donde se insertan los tubos: 𝜋∙𝑑𝑝 2

𝑆𝑝 = 2 ∙ [

4

−

𝜋𝑑𝐶 2 4

− 𝑁𝑡 ∙

𝜋𝑑𝑡 2 4

]=

2∙𝜋∙(1.04𝑚)2 4

−

𝜋(0.466𝑚)2 4

− 39 ∙

𝜋∙(0.0254𝑚)2 4

= 1.5𝑚2 (5.4.3)

199


Donde:

es el diámetro interno del cañón 𝐿𝐶 = 𝐿𝑡 es la longitud del cañón que es igual a la longitud de los tubos 𝑁𝑡 es el número de tubos 𝑑𝑡 es el diámetro interno de los tubos 𝑑𝑝 es el diámetro de las planchas o caras anterior y posterior donde están insertados los tubos de humo 𝑑𝐶

d) Ahora se debe sumar todas estas superficies parciales para hallar la Superficie de Calentamiento: 𝑆. 𝑑𝑒 𝐶. = 2.56 + 5.45 + 1.5 = 9.52𝑚2

La capacidad nominal será: 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑚2 ) 9.52𝑚2 = 2 2 0.93 𝑚 ⁄𝐵𝐻𝑃 0.93 𝑚 ⁄𝐵𝐻𝑃

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙(𝐵𝐻𝑃) = = 10.2𝐵𝐻𝑃

5.5. Cálculos de Eficiencia Se define como la relación entre el calor que se aprovecha de la caldera 𝑄𝑎 , es decir, el calor que toma el fluido de trabajo (vapor), desde que entra como líquido hasta que sale de la caldera como vapor, y el calor suministrado a la caldera 𝑄𝑆 liberado por la combustión del combustible dentro del horno. 𝜂=

𝑄𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐ℎ𝑎𝑑𝑜 𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜

(5.5.1)

𝑄𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐ℎ𝑎𝑑𝑜 = 𝑚̇𝑣 (ℎ2 − ℎ1 )

(5.5.2)

𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 = 𝑚̇𝑐 𝑃𝐶𝑆

(5.5.3)

200


Ejercicio de Cálculo 5.5.1: Un caldero de 20 BHP de potencia opera con Gas Natural. Si la temperatura de alimentación de agua es 60°C, la presión máxima de trabajo es 10 bar y la eficiencia de la caldera es 82%, hallar: a) El flujo másico de vapor 𝑚̇𝑣 ̇ b) El flujo volumétrico 𝑉𝑔𝑎𝑠 de Gas Natural en condiciones normales que consume el caldero. Solución: 𝑄̇𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐ℎ𝑎𝑑𝑜 = 𝑚̇𝑣 (ℎ2 − ℎ1 ) 9.81

𝑘𝐽

𝑠 20 𝐵𝐻𝑃 ∙ 𝑄̇𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐ℎ𝑎𝑑𝑜 𝑘𝑔 1 𝐵𝐻𝑃 𝑚̇𝑣 = = = 0.078 ⁄𝑠 𝑘𝐽 (ℎ2 − ℎ1 ) (2778.3 − 250.99) ⁄𝑘𝑔

𝑄̇𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 =

𝑘𝐽 𝑄̇𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐ℎ𝑎𝑑𝑜 98.1 ⁄𝑠 𝑘𝐽 = = 119.6 ⁄𝑠 𝜂 0.82

̇ ∙ 𝑃𝐶𝑆 𝑄̇𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 = 𝑉𝑔𝑎𝑠

̇ = 𝑉𝑔𝑎𝑠

Donde:

(5.5.4)

𝑘𝐽 𝑄̇𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 119.6 ⁄𝑠 3 = = 11.1 𝑚 𝑁⁄ℎ 𝑃𝐶𝑆 10.8 𝑘𝑊 ℎ⁄ 3 𝑚 𝑁

ℎ2 es

la entalpía del vapor y se halla en tablas de vapor con la presión absoluta del vapor o la temperatura del mismo. ℎ1 es la entalpía del agua como líquido y se halla en tablas de vapor con la temperatura del agua de alimentación al caldero.

201


5.6. Diseño de Calderos Pirotubulares En Bolivia la mayoría de la Industria hace uso de los calderos pirotubulares y muy poco de los acuotubulares debido a que los primeros son más compactos, de rápida respuesta a la demanda de vapor y no se requiere de grandes presiones ni elevados flujos másicos de vapor como es el caso de los calderos acuotubulares. Por lo expuesto, en el presente texto se dará énfasis al diseño de calderos pirotubulares. 5.6.1. Parámetros de Diseño de Calderos Pirotubulares a) Flujo másico de vapor b) Presión de trabajo y correspondiente temperatura de operación c) Presión máxima permisible d) Tipo de combustible a usarse e) Temperatura del agua de alimentación f) Presión y Temperatura del medio ambiente donde operará el caldero Pasos a seguir en el diseño de Calderos pirotubulares: 1) Determinar el flujo másico de vapor del caldero 2) Determinar la presión de trabajo y consiguiente temperatura del vapor. 3) Determinar el tipo de combustible que alimentará al caldero 4) Asignar una eficiencia al caldero entre 75 a 85 % 5) Determinar el flujo volumétrico y flujo másico de combustible al caldero 6) Determinar el volumen de agua del caldero (400 kW/m3agua) 7) Determinar el volumen del horno o cañón (150000 Btu/ft3) 8) Determinar la Superficie de Calentamiento (5ft2/BHP) 9) Usar la siguiente tabla de dimensiones como referencia para el diseño del caldero: 202


Tabla N° 22 Dimensiones Referenciales de Calderos

Potencia BHP

Diámetro (m)

Largo (m)

100 125 150 200 225 250

1.22 1.53 1.53 1.53 1.53 1.53

2.9 2.9 2.9 3.8 3.8 3.8

Fuente: The Boiler Book Cleaver Brooks

5.6.2. Requerimientos de Espesor Calderos Pirotubulares15 La siguiente tabla relaciona diámetros de calderos pirotubulares con espesores mínimos de caras alojadas con tubos de carcasas y carcasas cilíndricas recomendadas por el Código ASME para calderos pirotubulares: Tabla N° 23 Espesores Mínimos de Carcasas Cilíndricas de Calderos

Diámetro interior de Carcasa Cilíndrica (m)

Espesor mínimo (mm)

0.915 o menores 6.4 Mayores a 0.9145 hasta 1.372 8 Mayores a 1.372 hasta 1.83 9.6 Mayores a 1.83 12.7 Espesores mínimos de Planchas portadoras de tubos (caras anterior y posterior de Carcasas)

Diámetro interior de Carcasa Cilíndrica (m)

Espesor mínimo (mm)

1.0 o menores Mayores a 1.0 hasta 1.37 Mayores a 1.37 hasta 1.83 Mayores a 1.83

9.6 11.2 12.7 14.3

Fuente: ASME Boilers and Pressure Vessel Code

15

PART PFT Requirements for Fire Tube Boilers ASME Code

203


Ejercicio de diseño de caldero pirotubular 5.6.2: Se desea diseñar un caldero pirotubular que tiene un equivalente de vaporización igual a 5175 lb/h. La presión manométrica de trabajo requerida es de 150 PSIg, la temperatura de entrada del agua al caldero es 70°C. El caldero opera con Gas Natural y su eficiencia es del 80%. Especificar todas las características geométricas del caldero. El material escogido para la fabricación del caldero será de una plancha SA-204-A. Solución: 1°. Se halla el calor aprovechado: 𝑄𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐ℎ𝑎𝑑𝑜 =

5175 𝑙𝑏 𝑘𝑔 2256𝑘𝐽 1ℎ 1 𝐵𝐻𝑃 ∙ ∙ ∙ = 1470.8𝑘𝑊 ∙ = 150 𝐵𝐻𝑃 ℎ 2.205𝑙𝑏 𝑘𝑔 3600𝑠 9.81𝑘𝑊

2°. Se halla el flujo másico de la caldera a partir del equivalente de evaporación 𝑚̇𝑣 =

1470.8

𝑘𝐽⁄ 𝑠

𝑘𝐽 (2779.5 − 292.84) ⁄𝑘𝑔

∙

3600𝑠 𝑘𝑔 = 2129.3 ⁄ℎ ℎ

3°. Se halla el calor suministrado a la caldera a partir de la eficiencia de la caldera 𝑄̇𝑆 =

1470.8𝑘𝑊 1470.8𝑘𝑊 = = 2129.3𝑘𝑊 𝜂 0.8

4°. Se halla el flujo volumétrico de gas natural considerando su PCS = 10.8 kW h/m3 𝑉𝑔̇ =

𝑄̇𝑆 2129.3𝑘𝑤 3 = = 197.15 m ⁄h 𝑃𝐶𝑆 10.8 𝑘𝑊 ℎ⁄ 3 𝑚

5°. Se halla la Superficie de Calentamiento a partir de la siguiente relación experimental 204


3.5𝑓𝑡 2 ∙ 150𝐵𝐻𝑃 = 525 𝑓𝑡 2 = 48.8𝑚2 𝐵𝐻𝑃

6°. Se halla la el volumen del cañón a partir de la siguiente relación experimental 2000000 𝐵𝑡𝑢⁄ℎ𝑟 1𝑓𝑡 3

1 = 2069.93 𝑘𝑊⁄ 3 = 211 𝐵𝐻𝑃⁄ 3 ∙ = 1.264𝑚3 𝑚 𝑚 150 𝐵𝐻𝑃

7°. Se halla el volumen de agua a partir de la siguiente relación experimental 1𝑚3 9.81𝑘𝑊 ∙ ∙ 150 𝐵𝐻𝑃 = 3.68𝑚3 400𝑘𝑊 1𝐵𝐻𝑃

8°. Se halla el diámetro del cañón a partir de la siguiente gráfica:

Fig. 67. Gráfico Diámetro Cañón versus Potencia entregada Fuente: Indian Boiler Regulation 2010

205


La figura 67 indica que el diámetro mínimo del cañón para 2129.3 kW corresponde a un diámetro de 500 mm. 9°. Se halla el largo del caldero conocidos el volumen y el diámetro del cañón: 𝐿=

1.264𝑚3 𝜋∙0.52

= 6.43

4

De acuerdo a la tabla de referencia de dimensiones de calderos Ohio, el largo de 6.43 m es muy grande, por lo tanto se aumenta diámetro del cañón hasta 0.75 m y se re-calcula la longitud del cañón y tubos: 𝐿=

1.264𝑚3 𝜋∙0.752

= 2.86𝑚

4

10°. Se debe calcular la superficie de calentamiento del cañón con los valores recientemente encontrados: 𝑆𝐶 = 𝜋𝑑𝐶 ∙ 𝐿𝐶 𝑆𝐶 = 𝜋 ∙ 0.75𝑚 ∙ 2.86𝑚 = 6.74𝑚2

Este valor debe ser restado a la Superficie de Calentamiento inicial, es decir: 48.8𝑚2 − 6.74𝑚2 = 42.06𝑚2

11°. Con esta última superficie se calcula el N° de tubos y el diámetro de tubos. Se escogerá un diámetro comercial de 2” igual a 51mm y un espesor de 3.6 mm; en tal caso la superficie de calentamiento de un tubo será de: 𝑆𝑡 = 𝜋 ∙ 𝑑𝑡 ∙ 𝐿𝑡 = 𝜋 ∙ 0.0438𝑚 ∙ 2.86𝑚 = 0.3935𝑚2

Ahora corresponde hallar el número de tubos: 𝑆𝑇 42.06𝑚2 = 𝑁𝑡 = = 107 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 𝜋 ∙ 𝑑𝑡 ∙ 𝐿𝑡 0.3935𝑚2

206


Se puede hacer un arreglo de 55 tubos en el segundo paso y 52 tubos en el tercer paso. 12°. Se halla el volumen que comprende la suma del volumen de agua más el volumen del cañón y los tubos. 𝑉 = 3.68𝑚3 +

𝜋 ∙ (0.75𝑚)2 𝜋 ∙ (0.0438𝑚)2 ∙ 2.86 + 107 ( ∙ 2.86) = 5.405𝑚3 4 4

Con este valor se halla la sección o cara que representa el agua con los tubos y el cañón sumergidos y se determinará el radio de la carcasa: 𝐴=

5.405𝑚3 = 1.89𝑚2 2.86𝑚

Fig. 68. Determinación del Radio de la Carcasa del Caldero 3𝜋𝑟 2 90°

𝑟2

ecuación que comprende la suma de tres secciones de circunferencia de 90° más el área de un triángulo rectángulo cuyos catetos son el radio de la circunferencia. Despejando el radio de la anterior ecuación se tiene: 𝐴=

360°∙4

+

2

= 1.89𝑚2,

1.89𝑚2 𝑟=√ = 0.814𝑚, 2.8562

∅𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑜 = 1.63𝑚

207


13°. Se recomienda que el arreglo de los tubos sea de forma triangular y exista un paso o distancia mínima entre un tubo y otro, entre cañón y tubo y entre orilla de carcasa y tubo igual a 1.25 del diámetro exterior de los tubos. En el caso del presente ejemplo se tomará un paso igual a 98 mm, es decir, casi 1.92 veces el diámetro exterior de los tubos (51mm).

Fig. 69.

Arreglo Triangular de Tubos de Calderos

14°. Determinación del espesor del cañón16 𝑡 = ∅𝑐𝑎ñó𝑛 0.6 (

𝐿𝑆2 𝑃

1.73𝐸𝑦𝑜𝑢𝑛𝑔

= 7500.6 (

Donde:

0.4

)

+𝐶

(5.6.2.1)

2860 ∙ 3.9 ∙ 1.5𝑀𝑃𝑎 0.4 ) + 0.75 = 16,25𝑚𝑚 1.73 ∙ 210000 𝑀𝑃𝑎

𝑃 es

la presión de operación del caldero (MPa) es el diámetro exterior del cañón (mm) 𝐿 es la longitud del cañón (igual a largo de los tubos, mm) 𝐸𝑦𝑜𝑢𝑛𝑔 es el módulo de elasticidad o módulo de Young para el acero (MPa) 𝑡 es el espesor del cañón (mm) ∅𝑐𝑎ñó𝑛

16http://bhelpssr.co.in/data/qly/ibr/ibrdoc/Regulation%20Web/regulation%20592.htm

208


𝐶 es

el factor de corrosión igual a 0.75mm 𝑆2 es el factor de seguridad igual a 3 para calderos ≤ a 92 cm de diámetro, 3.9 para calderos > a 92 cm Se recomienda que el espesor del cañón tenga como mínimo 10 mm y como máximo 22 mm17 15°. Determinación del espesor de las caras anterior y posterior de la carcasa18:

Fig. 70. Paso entre Tubos de Calderos

Una vez que se diseña el arreglo de los tubos del caldero, se usa la siguiente fórmula de la norma ASME para determinar el espesor de las caras que alojan los tubos: 𝑡 = √(

𝑃 𝐶∙𝑆

) (𝑝2 −

𝜋𝑑𝑒𝑥𝑡 2 4

)

(5.6.2.2)

1.5𝑀𝑃𝑎 𝜋512 = √( ) (982 − ) = 7 𝑚𝑚 2.1 ∙ 121𝑀𝑃𝑎 4

17Indian

Boiler regulation ASME de Calderas Pirotubulares parte PFT 31.2

18Código

209


Donde:

es el espesor de las caras posterior y anterior de la carcasa (mm). 𝑝 es el paso máximo entre tubos en el arreglo de los tubos (mm). 𝐶 es un coeficiente igual a 2.1 para carcasas menores a 11 mm y 2.2 para mayores a 11mm. 𝑑𝑒𝑥𝑡 es el diámetro exterior de los tubos. 𝑃 es la presión máxima de diseño en MPa. 𝑆 es la máxima resistencia a la tracción del material SA204-A en MPa. 𝑡

El valor encontrado debe ser modificado a 12.7 mm de acuerdo a la norma ASME, reflejada en la tabla N°23. 16° Determinación del espesor de la carcasa cilíndrica: El Código ASME para calderas pirotubulares presenta la siguiente fórmula: 𝑡=

=

Donde:

𝑃∙𝐷 2𝑆𝐸+2𝑦𝑃

+𝐶

1.5𝑀𝑃𝑎∙1630𝑚𝑚 2∙121𝑀𝑃𝑎∙0.73+2∙0.7∙1.5𝑀𝑝𝑎

(5.6.2.3)

+ 1.65𝑚𝑚 = 15.4 𝑚𝑚

es el espesor de la carcasa cilíndrica (mm). 𝑃 es la presión máxima permisible que es igual a 1.5 veces la presión de trabajo. 𝐷 es el diámetro exterior del cilindro o carcasa. 𝑆 es la máxima resistencia a la tracción del material SA204-A en (MPa). 𝐸 es la eficiencia de soldadura o ligamento en caso de soldadura longitudinal (Tabla PG 26 Código ASME calderos). 𝑡

210


es el coeficiente de temperatura (Tabla PG27.4.6 Código ASME calderos). 𝐶 es el coeficiente de seguridad por roscado y estabilidad estructural (Tabla PG 27.4.3 Código ASME calderos). 𝑦

5.6.3.

Materiales de Calderos Pirotubulares

Los materiales utilizados en la construcción de partes para calderas pirotubulares sometidas a presión se ajustarán a una de las especificaciones del Código ASME que figura en la Sección II y se limitarán a aquellos para los que se dan los valores de tensión admisible en las Tablas 1A y 1B de la Sección II, Parte D, o de lo contrario se revisará específicamente la Parte PG y Parte PFT del Código ASME que será motivo de análisis más adelante. Las patas de sostén, aros y marcos de puertas de calderas pirotubulares verticales y de calderas de tipo de locomotoras y otros deberán ser de hierro o de acero forjado o acero fundido, de material SA-216 de la norma ASME. Es muy importante aclarar que las propiedades mecánicas son afectadas por la temperatura, como por ejemplo el módulo de Young de los materiales. En las tablas de materiales del código ASME se reflejan estos cambios de acuerdo a la temperatura de operación a la que será sometido el material. 5.7. Uso de Software FIRECAD ¿Qué es FireCAD? FireCAD es una aplicación que trabaja con Windows y sirve para diseñar Calderos y equipos relacionados con calderos. Esta aplicación sirve para diseñar Calderos de tubos de humo (con fuego o sin fuego). Con este programa se puede diseñar calderos pirotubulares de toda capacidad y 211


presión. Trabaja en forma simultánea con el programa .NET previamente instalado. Lo interesante de este software es que se lo puede usar en línea sin necesidad de instalar el paquete. Para ello se deberá ingresar al siguiente vínculo: http://www.firecad.net/Fire-Tube-Boilers/default.aspx Una vez que se ingresa al vínculo se halla la siguiente pantalla donde se debe ingresar los datos requeridos:

Fig. 71. Programa Firecad Formato de Admisión de Datos Fuente: http://www.firecad.net/Fire-Tube-Boilers/default.aspx

212


Procedimientos de Diseño El Diseño de calderos usando FireCAD es muy simple y consiste de tres pasos: 

Diseño Inicial



Auto Diseño



Re Diseño

1.

Diseño Inicial

Antes de proceder con el diseño, el ingeniero diseñador debe tener los siguientes datos y alimentarlos al programa: Capacidad de generación de Vapor: La Capacidad del Vapor puede ser la real o la deseada, o bien la capacidad calculada para F&A100 °C (from and at) explicada previamente. La capacidad de vapor a y desde 100°C es un estándar de la industria que significa la cantidad de vapor generada cuando el caldero opera a 100°C y a una presión de un bar. Por ejemplo, el vapor generado a y desde 100°C de un caldero que genera 5000 Kg/hr a 10.5 Kg/cm2 es alrededor de 5870 Kg/hr. Presión del vapor: Es la presión de diseño del manómetro del caldero. Esta presión no debe ser confundida con la presión máxima de trabajo, la cual es usada para calcular la resistencia de los materiales y sobre todo el espesor de la carcasa y el cañón. Los calderos pirotubulares hoy en día pueden ser de dos tipos: de cámara posterior húmeda (wet back) o seca (sin cámara o dry back), es decir que los conductos entre el primer paso al segundo paso pueden estar rodeados por agua (cámara húmeda) o bien sin cámara, paso directo por medio de una mampara. Los calderos de cámara húmeda presentan menores pérdidas de calor. 213


Combustible: Para fines de diseño se debe escoger el combustible de la lista de los combustibles, o bien pasar los datos de los compuestos del combustible si éste no se halla en la lista. En el caso de usar un combustible particular, éste se puede adicionar en la base de datos incluyendo su poder calorífico alto. Título: Introducir el título del cálculo o proyecto del diseño del caldero (puede ser la capacidad del caldero y/o el nombre del cliente). Calderos de cogeneración. En caso que el caldero sea alimentado por gases calientes, producto de calor de desecho, se debe introducir al programa el flujo másico de los gases calientes, su temperatura de entrada y el flujo másico de vapor deseado. 2. AutoDesign (Autodiseño) Una vez que se hayan introducido al programa los datos arriba señalados, el usuario debe hacer clic en “Autodesign” y proceder al diseño. Es importante recalcar que Autodesign da el mejor y más eficiente diseño de acuerdo a la experiencia del autor del programa. Los detalles del caldero junto con el diseño térmico, eficiencia, composición del combustible y flujo del gas se podrán apreciar en la forma “Output Design”. El usuario podría modificar editando los resultados si desea otro diseño y luego hacer clic en “redesign”. Previamente, es importante leer los consejos o tips de diseño para un mejor diseño del caldero. 3. ReDesign (Rediseño) La característica de Rediseño es una opción disponible en la forma Output. Después de autodiseñar, el usuario es capaz de probar diferentes configuraciones. El usuario puede cambiar dimensiones del cañón, dimensiones de Segundo o Tercer paso para readecuarse a las posibilidades de la existencia de materiales y su disponibilidad. Por ejemplo: si se usa 214


AutoDesign para un caldero de 5000 kg/h; el programa muestra los siguientes parámetros: horno de 920mm y largo de 4600 mm. Estos valores dependen de la dimensión de la flama que provea el quemador, así que se puede cambiar estas dimensiones basándose en las medidas que ofrece el fabricante del quemador. De igual manera ocurre con el largo de los tubos; por ejemplo, si se tiene tubos de 5500 mm en lugar de tubos de 5400 mm u otra medida, simplemente se cambia los datos. Para ver cómo afectan estos cambios de medida de los tubos u otras medidas, simplemente se hace clic en “redesign”. Para tener una idea más clara de la selección de las dimensiones adecuadas se debe hacer uso de la sección Help (ayuda) donde se encontrará referencias denominadas Tips de diseño o DesignTips. DesignTips (Recomendaciones de Diseño) A continuación se dan recomendaciones y ayuda para la determinación de dimensiones de:    

Tamaño del cañón Segundo paso Tercer paso Cuarto paso

Tamaño del Cañón El tamaño del cañón depende de las dimensiones de la flama y del calor neto suministrado. Existen diferentes códigos de calderos que limitan hasta 12 millones de watts, energía basada en el poder calorífico del combustible. Existen también restricciones a la relación espesor/diámetro del cañón cuyo límite es 22/1800 mm; estas restricciones son necesarias para la seguridad de la operación del caldero. Otra restricción es que un caldero pirotubular debe generar un máximo de 17000 kg/hr (F&A 100 °C). Para mayores demandas se debe utilizar calderos en serie. El espesor del cañón restringe también la 215


presión de operación de la caldera. La presión máxima para calderas pirotubulares es de 30 bar. Otra restricción es la relación energía/volumen cuyo límite es 1.5 MW/m3. Se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones: o o o

El diámetro y largo del hogar o cañón no debe ser menor que el diámetro de la flama y el largo de la misma. Los combustibles gaseosos tienen temperaturas mayores de salida que los líquidos y sólidos. Las calderas de fondo húmedo son más aconsejables para combustibles líquidos y gaseosos. Las calderas de fondo seco son preferibles para combustibles con alto contenido de cenizas.

Segundo Paso Los gases de salida entran al segundo paso inmediatamente después de salir del cañón. El largo del segundo paso es generalmente el mismo largo del cañón. Los diámetros externos (D.E.) de los tubos son normalmente en la industria de 63.5mm (2.5”). Para calderos más pequeños, cuya capacidad es menor a 4,000 kg/hr, el diámetro exterior del tubo es de 50.8mm (2”). Se debe considerar también el tipo de combustible usado. Para combustibles de alto contenido de cenizas se recomienda diámetros mayores. Sin embargo, el D.E. de 63.5mm (2.5”) es el estándar. A veces se ven D.E. de hasta 76.2 mm (3”). Algunos fabricantes usan diámetros entre 60.3 mm (2”) y 88.9 mm (3.5”). Se debe tomar en cuenta que cuanto mayor es el flujo másico de los gases, menor podrá ser la superficie de calentamiento. Sin embargo, también se reduce la vida útil de los tubos y se incrementa la caída de presión, lo cual requiere mayor consumo de energía en los turbosopladores. La velocidad típica de los gases debe ser entre 9 y 11 Kg/h/m2.

216


Tercer Paso Lo que se dijo sobre el segundo paso también se aplica en este tercer paso. La velocidad de la masa de los gases en el tercer paso puede ser un 10% mayor que en el segundo paso ya que, debido a la pérdida de temperatura, el volumen del gas es menor. El largo, en un tercer paso, se obtiene añadiendo el largo del segundo paso, el largo de la cámara del fondo y el espacio de agua. Cuarto Paso El programa FireCAD diseña automáticamente calderos de tres pasos. Si se quiere diseñar un caldero de cuatro pasos, se debe doblar el largo del tercer paso. Si se diseña un caldero de dos pasos, se debe tomar el segundo paso como si valiera 0.1 mm. A continuación se dará una breve descripción de cada campo que aparece en las formas de entrada y salida del diseño. Input Design Form (Formato de Diseño de Entrada): Units (Unidades): Seleccione las unidades en las cuales quiere hacer el cálculo del diseño. Steam Capacity (Capacidad de Vapor): Esta es la cantidad de vapor que queremos que genere la caldera. Por ejemplo, 12,000 Kg/hr. Steam Pressure (Presión de Vapor): Esta es la presión de trabajo de la caldera. Ejemplo: 10.5 Kg/cm2. Fuel (Combustible): En este campo se selecciona el combustible apropiado que se va usar en la caldera. Type (Tipo): Se selecciona F&A100°C si la generación del vapor se contabiliza desde y a 100°C. Se selecciona actual si el dato de la generación de vapor es la real. 217


Back End (Fondo): En este campo se selecciona el tipo de fondo que se tiene: húmedo o seco. Water Inlet Temp. (Temperatura de Entrada del Agua): En este campo se pone las temperaturas de agua de entrada a la caldera; ejemplo: 30°C. Delete Fuel (Borrar Datos de Combustible): En este campo se selecciona el combustible que se desea borrar, luego se hace clic en “Delete Fuel” para confirmar. Gross Calorific Value (Poder Calorífico Alto - PCA): Escoger siempre el valor de la base de datos, el cual es más exacto. También se puede seleccionar el valor calculado (Calculated), el cual es razonablemente exacto para combustibles sólidos y gaseosos. Para combustibles líquidos se debe usar la base de datos o se puede alimentar con sus propios datos. Title (Título): En este campo se coloca el nombre o título del proyecto. La composición del combustible y otros campos pueden ser cambiados si se tienen valores diferentes. Se debe recordar que si se cambia la composición del combustible, también se debe cambiar el PCA. Si no se tiene seguridad del PCA, se debe colocar 0 (cero), de tal manera que FireCAD efectúe los cálculos. Se recuerda que cada vez que se introduce un nuevo combustible en la base de datos (ADDFUEL), éste puede ser utilizado posteriormente cuando se requiera. Esto elimina la posibilidad de alimentar datos errados. Los anteriores puntos también se aplican al diseño de calderas que se alimentan con calor de desechos quemados. Output Design Form (Formato de Resultados del Diseño): La salida de vapor, detalles del cañón, detalles del Segundo Paso y detalles del Tercer Paso se explican por sí solos. 218


Eficiencia de GCV: Es la eficiencia de combustión basada en el poder calorífico alto. Esta es levemente más baja que la Eficiencia de Quemado. La Eficiencia de Quemado no se reporta en pantalla. Eficiencia NCV: Esta es la eficiencia sobre la base de NCV (net calorific value) LCV (low calorific value) o Poder Calorífico Bajo. Caída de Presión Total: Esta es la caída de presión que el sistema tiene en unidades de Columna de Agua. Esta caída de presión no incluye las pérdidas en ductos y chimeneas. Carga de Calor: Este es el calor total generado por el vapor producido. Por ejemplo, si el caldero genera 1000 kg/hr de vapor, éste generará 0.54 x 106 Kcal/hr de calor. Calor Bruto Inducido: Este es el calor inducido al cañón u horno a partir del combustible quemado y se basa en el PCA. Poder Calorífico Neto: Este es el calor neto inducido en el cañón, basado en el poder calorífico neto del combustible. Las temperaturas de salida del Cañón, Segundo Paso y Tercer Paso se explican por sí mismas. Área de Superficie de Calentamiento: Esta es la superficie de calentamiento del caldero calculada en base a diámetros exteriores. Como éste es aproximado, el usuario debe re-calcular la superficie real con respecto a los planos. Las pérdidas de eficiencia se explican por sí solas. Flujo Másico de Gas: Esto indica el flujo másico total de gases de salida producidos debido a la combustión.

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Flujo Volumétrico del Gas de Emisión Normalizado: Esto representa el flujo volumétrico considerando 0°C, 1atm en unidades MKS, y 60°F para FPS (feet per second o sistema inglés). Composición de Gas por Volumen y por Peso en condiciones húmedas, considerando la masa del agua. Los siguientes ejercicios ayudarán a comprender mejor el manejo de FireCAD. Ejercicio 5.7.1: Diseñar un caldero de paquete pirotubular de tres pasos, de fondo húmedo, que trabaja con Fuel Oil y que genera 5000 kg/hr (F&A 100°C) y 10.54 kg/cm2. Usar tubos de 5800 mm de largo en el Tercer Paso, no existen otros datos. Solución: Clic en el ícono de FireCAD. FireCAD empieza con una imagen donde se encuentra el “tip” o consejo del día. Cerrar el tip y seleccionar “New Project”, luego clickear en “Fire Boiler”. En “Input Form” alimentar con los siguientes datos: en “Unit” seleccionar MKS, en “Steam Capacity” colocar 5000; en “SteamPressure” 10.54; en “Type” F&A 100°C; en “Back End” colocar WETBACK; en Water In Temp., poner 30. Se escogerá el Fuel Oil N° 6 (de amplio uso). Poner o alimentar en “Radiation Loss” (Pérdidas por Radiación), “UnBurnt” (pérdidas por mal quemado) y “UnAccounted” (otras pérdidas) las pérdidas que representan, si es que se cuenta con los respectivos datos. De otra manera, dejar que la máquina lo haga.

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En el campo de “Gross Cal Value (HHV), poner el poder calorífico alto del combustible, sea éste calculado o por la base de datos (database). Poner el título del proyecto en “Title”. Efectuados los puntos anteriores, hacer clic en “AUTODESIGN”. El programa efectuará todos los cálculos automáticamente y mostrará en la pantalla el formato “Output Design Form”. Si se desea cambiar algún dato o efectuar una modificación, se puede hacerlo en las casillas correspondientes y luego se hace clic en “Redesign”. En el ejercicio planteado, se debe usar los tubos del Tercer Paso con un largo de 5800mm. Cambiando este dato en la forma “Output Design Form” y se podrá apreciar que automáticamente varían las condiciones de rediseño. Finalmente guardar el proyecto en “File”. Ejercicio 5.7.2: Diseñar un caldero de paquetes de tubo de humo de Tres Pasos que genere 12000 kg/hr de vapor (F&A 100°C) y 8 kg/cm2. La eficiencia mínima en base al poder calorífico alto debe ser del 82%. El exceso de aire no debe exceder el 5%. La temperatura del agua de alimentación del caldero debe ser de 25°C. Solución: Clic en el ícono de FireCAD. FireCAD empieza con una imagen donde se encuentra el “tip” o consejo del día. Cerrar el tip y seleccionar “New Project”. Luego clic en “Fire Boiler” En “Input Form” alimentar con los siguientes datos: en “Unit” seleccionar MKS, en “Steam Capacity” colocar 12000; en “Steam Pressure” 8.0; en “Type” F&A 100°C; en “Back End” colocar WETBACK; en “Water In Temp.” poner 25. 221


En “Ex Air” (Exceso de Aire) poner 5. Como no se tiene la composición del gas natural, se puede seleccionar en “Fuel”, Natural Gas 2. Poner o alimentar en “Radiation Loss” (Pérdidas por Radiación), “UnBurnt” y “UnAccounted” (pérdidas por mal quemado y otras pérdidas) las pérdidas que representan, si es que se cuenta con los respectivos datos. De otra manera, dejar que la máquina lo haga. En el campo de “Gross Cal Value (HHV), poner el poder calorífico alto del combustible, sea éste calculado o por la base de datos (database), que es 12870 Kcal/Kg. Poner el título del proyecto en “Title”, Caldero a Gas Natural. Efectuados los puntos anteriores, hacer clic en “AUTODESIGN”. El programa efectuará todos los cálculos automáticamente y mostrará en la pantalla el formato “Output Design Form”. Si se desea cambiar algo, se puede hacerlo en las casillas correspondientes y luego presionar “Redesign”. Para obtener la eficiencia mínima requerida del 82%, se puede efectuar variaciones en la geometría del cañón, de los tubos, aumentar o disminuir el número de tubos, hasta llegar a la eficiencia requerida. Guardar el proyecto en “File”. Consejos para un buen Diseño: Diseño de Tres Pasos. Se recomienda diseñar calderos de Tres Pasos que permitan altas velocidades, caída de presión leve de los gases, resultando en una alta eficiencia y reduciendo la carga del motor del turbosoplador. Quemador. La capacidad de los quemadores debe ser especificada por lo menos en un 40% de exceso del calor requerido por la caldera. El largo y el 222


diámetro de la flama del quemador deben coincidir con el diámetro y largo del diseño del cañón u hogar de la caldera. Relación entre volumen del cañón y el calor generado. Los cañones con gran volumen permiten mayor flujo de calor, aumentando la vida útil del caldero, y menor generación de NOx. Diámetro del Cañón. Los volúmenes grandes (diámetros grandes) del cañón aumentan el tiempo y crean mayor turbulencia para una combustión completa. Además permiten una mayor absorción de calor radiante. Diámetros de Carcasas y Caras de Calderas Grandes. Cuanto mayor es el diámetro de las caras anterior y posterior de la caldera, posibilitan mayor espaciamiento de los tubos evitando concentraciones de esfuerzos y riesgos de rajaduras. Contenido de Agua. Amplios volúmenes de agua permiten una operación de régimen del caldero más estable y permite satisfacer demandas súbitas. Volumen de Vapor. Cuanto mayor es el volumen para la evaporación del agua, más seca es la calidad del vapor, reduce la turbulencia del agua y el espumamiento. Asimismo, ofrece menos fluctuaciones cuando hay cambios de presión. Aislamiento Térmico. El material aislante, como fibra mineral o fibra de vidrio, debe ser de al menos 2”, con una densidad de 8 lbs. Diseño de Compuertas. Las compuertas, ya sea anterior o posterior o ambas, deben permitir un acceso total a los tubos de humo para su mantenimiento.

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5.8. Calderos Acuotubulares Los calderos acuotubulares, a diferencia de los calderos pirotubulares, presentan tubos por donde circula el agua y el fuego o los gases producto de la combustión rodean y calientan estos tubos. La relación diámetro espesor en un caldero acuotubular comparado con un caldero pirotubular es mucho menor, lo cual hace que los primeros puedan resistir mayores presiones.

Fig. 72. Calderos Acuotubulares Fuente: http://www.spiraxsarco.com/

Los calderos acuotubulares se usan en grandes plantas de vapor donde se requieren flujos de vapor mayores a 500 kg/s, presiones mayores a 160 bar y temperaturas de vapor sobrecalentado mayores a 550 °C; sin embargo, también se fabrican calderos de tubos de agua más pequeños que compiten con los pirotubulares. Éstos pueden ser portátiles, en cambio los grandes deben ser ensamblados en el mismo lugar de trabajo. 224


Fig. 73. Efecto termosifón en Calderos Acuotubulares Fuente: http://www.spiraxsarco.com

La mayoría de los calderos acuotubulares operan con una circulación del agua con el principio de termosifón que es una circulación del agua por diferencia de densidades debido a la temperatura, es decir, el agua fría se calienta y sube a la parte superior y la fría desciende dando un movimiento continuo que ayuda a la transferencia de calor por convección. Se introduce agua fría de alimentación al domo de vapor detrás de un deflector. Debido a su densidad mayor por su temperatura, el agua desciende hacia el domo de lodos y desplaza agua caliente hacia el domo de vapor. El calor continuo crea burbujas en los tubos frontales los cuales son separados de forma natural en el domo de vapor. Sin embargo, cuando se incrementa la presión en los tubos de agua, la diferencia entre las densidades disminuye; en tal caso se debe hacer uso de una bomba. 225


El Horno o Sección Radiante: Esta es un área abierta donde los quemadores desprenden su calor que son dirigidos hacia los tubos de agua. Las paredes de la sección del cañón están compuestas por paneles de tubos con aletas, los cuales están diseñados para absorber el calor radiante de la flama (figura 74).

Fig. 74. Banco de tubos aletados de caldero Acuotubular Fuente: Fuente: http://www.spiraxsarco.com/

Sección Convectiva: Esta sección está diseñada para absorber el calor de los gases de combustión por conducción y convección. Los calderos más grandes pueden tener varios bancos de tubos en serie para aprovechar al máximo la energía de los gases calientes (figura 75).

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Fig. 75. Sección Convectiva caldero acuotubular Fuente: http://www.spiraxsarco.com/

Designación de los Calderos Acuotubulares:  Calderos de Tubos de Agua longitudinal: Este caldero, uno de los primeros de tubos de agua, opera con el principio del termosifón. Se alimenta con agua fría al tambor en forma longitudinal al paso del calor. El agua fría baja hacia los tubos y por el efecto termosifón el agua caliente sube hacia el tambor y las burbujas se van separando del agua. Estos calderos tienen una capacidad de 2250 a 36000 kg/h. (figura 76).

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Fig. 76. Caldero Acuotubular longitudinal Fuente: http://www.spiraxsarco.com/



Caldero de Tambor Cruzado:

Este caldero es una variante del caldero longitudinal donde el tambor es colocado en forma cruzada a la fuente de calor. Este caldero opera igual que el longitudinal pero con una temperatura más uniforme en el tambor, sin embargo, corre el riesgo de fallar debido a una sobredemanda de vapor que puede hacer que los tubos superiores se sobrecalienten. Estos calderos tienen una capacidad de 700 a 240000 Kg/h.

Fig. 77. Caldero Acuotubular de Tambor Cruzado Fuente: http://www.spiraxsarco.com/

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

Caldero Stirling o de Tubos Inclinados:

Este caldero presenta más de un tambor. El agua de alimentación entra en el tambor de la derecha, baja al tambor de lodos y luego sube a los otros tambores. Este caldero tiene la particularidad de ofrecer mayor superficie de contacto por los tubos doblados y ayuda a la circulación natural del agua.

Fig. 78. Caldero Stirling de tubos inclinados Fuente: http://www.spiraxsarco.com/

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Partes Constitutivas de un Caldero Acuotubular: En la figura 79 se puede apreciar los diferentes componentes que conforman un caldero acuotubular.

Fig. 79. Partes Constitutivas de un caldero Acuotubular Fuente: Prácticas del Laboratorio de Máquinas Térmicas UNAM

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 Horno: Lugar donde se realiza la combustión; generalmente se encuentra formado por paredes de refractario y bancos de tubos por los que circula agua y vapor.  Quemadores: Dispositivos tubulares donde se logra la adecuada mezcla aire-combustible cuando este último es líquido o gas. En caso de que el combustible sea carbón, se tiene un molino o pulverizador adicional.  Chimenea: Ducto a través del cual se descargan los gases producto de la combustión.  Ventiladores: Tiro forzado, introduce aire al horno. Tiro inducido, extraen los gases calientes del horno después de la combustión.  Bomba de agua alimentación: Incrementa la presión de agua para alimentar la caldera.  Sobrecalentador: Intercambiador de calor en el que se da el sobrecalentamiento deseado al vapor.  Atemperador: Intercambiador de calor donde se regula el grado de sobrecalentamiento o temperatura del vapor; puede ser de superficie o de contacto.  Calentador de aire: Intercambiador de calor donde los gases, producto de la combustión después de haber cedido parte de su energía a la caldera, calientan el aire para hacer más eficiente la combustión.  Economizador: Intercambiador de calor donde los gases de la combustión transmiten otra parte de su energía con la cual aumentan la temperatura de agua de alimentación que va a la caldera y mejoran la eficiencia del generador debido a que se recupera parte del calor que de otro modo se disiparía en la atmósfera. 231


5.9. Código ASME para Calderos ¿Qué es el Código ASME? El código ASME para Calderos y Recipientes sometidos a Presión es una norma de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos, la misma que provee reglas para el diseño, fabricación e inspección de Calderos y Recipientes a presión. Un equipo o componente sometido a presión diseñado y fabricado de acuerdo a la Norma ASME tendrá una larga vida útil, asegurando la protección de la vida humana y su propiedad. La norma está redactada por voluntarios quienes son nominados por diferentes Comités, en base a su experiencia técnica y habilidad para la redacción, revisión, interpretación y administración del documento escrito o Norma. La Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) funciona como un organismo de acreditación y otorga permisos a terceros independientes, como agencias de verificación, ensayo y certificación para inspeccionar y velar por el cumplimiento del código o norma ASME para Calderos y Recipientes sometidos a presión. Historia del Código: La Norma o Código fue creada a pedido del público ante una serie de explosiones fatales ocurridas en el estado de Massachussets. En marzo 20 de 1905 un caldero pirotubular explotó en una fábrica de zapatos matando a 58 personas e hiriendo a otras 150. El 6 diciembre del año 1906 explotó otro caldero en otra fábrica de zapatos y en 1907 el Estado de Massachussets promulgó el primer Código Legal de construcción de Calderas en base a las reglas de construcción de la ASME. ASME creó una Directiva de Reglas de Calderos la cual, en 1911, se convirtió en el Comité del Código de Calderas. Este Comité trabajó creando 232


la primera edición del Código ASME de Construcción de Calderos Estacionarios y Recipientes sometidos a Presiones de Trabajo Permisibles, la cual fue concluida en 1914 y publicada en 1915. La primera publicación fue conocida como la edición de 1914, la misma que se fue desarrollando en el tiempo y se constituyó como el Código ASME de Calderos y Recipientes a Presión, la misma que tiene 92000 copias en uso en más de 100 países alrededor del mundo. La primera edición de la Norma consistía en un libro de 114 páginas de 13 x 21 cm. Actualmente, la Norma ASME está compuesta de 28 libros, incluyendo 2 dedicados a la construcción e inspección de Plantas de Potencia Nucleares. La edición del año 2001 tiene más de 16000 páginas. Los 28 libros mencionados comprenden normas que proveen reglas de la fabricación de componentes o son documentos anexos que se refieren a Materiales, Ensayos no Destructivos y Requerimientos de Soldadura. Después de la primera edición del Código, las verificaciones de la manufactura de los calderos fueron hechas en base al Código por inspectores independientes los cuales tenían diferentes interpretaciones del mismo, hasta que en Febrero de 1919 se creó la Junta Directiva de Inspectores. Diferencia entre Código y Norma: .Una

Norma es un documento que provee requerimientos, especificaciones, guías o características que pueden ser usadas consistentemente para asegurar que materiales, procesos y servicios cumplan con determinados propósitos. La Norma promociona la seguridad, confiabilidad, productividad y eficiencia en todo tipo de industria que se basa en los componentes o equipos de ingeniería.

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Las Normas pueden estar compuestas por algunos párrafos hasta cientos de páginas y son redactados por expertos, con conocimiento y experiencia en un campo particular, reunidos en Comités. Las Normas no hacen cumplir la Ley pero se convierten en obligatorias cuando son incorporadas en un acuerdo contractual o incorporado dentro de un conjunto de regulaciones. El uso de una Norma es voluntario pues ésta sirve como un conjunto de directrices. Un Código es una Norma que ha sido adoptada por un cuerpo del Gobierno y su cumplimiento tiene fuerza de Ley. Un Código no puede ser retroactivo. Desglose de la Norma ASME: La norma ASME está dividida en las siguientes partes:  Parte PG Requisitos Generales para todos los Métodos de Construcción 

Parte PW Requisitos para Calderas Fabricadas por Soldadura

 Parte PR Requisitos para Calderas Fabricadas por medio de Remachado  Parte PB Requisitos para Calderas Fabricadas por medio de Soldadura Brazing 

Parte PWT Requisitos para Calderas Acuotubulares



Parte PFT Requisitos para Calderas Pirotubulares

 Parte PFH Requisitos opcionales para Calentador de Agua de Alimentación (cuando está ubicado dentro del alcance de las Reglas de la Sección I) 234




Parte PMB Requisitos para Calderas Miniaturas



Parte PEB Requisitos para Calderas Eléctricas



Parte PVG Requisitos para Evaporadores de Fluidos Orgánicos

 Parte PHRSG Requisitos para los Generadores de Vapor con Recuperación de Calor El texto se referirá a la parte PFT que corresponde a los calderos pirotubulares.  Materiales: Los materiales para tubos, carcasas y tapas anterior y posterior donde se alojan los tubos se encuentra en la Sección II y deben limitarse a aquellos para los cuales se indican los valores de esfuerzo admisible en las Tablas 1A y 1B de la Sección II, Parte D, o excepto que se permita específicamente lo contrario en la Parte PG y PFT. 

Requisitos para determinar espesores: Parte PFT-8



Cañones o Cámaras de Combustión: Parte PFT-13

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CAPÍTULO 6 6.

Tratamiento de Agua para Calderos

El agua de alimentación de los calderos debe ser tratada antes de ser introducida al caldero con el objeto de generar un vapor de alta pureza y evitar los depósitos de lodos y la corrosión por las sales disueltas y no disueltas que el agua de alimentación contiene. El fondo del caldero es el sumidero de todo el sistema porque recibe y concentra los contaminantes antes de que el agua hierva. El performance del caldero, su rendimiento y la vida útil del mismo dependen directamente de la calidad del agua de alimentación y por consiguiente del tratamiento físico químico que se hace con ésta. Cuando el agua de alimentación entre al caldero, las temperaturas elevadas y la presión causan que los componentes del agua se comporten de manera diferente, la mayoría de los componentes del agua de alimentación son solubles, sin embargo, con el calor y la presión los componentes solubles se decantan como partículas sólidas, algunas veces en forma cristalizada y otras como partículas amorfas. Cuando la solubilidad de un componente específico en el agua es excedido se desarrollan incrustamiento o depósitos. El agua de un caldero debe ser lo suficientemente libre de sólidos disueltos para facilitar una rápida y eficiente transferencia de calor y no debe ser corrosiva al material del caldero. El agua tal como se encuentra en la naturaleza no es pura. Por su carácter de disolvente universal contiene en disolución infinidad de gases y sales disueltas o materias en suspensión que le transfieren propiedades en muchos casos indeseables, por lo que es necesario someterla a diferentes 237


tratamientos, según el uso al que habrá de destinarse con el objeto de eliminar dichos gases o sustancias extrañas o al menos neutralizar sus efectos. Aún el agua de lluvia se encuentra contaminada con gases, al atravesar la atmósfera, así como con partículas sólidas que se encuentran en suspensión en el aire. El agua, al atravesar terrenos de diferente composición, toma de éstos sales solubles las cuales generalmente contienen cloruro y bicarbonato de sodio. Estas sales disueltas como el carbonato de calcio y de magnesio reaccionan con el dióxido de carbono transformándolos en bicarbonato, los cuales pasan a integrarse a la solución. Efectos generales de las Impurezas: a) El barro y otros sólidos se depositan en el fondo de la caldera, formando un depósito fangoso que facilita el sobrecalentamiento de las planchas inferiores. Estos sobrecalentamientos provocan deformaciones que pueden ser altamente peligrosas. Estos depósitos se eliminan a través de las extracciones de fondo (purgas de fondo) que deben hacerse al final de cada turno de operación del caldero, hasta eliminar toda el agua turbia. Lo ideal es eliminar estas impurezas antes que el agua ingrese a la caldera, ya sea a través de una filtración o decantación. Para el caso de las materias orgánicas se procede a agregar pequeñas cantidades de hipoclorito de sodio. En general, el agua potable que suministran las empresas de agua potable ya ha sido sometida a este tratamiento. b) Las sales de calcio y magnesio, disueltas en el agua con que se alimenta a la caldera, se descomponen y se adhieren a las superficies más calientes de la caldera, especialmente en los tubos en forma de costras duras llamadas incrustaciones, lo que entorpece la transmisión del calor, permitiendo el sobrecalentamiento de estas superficies metálicas y puede originar hasta explosiones.

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Dureza del agua: La dureza del agua se debe a su contenido de sales de calcio y de magnesio. Se manifiesta por su tendencia a formar incrustaciones y por precipitar las soluciones de jabón. La dureza del agua se puede clasificar como temporal o permanente. La primera se origina por la presencia en solución de bicarbonato de calcio o de magnesio los cuales, al hervir el agua, pierden dióxido de carbono y se precipitan en forma de carbonato o de hidróxidos, eliminándose de la solución; de ahí su nombre de dureza temporal o dureza de carbonatos. La dureza permanente se origina por la presencia en solución de sulfatos o cloruros de calcio o de magnesio, los cuales no sufren cambio químico al hervir el agua, de donde se deriva el nombre de dureza permanente o dureza de no- carbonatos. La suma de la dureza temporal y la permanente se llama dureza total. Para expresar la concentración de las sales gases disueltos en el agua se utiliza el término: “partes por millón” o PPM y es la masa de esa substancia contenida en 1 millón de unidades de masa de agua. Considerando la densidad del agua igual a 1, una parte por millón equivale a 1mg/L o a 1 g/m3. Los bicarbonatos de calcio y magnesio disueltos en el agua forman una solución alcalina conocida como dureza alcalina. Ésta se descompone cuando el agua se calienta formando dióxido de carbono y un lodo suave que se asienta en la parte baja de la caldera. Los sulfatos de calcio y magnesio, cloruros y nitratos, cuando son disueltos en el agua, son químicamente neutros y se conoce como dureza no alcalina o dureza permanente; estos depósitos de sales son los que producen la incrustación en los tubos y paredes de la caldera los cuales son difíciles de remover. A medida que la temperatura se incrementa dentro de la caldera, su concentración aumenta mientras se gasta el vapor.

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La presencia de silicio en el agua del caldero genera incrustaciones de silicatos; también el silicio se puede asociar con sales de calcio y magnesio formando silicatos de muy baja conductividad térmica.

Fig. 80. Incrustaciones en Intercambiadores de Calor Fuente: https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTSoW--Cn1F2AH7vc6x10TIhjMxQYCxjccxrsQATgbU33oWrVp

Generalmente las industrias controlan la cantidad del agua de sus calderas por análisis de muestras que realizan en sus propios laboratorios y/o a través de la asesoría externa de alguna firma especializada. Sin embargo, algunas empresas, además de estos métodos, poseen un equipo portátil que maneja el propio operador de la caldera para controlar diariamente tanto la dureza (salinidad) como el pH (alcalinidad y acidez) del agua. Unidades de la Dureza del agua: La siguiente tabla muestra diferentes equivalentes de unidades de medición de la Dureza: 240


Tabla N° 24 Unidades Equivalentes en
Dureza en Granos Alemanes 1 p.p.m. es igual a 1g.p.g. es igual a 1DGH es igual a

0.056 DHG 0.96 DHG 1.00DGH

Granos por Galón Americano 0.058 g.p.g. 1g.p.g. 1.05 g.p.g.

mg por Litro ó ppm 1.00 ppm 17.1 ppm 17.9 ppm

El agua de los calderos se trata interna y externamente: Tratamiento de agua externo: El tratamiento de agua externo puede ser mecánico, térmico o químico. Como ejemplo de tratamiento mecánico pueden mencionarse la sedimentación y la filtración. La destilación y la desaereación por calentamiento son tratamientos térmicos. Los tratamientos químicos pueden ser con sustancias que producen reacciones de precipitación o neutralización o reacciones de intercambio iónico. La sedimentación se utiliza para eliminar las materias más pesadas que trae el agua en suspensión; básicamente consiste en dejar reposar el agua para dar oportunidad de que se asiente las partículas sólidas. Generalmente se combina con tratamientos químicos de precipitación y coagulación en los que se echa mano de sus ganancias que producen reacciones y luego coagulan las sales disueltas que se asientan junto con los materiales en suspensión, por lo que se conocen como precipitadores y coaguladores. La destilación y desaereación son tratamientos térmicos que, por lo general, utilizan el vapor como medio de calentamiento. La destilación separa las sales evaporando el agua, que al condensarse produce un agua de buena calidad que sólo contiene gases disueltos y una mínima cantidad de sales arrastradas por el vapor. 241


Los equipos de destilación se han perfeccionado con el objeto de aumentar su eficiencia, al grado de que, en las modernas plantas de evaporación instantánea de cámaras múltiples, es posible producir más de 10 kg de agua destilada por kilogramo de vapor. La desaereación tiene por objeto eliminar los gases disueltos en el agua, sometiéndola a ebullición mediante el uso de vapor. Los gases que generalmente interesa eliminar son el oxígeno y el dióxido de carbono ya que éstos comunican al agua características corrosivas. Los equipos que se utilizan son los desaereadores que pueden ser de charolas, según el método que se emplee, para poner en contacto el agua con el vapor. Como ya se mencionó, los tratamientos químicos por precipitación consisten en agregar sustancias químicas que reaccionen con las sales disueltas formando compuestos insolubles que se precipitan y se sedimentan. Esta precipitación puede hacerse en frío o en caliente. Los más comunes son los conocidos como cal-carbonato, ya sea en caliente o en frío, o el calalúmina en frío. Los tratamientos externos disponibles actualmente son: el intercambio iónico; la desmineralización; la ósmosis reversa y la desareación. Antes de usarse cualquiera de estos procesos, es necesario remover los sólidos suspendidos y la turbidez del agua cruda porque éstos pueden obstruir las resinas usadas en los tratamientos subsecuentes. 6.1. Características Físico-químicas del Agua de Alimentación El agua que va a ser utilizada para producir vapor, requiere ser tratada para que reúna ciertos requisitos indispensables para este fin, que son: 242


a) Debe ser clara, con los sólidos disueltos que no excedan de 6000 ppm. Cuando esta turbidez es superior, debe ser sometida a filtración. b) Debe estar totalmente exenta de dureza no carbónica. c) La dureza total no debe exceder de 35 ppm. d) Debe estar prácticamente exenta de aceites. e) Debe estar prácticamente exenta de oxígeno disuelto y gases corrosivos f) Debe tener un bajo contenido de sílice. h) El pH adecuado para evitar daños en una caldera es de 10.5 a 11.5 Tratamiento de agua interno: Consiste en suministrar internamente sustancias químicas que reaccionan con las impurezas del agua, precipitando sólidos insolubles o en suspensión, eliminables mediante purgas. Según el objetivo que persiguen, las sustancias se clasifican en: Reductoras de Dureza o Ablandadoras: - Hidróxido de sodio o soda cáustica (NaOH): Precipita las sales de magnesio: aumenta la alcalinidad. - Carbonato de sodio o soda comercial (Na2CO3): Precipita las sales de calcio; bajo costo; produce acidez. - Hidróxido de calcio o cal Ca(OH)2: Precipita las sales de calcio y magnesio. - Fosfatos de Sodio Na2HPO4 : Precipita sales de calcio. Debe mantenerse en exceso. Inhibidores de Corrosión: - Sulfito de Sodio NaSO3: Reacciona con el oxígeno produciendo sulfatos de sodio. Se utiliza para calderas de presiones menores a 30 Kg/cm2. 243


- Hidracina N2H4: Reacciona con el oxígeno produciendo nitrógeno y agua sin producir sólidos disueltos. Apta para calderas de alta presión. - Aminas: Utilizadas para el control de la corrosión en tuberías de retorno de condensado (corrosión por anhídrido carbónico). Inhibidores de Fragilidad Caústica: - Nitratos y nitritos de sodio NaNO3 - NaNO2: Debe usarse donde el agua tiene características de fragilidad. Inhibidores de Adherencias por Lodos: - Agentes orgánicos: Taninos, almidones, derivados de aguas marinas. Evita la formación de lodos adherentes y minimizan el arrastre. 6.2. Ablandadores por Intercambio Iónico El tratamiento químico con intercambio iónico es industrialmente el más común para suavizar el agua. Algunos materiales, cuando llegan a ponerse en contacto con el agua, cambian el radical de su base con los aniones que se encuentran disueltos en ella. Si se puede obtener un intercambio de calcio por sodio, el resultado será quitar la dureza del agua. La palabra zeolita está relacionada con esta propiedad. Al principio este término se aplicó a ciertas arenas naturales, pero éstas se han sustituido por materiales porosos denominadas resinas y obtenidas artificialmente. Se conoce como zeolita a los silicatos hidratados de sodio y aluminio, ya sean naturales o artificiales. La más usada es la zeolita de sodio, Na2(Al2Si208), cuyo símbolo simplificado es Na2Z. Se ha obtenido zeolitas orgánicas que no contienen sílice, las cuales pueden ser carbonáceas o resinosas; al igual que las zeolitas inorgánicas, pueden intercambiar el radical de base cuando una capa de este material 244


atraviesa el agua. Las reducciones típicas de las zeolitas sódicas con el agua son: 𝐶𝑎𝑆𝑂4 + 𝑁𝑎2 𝑍 → 𝑁𝑎2 𝑆𝑂4 + 𝐶𝑎𝑍 𝑀𝑔(𝐻𝐶𝑂3 )2 + 𝑁𝑎2 𝑍 → 2𝑁𝑎(𝐻𝐶𝑂3 )2 + 𝑀𝑔𝑍

Estas fórmulas muestran que al atravesar el agua dura la zeolita sale sin dureza; esto es, pierde sodio y gana calcio. Después de cierto tiempo la capa de zeolita se agota y ya no se realiza el intercambio por lo que obviamente la dureza del agua no se elimina. Afortunadamente, la zeolita tiene la propiedad de poderse regenerar si ésta se trata con una solución adecuada de sodio. Si una zeolita cargada de calcio y magnesio se trata con salmuera (cloruro de sodio), se regenera: 𝐶𝑎𝑍 + 2𝑁𝑎𝐶𝑙 → 𝑁𝑎2 𝑍 + 𝐶𝑎𝐶𝑙2 𝑀𝑔𝑍 + 2𝑁𝑎𝐶𝑙 → 𝑁𝑎2 𝑍 + 𝑀𝑔𝐶𝑙2

Fig. 81.

Esquema Interno de un Ablandador de Agua

Fuente: Pedro Abarca Bahamondes www.achs.cl

245


Fig. 82. Esquema de un Ablandador y Tanque de Salmuera Fuente: Prácticas del Laboratorio de Máquinas térmicas de la UNAM

Cuando la planta está en servicio, el agua cruda entra por la parte superior del tanque suavizado que contiene la zeolita, y sale por la parte inferior ya ablandada lista para emplearse en las calderas. Una vez que la zeolita ha perdido sus propiedades, es necesario regenerarla, las válvulas se abren y cierran con el fin de retrolavar, y enjuagar la unidad. En el cuadro siguiente se muestran qué válvulas deben estar abiertas y cuáles cerradas para las distintas operaciones de servicio, lavado, regeneración y enjuague: VÁLVULAS ABIERTAS OPERACIÓN

a

b

SERVICIO

x

x

LAVADO

x

c

d

f

g

h

i

x

k

x x

x

j

x

REGENERACIÓN ENJUAGUE

e

x

x

x

Fig. 83. Detalle Operacional de Válvulas

246


c: válvula (bypass) h: válvula con abertura calibrada (siempre abierta) i: válvula con abertura calibrada (siempre abierta) k: válvula de estrangulación (siempre abierta) 6.3. Alcalinidad - acidez del Agua Con el fin de evitar la corrosión de las partes metálicas de la caldera debido a la presencia de oxígeno y anhídrido carbónico en el agua, se recurre a la medición del grado de alcalinidad o acidez. Para esto, existen dos métodos distintos: a) Determinación del pH Para ello se ha ideado una escala de valores pH (concentración de iones de hidrógeno) entre 0 y 14. pH entre 0 y 6 indica agua ácida. pH igual a 7 indica agua neutra. pH igual 8 y 14 indica agua alcalina. En la determinación práctica del pH se pueden emplear papeles impregnados (papeles ph) con colorantes especiales que indican su valor al adquirir determinados valores. Se recomienda que el pH del agua de caldera sea superior a 7 (agua neutra o alcalina) y, en lo posible, superior a 10,5 y menor a 12. b) Titulación de la Alcalinidad Se utiliza dos indicadores: fenolftaleína (alcalinidad F) y anaranjado de metilo (alcalinidad M). 247


Alcalinidad F: Se agrega algunas gotas de fenolftaleína a una muestra de agua a analizar. Si no hay cambio de color, significa que la alcalinidad F es cero. Si la solución toma color rosado, debe agregarse una solución de ácido sulfúrico hasta que desaparezca el color rosado. 6.4. Concentración de sólidos totales disueltos y en suspensión Para su medición se puede emplear un densímetro o un medidor de conductancia eléctrica. La concentración permisible de sólidos en suspensión no debe sobrepasar el 20% del total de sólidos (disueltos y en suspensión). En general, la concentración máxima tolerable de TDS no debe ser superior a 3.500 ppm. Cloruros: Es una indicación muy aproximada de la concentración relativa de todos los minerales disueltos en el agua. Los valores permisibles dependen de la presión de trabajo, estimándose como adecuado para calderas de baja presión un máximo de 300 ppm de cloruros. Este control se utiliza para determinar los ciclos de concentración de la caldera que a su vez determina la cantidad de purgas o extracciones. Sulfitos: Es una indicación de la protección contra las oxidaciones. Se recomienda 15 a 40 ppm de sulfitos. Fosfatos: Es necesario mantenerlos permanentemente entre 20 a 40 ppm para asegurar la eliminación de dureza.

248


6.5. Diseño de Ablandadores19 Para el diseño de un Ablandador se debe tener los siguientes datos: 1° Dureza del agua expresada en granos por galón (g.p.g.) 2° Se debe determinar el tiempo entre regeneraciones, es decir, el diseñador decide cada cuánto tiempo se va a regenerar la resina o zeolita del ablandador, esta variable dependerá de la programación de mantenimiento del caldero o conocer cada cuánto tiempo el caldero no está en funcionamiento ya que al no estar disponible el ablandador el caldero no podrá ser alimentado con agua cruda. Este dato deberá ser consultado con el Departamento de Producción. 3° Se debe conocer la potencia del Caldero en BHP 4° Se debe conocer el porcentaje de retorno de vapor en forma de condensado si es que lo hubiere, ya que este retorno de agua (siempre y cuando no se haya contaminado) ya no necesita ser tratada y la capacidad del ablandador será menor. Ejemplo 6.5.1 Diseño de Ablandador: Se desea diseñar un ablandador para una caldera de 100 BHP operando 8 horas al día, 6 días a la semana sin regeneración a plena carga con un 20% de retorno de condensado. El agua cruda suministrada contiene 16 g.p.g. (granos por galón americano). Determinar las características del ablandador. Solución: 1°. Se determinará el flujo másico de agua.

19Manual

de Instrucciones Suavizadores de agua Calderos Clayton México

249


El Término BHP significa, “la cantidad necesaria de calor para evaporar 15.65 Kg de agua/h”, considerando la densidad del agua igual a 1kg/L, significa que por cada BHP se consume 15.65 L/h, expresado en galones, se puede formular como: 4 galones⁄ h BHP

2°. A partir de la expresión anterior, se puede añadir los diferentes factores que determinarán el número de granos por regeneración: 4𝑔𝑎𝑙𝑜𝑛𝑒𝑠 16 granos 8 h 6 días semana 20 ∙ 100 BHP ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 1.15 ∙ (1 − ) 𝐵𝐻𝑃 ∙ ℎ galón día semana regeneración 100 =

282624 granos regeneración

Nótese que existe un factor de seguridad de 1.15 para posibles fluctuaciones de la dureza del agua y el agua de alimentación es disminuida en un 20% debido al dato de porcentaje de retorno de vapor condensado. Conociendo el número de granos por regeneración, se puede especificar un ablandador de similar o mayor capacidad. En caso que se desee construir el ablandador, se puede recurrir a la siguiente Tabla en la cual se especifica características particulares como diámetros de las tuberías, flujo en servicio, flujo de lavado, dimensiones del tanque suavizador, cantidad de resina en masa, volumen del tanque de salmuera y masa de sal.

250


Tabla N° 25

6.6. Mantenimiento de Generadores de Vapor Inicialmente es recomendable tener junto al Caldero los siguientes equipos auxiliares para un mejor control del mismo y, sobre todo, para monitorear su eficiencia: Accesorios para Optimizar el Rendimiento en las Calderas     

Medidor de agua de alimentación. Termómetro para gases de salida. Contador de combustible. Medidor de flujo de vapor. Analizador de gases de emisión en la chimenea.

251


Mantenimiento diario: 1) Ciclo de funcionamiento del quemador. 2) Control de la bomba de alimentación. 3) Ubicación de todos los protectores de seguridad. 4) Control rígido de las purgas. 5) Purga diaria de columna de agua. 6) Procedimiento en caso de falla de suministro. 7) Tipo de frecuencia de lubricación de suministro de motores y rodamientos. 8) Limpieza de la boquilla del quemador y del electrodo de encendido. 9) Verificación de la temperatura de agua de alimentación. 10) Verificación de limpieza de mallas a la entrada del aire al ventilador, filtro de aire en el compresor, filtros de combustible, área de la caldera y sus controles Mantenimiento mensual: 1) Limpieza de polvo en controles eléctricos y revisión de contactos. 2) Limpieza de filtros de las líneas de combustible, aire y vapor. 3) Mantenimiento a todo el sistema de agua: filtros, tanques, válvulas, bomba, etc. 4) Engrasar motores. 5) Desmonte y limpieza del sistema de combustión. 6) Verificar estado de la cámara de combustión y refractarios. 7) Verificar estado de trampas de vapor. 8) Limpieza cuidadosa de columna de agua. 252


9) Verificar acoples y motores. 10) Verificar asientos de válvulas y grifos. 11) Verificar bloqueos de protección en el programador. 12) Dependiendo del combustible incluir limpieza del sistema de circulación de gases. Mantenimiento Semestral: Se incluye el programa mensual, adicionando: 1) Lavado interior al lado del agua, removiendo incrustaciones y sedimentos. 2) Verificar si hay indicios de corrosión, picadura o incrustación al lado del agua. Análisis periódico del agua. 3) Utilizar empaques nuevos en tapas de inspección de mano y hombre. 4) Cambiar correas de motor si es necesario. Revisar su tensión. 5) Limpiar los tubos del lado de fuego, pues el hollín es un aislante térmico. 6) Verificar hermeticidad de las tapas de inspección al llenar la caldera. 7) Verificar el funcionamiento de las válvulas de seguridad. Mantenimiento Anual: Se incluye el programa semestral, adicionando: 1) Cambio de empaques de la bomba de alimentación si es necesario. 2) Mantenimiento de motores eléctricos en un taller especializado. Desarme total con limpieza y prueba de aislamientos y bobinas.

253


3) De acuerdo a un análisis del agua y las condiciones superficiales internas de la caldera, se determina si es necesario realizar una limpieza química de la caldera. 6.7. Atención de Emergencias en Calderas20 En la siguiente tabla se presenta las condiciones de emergencias más comunes que ocurren durante la operación de calderas, por las cuales se debe aplicar una acción inmediata, y se describen las medidas preventivas que evitarían la ocurrencia de la emergencia. Tabla N° 26 Procedimientos de Emergencias en Calderas

Evento

Acción

Medida preventiva

▪ Explosión del tubo de nivel

▪ Cerrar los grifos de nivel

▪ Utilizar los tubos indicados ▪ Verificar el alineamiento de los racores ▪ Colocar válvulas de venteo de aire en el McDonnell ▪Programa de Mantenimiento

▪ Incendio en el hogar de la caldera

▪ Cortar el suministro de combustible ▪ Retirar del hogar el exceso de combustible

▪ Revisar periódicamente el sellado de las solenoides y repararlas o cambiarlas

▪ Excesiva temperatura de gases de salida

▪ Sacar de servicio la caldera ▪ Proceder a enfriarla para deshollinarla

20

http://suratep.grupomide.com/ecapacitacion/presentaciones/guia/sec_guia.pdf

254


Evento

Acción

Medida preventiva

▪ Incendio en el tanque de combustible

▪ Instalar un extintor de espuma

▪ Mantener en buen estado los elementos de control de temperatura ▪Programa de Mantenimiento

▪ No es visible el nivel de agua

▪ Apagar el equipo ▪ No suministrar agua fría

▪ Instalar o revisar controles y alarmas de nivel ▪ Programa de mantenimiento

▪ Nivel bajo de agua

▪ Cortar el suministro de combustible ▪ Verificar daño en el colector de vapor o los tubos

▪ Instalar o revisar controles y alarmas de nivel ▪Programa de Mantenimiento

▪ Exceso de presión

▪ Aumentar la salida de Vapor.

▪ Instalar controles de exceso de presión (válvula de seguridad). ▪ Verificar periódicamente los controles

▪ Vibraciones excesivas

▪ Parar inmediatamente el equipo

▪ Inspeccionar periódicamente piezas sueltas, corrosión, grietas, erosión e indicadores de daños en el metal, sistemas de transmisión de fuerzas. ▪ Verificar funcionamiento con equipos de medición de vibraciones

▪ Cortocircuito

▪ Desconectar el corto circuito tomando las debidas precauciones ▪Abrir el disyuntor del corto-circuito o desconectar ▪ Estar preparados para usar extintores en incendios de origen eléctrico

▪Realizar mediciones de resistencia eléctrica de aislamiento. ▪ Ubicar y coordinar apropiadamente los dispositivos de protección

255


Evento

Acción

Medida preventiva

▪ Equipo eléctrico mojado

▪ Cortar la corriente eléctrica ▪ Secar y probar los motores

▪ Localizar los equipos eléctricos por fuera de niveles de inundación ▪ Usar protectores y cubiertas para evitar la humedad

▪Cojinetes recalentados

▪ Verificar la refrigeración y lubricación de los cojinetes

▪ Inspeccionar periódicamente cojinetes, lubricación adecuada y funcionamiento del sistema de refrigeración

▪Tubería o depósito de aire comprimido recalentados

▪ Determinar la causa de alta temperatura y cerrar ▪ Dejar que se enfríen Normalmente

▪ Verificar periódicamente el intercambio de calor ▪ Instalar alarmas de alta temperatura.

▪Incendio de un motor eléctrico

▪ Desconectar la corriente eléctrica ▪ Estar preparados para usar extintores apropiados para incendios eléctricos Detener la bomba de lubricación ▪ Detener la operación de la máquina

▪ Mantenimiento periódico de motores, anillo y circuitos de regulación

▪Escapes de vapor

▪ Si el escape es en el tubo de vapor, cortar el vapor ▪ Si el escape es en la caldera, parar la caldera

▪ Determinar causa del escape y corregir el problema para evitar que vuelva a suceder ▪ Programa de mantenimiento

▪Fallas repetidas en motor

▪ Sustitución por un motor de recambio

▪ Determinar si el uso del motor es correcto y si este es apropiado para su función

▪ Fallo de acople

▪ Sustitución o reparación

▪ Comprobar la lubricación apropiada, determinar la alineación apropiada

▪ Tubos de lubricación rotos

▪ Inspeccionar visualmente el sistema de lubricación y sus conexiones periódicamente

256


CAPÍTULO 7 7.

Distribución del Vapor

7.1. Calidad y Calorímetros de Vapor21 Estudio de la Naturaleza del Vapor: Cuando al agua se le suministra energía calorífica, sus propiedades y su estado físico varían. A medida que tiene lugar el calentamiento, la temperatura aumenta hasta llegar al punto de líquido saturado (figura 84.) A partir de aquí, la temperatura permanece constante mientras el líquido se evapora. Cuando el líquido se ha evaporado completamente cambiando a la fase gaseosa, se llama vapor saturado y seco; si se sigue suministrando calor, la temperatura deja de ser constante y vuelve a aumentar, pasando el vapor a lo que se denomina vapor sobrecalentado. Cuando la temperatura aumenta (o disminuye), se dice que el calor es sensible; cuando permanece constante, se dice que es latente.

Fig. 84. Diagrama T vs S Curva Isobárica 21


257


Para determinar el estado de una sustancia es necesario conocer sus propiedades termodinámicas en un momento determinado. Estas propiedades son presión (P), temperatura (T), volumen específico (v), energía interna específica (u), entalpía (h) y entropía (S). La temperatura, la presión y el volumen pueden determinarse por experimentación; las otras propiedades se calculan en función de estas tres variables. Para poder definir las propiedades de una sustancia es necesario conocer por lo menos dos de ellas. Como puede verse en la figura 84, durante el cambio de fase en la región del vapor húmedo, la temperatura y la presión permanecen constantes, por lo cual, además, se requiere conocer el grado de humedad o calidad para determinar todas sus propiedades. Calidad de un Vapor: La calidad de un vapor se define como el porcentaje en peso del vapor saturado seco que hay en un vapor húmedo. La humedad de un vapor se define como el porcentaje en peso del líquido saturado que hay en un vapor húmedo. La humedad es el complemento de la calidad. La humedad y la calidad pueden expresarse como porciento o como decimal. La calidad se representa con la letra X y la humedad con la letra Y. 𝑥 + 𝑦 = 1 o 𝑥 + 𝑦 = 100 %

(7.1.1)

Si ℎ𝑓 representa el valor de la entalpía del líquido saturado, ℎ𝑔 representa el valor de la entalpía de vapor saturado y ℎ𝑓𝑔 representa la entalpía de vaporización, la entalpía total de un vapor húmedo estará dada por: ℎ = 𝑦(ℎ𝑓 ) + 𝑥(ℎ𝑔 ) = (1 − 𝑥)ℎ𝑓 + 𝑥(ℎ𝑔 ) ℎ = ℎ𝑓 + 𝑥(ℎ𝑔 − ℎ𝑓 ) = ℎ𝑓 + 𝑥(ℎ𝑓𝑔 )

(7.1.2)

258


En la industria, el vapor puede estar a la presión y la temperatura correctas, pero la calidad del vapor es también muy importante. El vapor, de preferencia, debe estar seco. El vapor seco es vapor de agua que tiene una fracción mínima de humedad, es decir, casi no tiene humedad. Por desgracia, en la mayoría de los sistemas de vapor se encuentra vapor húmedo. El vapor húmedo es vapor de agua que contiene un porcentaje de agua. Si se usa vapor húmedo se puede reducir la productividad de la planta y la calidad del producto; el vapor puede causar daños en diferentes accesorios de los equipos, como erosión, y afectar a los procesos de transferencia de calor. La presencia de humedad en el vapor causa pérdidas, no solamente debido al poco calor almacenado en un vapor húmedo, sino también a que un vapor con humedad causa mayor fricción en motores de vapor, interfiere con una buena lubricación, causa cavitación en las tuberías de vapor y causa erosión y desbalance en los álabes de las turbinas de vapor. Definición y Clasificación de Calorímetros: Como se mencionó líneas arriba, conocer la calidad de un vapor es muy importante. En este apartado se estudiará los equipos de medición utilizados para determinar la calidad del vapor, denominados calorímetros de vapor. Calorímetro de Estrangulación: Si se estrangula al vapor y a continuación se lo expansiona sin realizar trabajo, suponiendo que no hay pérdidas de calor, la energía total del vapor permanece invariable. El vapor se estrangula con una válvula y la expansión se lleva a cabo en una cámara para finalmente salir a la atmósfera.

259


Fig. 85. Calorímetro de Estrangulamiento

Un esquema de un calorímetro de estrangulamiento se muestra en la figura 85. El vapor sale de la Caldera y se estrangula por medio de una válvula de cortina; las condiciones termodinámicas del vapor se determinan a través de dos variables: la Presión dentro del caldero y la Temperatura del caldero. Una vez que se abre la válvula, el vapor pasa a una campana abierta a la atmósfera y se espera que la temperatura se estabilice. El análisis que se efectúa es el siguiente: aplicando la Primera Ley de la Termodinámica entre los puntos 1 y 2 del calorímetro de la figura 85, considerando además que es un proceso adiabático y despreciando la variación de energías cinética y potencial, la ecuación de la energía para un flujo constante: 𝑣 𝑄̇ − 𝑊̇ = 𝑚̇ [ℎ2 − ℎ1 + 𝑔(𝑧2 − 𝑧1 ) + 2

2 −𝑣 2 1

2

]

(7.1.3)

Se reduce a: ℎ1 = ℎ2

(7.1.3.1)

Se puede decir que en el calorímetro ocurre un proceso isoentálpico, cuya gráfica se muestra en la siguiente figura: 260


Fig. 86. Gráfica de Proceso Isoentálpico en Calorímetro de Estrangulamiento

Si asumimos que en la caldera existe vapor húmedo, entonces la ecuación anterior se convertiría en: ℎ𝑓 + 𝑥ℎ𝑓𝑔 = ℎ2 𝑥=

Donde:

(7.1.4)

ℎ2 −ℎ𝑓 ℎ𝑓𝑔

es la entalpía del vapor que se halla en tablas de vapor sobrecalentado con la temperatura 𝑇2 y la Presión atmosférica ℎ2

𝑃𝑎𝑡𝑚 ℎ𝑓 y ℎ𝑓𝑔 son las entalpías del líquido y entalpía de vaporización del agua a la presión o temperatura de saturación dentro de la caldera, (dato que se busca en tablas de vapor saturado) 𝑥 es la calidad del vapor dentro de la caldera

Los calorímetros de estrangulación son bastante sencillos en su construcción y con ellos se puede alcanzar resultados confiables. Calorímetro Eléctrico: En este calorímetro el vapor húmedo que se obtiene de la caldera se sobrecalienta por medio de una resistencia eléctrica. El calor que la resistencia suministra es igual al calor que el vapor absorbe al sobrecalentarse. 261


Fig. 87. Calorímetro Eléctrico

El balance energético para el calorímetro eléctrico corresponde al calor que genera la resistencia eléctrica. Este calor es aprovechado por el vapor húmedo hasta convertirse en vapor sobrecalentado. La ecuación que rige este proceso es la siguiente: 𝑉 ∙ 𝐼 = 𝑚̇𝑣 (ℎ2 − ℎ1 ) = 𝑚̇𝑣 ℎ2 − 𝑚̇𝑣 ℎ1 ℎ1 = ℎ2 −

𝑉𝐼 𝑚̇𝑣

pero

𝑥=

Donde:

entonces

ℎ1 = ℎ𝑓 + 𝑥ℎ𝑓𝑔

𝑉∙𝐼 𝑚̇𝑣

ℎ2 −ℎ𝑓 − ℎ𝑓𝑔

(7.1.5)

ℎ𝑓 + 𝑥ℎ𝑓𝑔 = ℎ2 −

𝑉𝐼 𝑚̇𝑣

(7.1.6)

es la entalpía del vapor que se halla en tablas de vapor sobrecalentado con la temperatura 𝑇2 y la Presión atmosférica ℎ2

𝑃𝑎𝑡𝑚

y ℎ𝑓𝑔 son las entalpías del líquido y entalpía de vaporización del agua a la temperatura 𝑇1 de saturación dentro de la caldera, se hallan en tablas de vapor saturado 𝑥 es la calidad del vapor dentro de la caldera 𝑚̇ 𝑣 es el flujo másico de vapor que se determina controlando el volumen condensado en la cubeta en un tiempo dado 𝑉 ∙ 𝐼 es la potencia que requiere la resistencia para sobrecalentar el vapor en función del Voltaje y la Intensidad ℎ𝑓

262


7.2. Tuberías de Vapor y su Dimensionamiento El sistema de distribución del vapor es un enlace esencial entre el caldero y el usuario final del vapor. La fuente principal del vapor puede ser la casa de máquinas donde se encuentra el caldero o la planta de cogeneración. Cualquiera sea la fuente del vapor es importante una eficiente distribución del mismo con una adecuada presión, calidad y cantidad hasta el equipo que lo requiera. El diseño de la instalación de la distribución y el mantenimiento del sistema de vapor son muy importantes. Un típico sistema de distribución del vapor se muestra a continuación con los diferentes componentes:

Fig. 88. Típica Instalación de Caldero y su Distribución Fuente: Spirax Sarco Limited

263


El vapor sale del caldero a través de la válvula principal y pasa por la tubería principal hasta los puntos de baja presión. La tubería inicialmente se halla más fría que el vapor y éste transfiere calor hacia la tubería y el medio ambiente, por tanto, el vapor comenzará a condensarse inmediatamente; a este proceso se lo conoce como “carga inicial”. Una vez que exista equilibrio entre vapor y tuberías, todavía existirá transferencia de calor al medio ambiente de forma permanente; a esta carga térmica se le llama “carga de funcionamiento”. La consecuente condensación fluirá hacia las partes bajas de las tuberías por efecto de la gravedad; el sistema se debe diseñar con una pendiente en el mismo sentido del flujo del vapor y el condensado debe ser drenado en diferentes puntos estratégicos de la línea principal. El líquido condensado proviene de los equipos, donde se ha usado el vapor, y de las líneas de distribución; este condensado debe ser realimentado a la caldera y no necesita tratamiento. Presión de Trabajo: La distribución del vapor está influenciada por diferentes factores pero está limitada por las siguientes condicionantes: 

La presión máxima de trabajo del caldero.



La presión mínima requerida por la planta.

A medida que el vapor circule por la tubería de distribución, la presión caerá inevitablemente debido a: 

La resistencia por fricción dentro de la tubería

 La condensación dentro de tubería a medida que el calor es transferido al ambiente. 264


Por lo tanto, en el diseño inicial del sistema de distribución se debe considerar estas pérdidas. Un kilogramo de vapor a alta presión ocupa menos volumen que a baja presión; por tanto, si un sistema genera vapor a alta presión y lo distribuye a alta presión, el tamaño del sistema será más pequeño.

Fig. 89. Presión de Vapor Saturado Seco vs Volumen Específico Fuente: Spirax Sarco Limited

Generar y distribuir vapor a alta presión ofrece tres importantes ventajas:  La capacidad térmica de almacenaje del caldero se incrementa, permitiendo así, una mejor respuesta a la demanda, minimizando el riesgo de producir vapor húmedo y sucio.  Se requiere diámetros menores en las tuberías, lo que disminuye el costo de materiales y también material de aislamientos, así como menor costo de mano de obra.  Evidentemente también existen mayores pérdidas cuando el vapor se halla a mayores presiones, pero estas pérdidas son mínimas cuando el sistema trabaja con bajas presiones. Si el sistema opera a altas presiones se debe 265


pensar en aparatos de regulación de presión para equipos que operan a baja presión. Reducción de Presión: El método común para reducir la presión en un determinado punto es el uso de una válvula reductora de presión similar a la que se muestra en la siguiente figura:

Fig. 90. Típica Estación de Válvula Reguladora de Presión Fuente: Spirax Sarco Limited

Se instala un separador aguas arriba de la válvula reductora para remover el agua del vapor húmedo, asegurando una alta calidad del vapor. Después de la válvula reductora se instala una válvula de seguridad para evitar sobre presiones que afecten los equipos o al personal. La estación de reducción de presión, también está compuesta por:  La válvula de corte primaria, que corta el sistema para efectos de mantenimiento.

266


 El manómetro de presión primario, que monitorea la presión suministrada por el sistema. 

El filtro, que evita el paso de suciedad a la estación.

 El manómetro de presión secundario, que sirve para monitorear la presión de entrada al equipo que requiere vapor. 

La segunda válvula de corte, que sirve para cortar la presión.

Normas y Espesor de Paredes en Tuberías: Existe diferentes normas de tuberías en el medio, sin embargo, las más conocidas son las de la A.P.I. (Instituto Americano del Petróleo) donde las tuberías son clasificadas por números de esquema. Estos esquemas relacionan la presión que soporta la tubería. Existe once números esquemas: Esquema

5

10

20

30

40

60

80

100

120

140

160

Para diámetros hasta 150 mm (6”) y menores se específica el uso Esquema 40 como mínimo para aplicaciones de vapor. Independientemente del número de Esquema, los diámetros de las tuberías permanecen constantes, lo que varía a medida que aumenta el esquema es el espesor de la tubería y consiguientemente disminuye el diámetro interior. Por ejemplo:  Un tubo de 100 mm (4”) esquema 40 tiene un diámetro exterior de 114.30 mm y un espesor de 6.02 mm presentando un diámetro interior de 102.26mm  Un tubo de 100 mm (4”) esquema 80 tiene un diámetro exterior de 114.30 mm y un espesor de 8.56 mm presentando un diámetro interior de 97.18 mm. 267


Solamente los esquemas 40 y 80 cubren diámetros desde 15 mm hasta 600 mm y son los esquemas más usados para instalaciones de vapor. La siguiente tabla muestra los diámetros para diferentes esquemas en tuberías para vapor: Tabla N° 27 Diámetros Diferentes Esquemas

Diámetro interior nominal de tubo (mm) Esquema 40 Esquema 80 Esquema 160 DIN 2448

15

20

25

32

40

50

65

80

100

150

15.8

21.0

26.6

35.1

40.9

52.5

62.7

77.9

102.3

154.1

13.8

18.9

24.3

32.5

38.1

49.2

59.0

73.7

97.2

146.4

11.7

15.6

20.7

29.5

34.0

42.8

53.9

66.6

87.3

131.8

17.3

22.3

28.5

37.2

43.1

60.3

70.3

82.5

107.1

159.3

Fuente: Spirax Sarco Limited

Material de Tuberías de Vapor: Las tuberías para vapor están comúnmente fabricadas de acero al carbón ANSIB 16.9 A106. Este mismo material se usa para las líneas de retorno de condensado; sin embargo, algunas industrias prefieren tubería de cobre. Para tuberías principales de alta temperatura se requiere aleaciones adicionales en base a cromo y molibdeno para aumentar su resistencia a la tracción y a la fluencia a altas temperaturas. Las tuberías normalmente vienen en unidades de 6 m de largo.

268


Dimensionamiento de las Tuberías: El objetivo de cualquier sistema de distribución es suplir el fluido a la correcta presión al punto de uso, por lo tanto el estudio de la caída de presión es importante.

Fig. 91. Caída de Presión en una Tubería Fuente: Spirax Sarco Limited

Darcy Thompson explica que a lo largo de una porción de tubería existe una caída de presión debido a que parte de la energía es utilizada para vencer la fricción existente al interior de la tubería. Esta energía perdida dependerá del largo y diámetro interno de la tubería, la densidad del fluido, viscosidad del mismo y rugosidad de la pared interna de la tubería. La ecuación que relaciona estas variables es la siguiente: ℎ𝑓 =

Donde:

4𝑓𝐿𝑢2 2𝑔𝐷

(7.2.1)

es el factor de fricción 𝐿 es el largo de la tubería entre dos puntos de medición de presión (m) 𝑢 es la velocidad del fluido en (m/s) 2 𝑔 es la constante gravitacional 9.81 m/s ℎ𝑓 es la pérdida de carga debido a la fricción (m) 𝐷 es el diámetro interno de la tubería (m) 𝑓

269


El factor de fricción puede ser determinado por la carta de Moody y, para flujos turbulentos, puede calcularse a partir de la ecuación de Colebrook White. 1 √𝑓

Donde:

𝑓 es

2𝑘𝑠

= 3.48 − 1.74 𝑙𝑛 (

𝐷

+

9.3 𝑅𝑒 √𝑓

)

el factor de fricción relacionada con la carta de Moody

𝑘𝑠

es la rugosidad absoluta de la tubería (m)

𝐷

es el diámetro interno de la tubería (m)

𝑅𝑒

(7.2.2)

es el número de Reynolds

Sin embargo, como regla general, para flujos turbulentos con Re entre 4000 y 100000 se puede hallar el factor de fricción con la siguiente fórmula: 𝑓≈

0.08 4

√𝑅𝑒

(7.2.3)

Ejercicio 7.2.1: Determinar la velocidad, factor de fricción y la diferencia de presiones entre dos puntos a 1 km de distancia en una tubería de 150 mm de diámetro interior, cuyo flujo es 45m3/h a 15°C. Solución: Se determina la velocidad a partir de la ecuación de la continuidad. 𝑉̇ = 𝑢 ∙ 𝐴

𝑢=

(7.2.4)

3 45 𝑚 ⁄ℎ ∙ 4 = 0.71 𝑚⁄𝑠 𝑠 3600 ∙ 𝜋 ∙ 0.152 ℎ

En esencia, el factor de fricción depende del número de Reynolds del flujo y la rugosidad relativa 𝑘𝑠⁄𝐷 del diámetro interior de la tubería. Ahora se hallará el Re. 270


𝑅𝑒 =

Donde:

𝜌𝑢𝐷 𝜇

=

1000∙0.71∙0.15 1.138∙10−3

= 93585

(7.2.5)

es el número de Reynolds 3 𝜌 es la densidad del fluido 1000 kg/m 𝑢 es la velocidad del fluido 0.71 m/s -3 𝜇 es la viscosidad cinemática a 15°C (1.138 x10 kg/m s de tablas de vapor). 𝑅𝑒

La rugosidad de la tubería o valor de 𝑘𝑠 (a menudo denominado 𝜀 en otros textos) se toma de tablas para aceros de tuberías comerciales, aproximadamente igual a 0.000045 m. A partir de este dato se determina la relación 𝑘𝑠⁄𝐷 entrando a la carta de Moody. 0.000045𝑚 𝑘𝑠⁄ 𝐷 = 0.15𝑚 = 0.0003

es la rugosidad relativa

(7.2.6)

Con este dato se entra a la carta de Moody y se halla el factor de fricción.

271


Fig. 92. Carta de Moody en SI Fuente: Spirax Sarco Limited

Ahora se retoma la ecuación original de Dárcy de carga. ℎ𝑓 =

(7.2.1)

y se halla la pérdida

4𝑓𝐿𝑢2 4 ∙ 0.005 ∙ 1000 ∙ 0.712 = = 3.43 𝑚 𝑑𝑒 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 2𝑔𝐷 2 ∙ 9.81 ∙ 0.15

272


¿Qué ocurre cuando se diseña con tuberías sobredimensionadas? 

Las tuberías, válvulas y accesorios serán más caros.



Se incurrirán en mayores costos de instalación, aislamiento, etc.

 Se formarán mayores volúmenes de condensados, debido a una mayor pérdida de calor al existir mayor superficie de contacto, esto a su vez incidirá en:  Requerimiento de más trampas de vapor.  Vapor húmedo llegará hasta donde se necesite el vapor. Como ejemplo se puede mencionar que una instalación de tubería que usa un diámetro de 80 mm tendrá un costo adicional del 44%, a comparación de una instalación de tubería con un diámetro de 50 mm. Cualquier sección de la tubería de 80 mm no aislada perderá 50% más de calor que una tubería de 50 mm de diámetro. ¿Qué ocurre cuando se diseña con tuberías subdimensionadas?  Es posible que se llegue con una presión menor al punto donde se requiera vapor, lo cual puede afectar el comportamiento del equipo que usa el vapor.  Existe el riego de falta de vapor debido a una excesiva caída de presión.  Existe un alto riesgo de erosión, cavitación y ruido debido a la alta velocidad del vapor. Como ya se mencionó, determinar el factor de fricción (f) es difícil y los cálculos son engorrosos, especialmente, si el flujo es turbulento, así que existen tablas y gráficas que facilitan la determinación de diámetros de tuberías para diferentes flujos y caídas de presión. 273


Un método muy usado es el de “factor de presión”, el cual utiliza una tabla en conjunción con la ecuación siguiente: 𝐹=

Donde:

𝐹

𝑃1 −𝑃2 𝐿

(7.2.7)

es el factor de Presión que se halla en la tabla

es la presión de entrada 𝑃2 es la presión de salida en el trayecto 𝐿 de longitud de tubería que se halla en la tabla 𝐿 es la longitud del trayecto de tubería 𝑃1

Ejercicio 7.2.2: Considerar el sistema mostrado en la figura 93 y determinar el diámetro de tubería requerida del caldero hasta el intercambiador de calor. La demanda o carga de vapor del intercambiador es de 270 kg/h.

Fig. 93. Arreglo de Caldero e Intercambiador de Calor Fuente: Spirax Sarco Limited

274


Solución: A pesar que el intercambiador de calor sólo requiere de 270 kg/h de vapor, el caldero debe suministrar más vapor para compensar las pérdidas de calor por las tuberías. Con el objeto de compensar las pérdidas por codos y otros accesorios se usa el largo equivalente. Si se conoce el diámetro de la tubería se puede calcular las pérdidas en los accesorios. Como en este ejemplo no se conoce el diámetro, se puede usar una adición equivalente en base a la experiencia:  Si el largo del tubo es menos de 50 m, se puede añadir un 5% para los accesorios.  Si el largo es mayor a 100 m con pocos accesorios y trayectoria recta, se puede aumentar un 10% para compensar las pérdidas por los accesorios.  Si la trayectoria no es recta y con muchos accesorios, se puede aumentar hasta un 20%. En este ejercicio:

𝐿𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 = 150 𝑚 + 10 % = 165 𝑚

Si bien el calentador requiere de 270 Kg/h de vapor, entonces la línea debe llevar este flujo más el vapor que se condensa debido a la transferencia de calor. Como aún no se conoce el diámetro, no se puede hacer cálculos exactos pero se puede hacer un estimado si las tuberías están aisladas, tomando un 3.5 % de carga de vapor por cada 100 m de largo. En este ejercicio:

% 𝑎𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 =

165 100

𝑥3.5% = 5.8%

𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝐶𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑜 = 270

𝑘𝑔 ℎ

+ 5.8% = 286 𝑘𝑔/ℎ

En la Tabla N° 28 se extrae una parte del Anexo A que muestra diferentes presiones manométricas con sus respectivos factores de presión, 𝑃1(7.0 𝑏𝑎𝑟) = 56.38, 𝑃2 (6.6 𝑏𝑎𝑟) = 51.05 , los cuales se utilizarán en la ecuación (7.2.7) para determinar el valor del factor de presión para el tramo de 165 m

275


Tabla N° 28 Porción extractada del Anexo N° A

Presión Manométrica (bar)

Factor de Presión (P)

6.5 6.6 6.7 6.9 7.0 7.1

49.76 51.05 52.36 55.02 56.38 57.75

𝐹=

𝑃1 − 𝑃2 56.38 − 51.05 = = 0.0323 𝐿 165

Con este valor de 0.032 se busca en la tabla del Anexo B y se determina el diámetro de la tubería como se muestra en la tabla siguiente que es una porción de la tabla del Anexo B. Se toma el valor más aproximado que corresponde a 0.030 y con el flujo de 286 kg/h se busca el inmediatamente superior que corresponde a un flujo de 501.1 Kg/h y una tubería de 50 mm ya que la tubería de 40 mm apenas alcanzaría a un flujo másico de 229.9 kg/h. Tabla N° 29 Porción extractada del Anexo N° B Factor (F)

Diámetro Nominal de la Tubería (DN) 15

20

25

32

40

50

65

80

100

150

200

1367 1480 1790

2970 3264 3923

8817 9792 11622

19332 20917 25254

Capacidad (kg/h) 0.025 0.030 0.040

10.99 12.00 14.46

33.48 36.78 44.16

70.73 77.23 93.17

127.3 137.9 169.2

209.8 229.9 279.5

459.7 501.1 600.7

834.6 919.4 1093

276


Una vez que se ha determinado el diámetro de la tubería por el método de la caída de presión, se puede hallar la velocidad del vapor a partir de la ecuación de continuidad (7.2.4) y el volumen específico del vapor: 286 𝑉̇ 𝑢= = 𝐴

𝑘𝑔⁄ 𝑚3 ℎ ℎ ∙ 0.24 ⁄𝑘𝑔 ∙ ⁄3600 𝑠 𝜋∙0.052 𝑚2

= 9.7 𝑚⁄𝑠

4

Si se analiza, esta velocidad parece baja en comparación con las velocidades máximas permitidas, sin embargo, esta tubería principal ha sido diseñada para sustentar la caída de presión y la inmediatamente medida o diámetro inferior (40 mm) daría una velocidad de 47 m/s y una presión final menor a los 6.6 bar requeridos, lo cual es inaceptable. Como se puede apreciar este procedimiento es complejo y puede ser simplificado haciendo uso del monograma mostrado en el Anexo C, como se preciará en el siguiente ejercicio. Ejercicio 7.2.3: Resolver el problema anterior haciendo uso del monograma del Anexo C: o o o o

Presión interna de la caldera = 7 bar Flujo másico de vapor = 286 kg/h Presión mínima permisible 𝑃2 = 6.6 𝑏𝑎𝑟 Caída de presión máxima por cada 100 m 𝛥𝑃 =

(𝑃1 − 𝑃2 ) (7.0 − 6.6) = ∙ 100 = 𝟎. 𝟐𝟒 𝒃𝒂𝒓 𝐿 165

Método: Se debe buscar el Anexo C y se marca el punto A, a partir de la presión interna 7 bar (manométrico).  Se traza una línea horizontal hasta alcanzar el flujo másico de vapor de 286 kg/h y se marca el punto B. 

277


Se traza una línea horizontal D-E a partir de 0.24 bar/100m  El punto en el cual se intersecan D-E y B-C indica el diámetro de tubería requerido. Como se aprecia en la Fig. 94, 40 mm sería muy chico y se debe usar 50 mm. 

Fig. 94. Carta de Dimensionamiento de Tuberías de Vapor - Método Caída de Presión Fuente: Spirax Sarco Limited

278


Diseño a partir de la Velocidad del Vapor: Como se pudo apreciar, en el dimensionamiento de las tuberías de vapor la velocidad es un importante factor, por consiguiente, para el caso del vapor saturado, se toma un rango entre 25 a 40 m/s. Esta última velocidad debe ser considerada límite ya que a velocidades superiores ocurre erosión y ruidos, especialmente si el vapor es muy húmedo. Algunos textos recomiendan velocidades hasta de 76 m/s, pero esta velocidad solamente se da si el vapor es seco, si se tiene tuberías muy bien aisladas, tramos cortos, rectos y horizontales. Si se usa la tabla del Anexo D, se puede determinar diámetros conociendo la presión interna, velocidad del vapor y su flujo. También se puede hacer el cálculo directo a partir de la ecuación de continuidad (7.2.4). Ejercico 7.2.4: Un proceso requiere 5000 kg/h de vapor saturado a 7 bar de presión manométrica en el caldero. Si la velocidad no debe exceder los 25 m/s, determinar el diámetro de la tubería de la instalación. Solución: Se puede hacer uso del Anexo D y ratificar el resultado con la ecuación de la continuidad: 𝑢 = 25 𝑚/𝑠 𝑣𝑔 𝑎 7 𝑏𝑎𝑟 = 024

𝑉̇ = 𝑚̇ ∙ 𝑣𝑔 = 5000

𝑚3 (𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟) 𝑘𝑔

𝑘𝑔 𝑚3 ℎ 3 ∙ 0.24 ∙ = 0.333 𝑚 ⁄𝑠 ℎ 𝑘𝑔 3600𝑠

Despejando el diámetro de la ecuación de la continuidad: 4 ∙ 𝑉̇ 4 ∙ 0.333 ∅=√ = √ = 0.130𝑚 = 130 𝑚𝑚 𝑢∙𝜋 25 ∙ 𝜋

279


Ejercicio 7.2.5: Resolver el anterior problema haciendo uso del monograma del Anexo E. o Presión manométrica = 7 bar o Flujo másico de vapor = 5000 kg/h o Velocidad máxima= 25 m/s Proceso de solución:  Trazar una línea horizontal a partir de la temperatura de saturación a 7 bar (punto A) hasta el flujo másico de 5000 kg/h (punto B).  Desde el punto B trazar una línea vertical hasta la velocidad de 25 m/s (punto C). Desde el punto C trazar una línea horizontal hasta el punto D que determinará el diámetro de la tubería (punto D).  Se determina una tubería de 130 mm, sin embargo, se escoge un diámetro comercial de 150 mm.

280


Fig. 95. Monograma de Dimensionamiento de Tuberías de Vapor - Método Velocidad Fuente: Spirax Sarco Limited

281


7.3. Línea Principal y Drenaje La línea principal de vapor, pese al aislamiento, siempre transferirá parte del calor al medio ambiente y se producirá condensación a lo largo de la línea principal y derivados que causarán corrosión, erosión y golpe de ariete. Si en el vapor se generan gotas, se reducirá la transferencia de calor y, si se acumula el agua, se reducirá el área de la tubería y la velocidad del vapor subirá hasta límites no permisibles; es por ello que se recomienda un diseño de las líneas de vapor de acuerdo a normas internacionales. En el caso del presente texto se tomará como referencia la norma europea EN 455510, la cual establece que la tubería principal debe presentar una pendiente no menor a 1:100 en la dirección del flujo del vapor; la pendiente ayudará a que el condensado fluya hacia los puntos de drenaje con facilidad.

Fig. 96. Instalación Típica de Tubería Principal Fuente: Spirax Sarco Limited

Puntos de Drenaje: Un punto de drenaje debe asegurar que el condensado llegue a la trampa de vapor; en este sentido, se debe tener cuidado al localizar y diseñar estos 282


puntos. También se debe asegurar que cuando se corte el suministro de vapor, el condensado que quede llegue por gravedad fácilmente a estos puntos. Los puntos de drenaje deben estar dispuestos en intervalos de 30 a 50 m, así como en los puntos bajos de tuberías que emergen. En condiciones normales de operación el flujo del vapor alcanzará los 145 Km/h arrastrando condensado. Si el diámetro del punto de drenaje no es el adecuado, parte del condensado será arrastrado por el flujo de vapor como se muestra en la figura 97.

Fig. 97. Salida a Trampa de Vapor Demasiado Pequeña Fuente: Spirax Sarco Limited

Una solución más confiable para remover el condensado sería usar diámetros de 25 o 30 mm cuando la línea principal es de 100 mm.

283


Fig. 98. Salida a Trampa de Vapor Amplia y Adecuada Fuente: Spirax Sarco Limited

La base de la cavidad debe tener un tapón que permita su limpieza. En la siguiente tabla se muestran dimensiones recomendadas para los puntos de drenaje de la línea principal. Tabla N° 30 Dimensiones Recomendadas de Drenajes

Dimensiones de Línea Principal -D Hasta 100 mm 125 a 200 mm 250 mm o más

Diámetro de Cavidad d1 d1 = D d1=100 mm d1≥D/2

Profundidad de Cavidad d2 d2 mínimo = 100 mm d2 mínimo = 150 mm d2 mínimo = D

Fig. 99. Dimensionamiento de Salidas Fuente: Spirax Sarco Limited

284


El Golpe de Ariete y sus Efectos: El golpe de ariete es el ruido causado por bolas de condensado que chocan a alta velocidad dentro de la tubería, accesorios y equipos de la planta. Este fenómeno tiene una serie de implicaciones:  Debido a que la velocidad del condensado es mayor que la normal, la disipación de la energía cinética es mayor.  El agua es densa e incompresible, así que el efecto de amortiguamiento que se experimenta en los gases está ausente.  La energía del agua es disipada contra la obstrucción de válvulas y accesorios que eventualmente pueden ser dañados.

Fig. 100. Formación del Golpe de Ariete Fuente: Spirax Sarco Limited

285


Las fuentes más comunes de Golpe de Ariete se deben a:

Fig. 101. Causas de Formación del Golpe de Ariete Fuente: Spirax Sarco Limited

 Pandeo de líneas de vapor por falta de soportes  Incorrecto uso de reducciones concéntricas  Instalación incorrecta de filtros  Drenaje inadecuado de líneas de vapor  Operación incorrecta de válvulas (aperturas muy rápidas cuando las líneas están frías)

Fig. 102. Reducciones Típicas en Líneas de Vapor Fuente: Spirax Sarco Limited

286


Con objeto de minimizar los golpes de ariete se debe tomar las siguientes precauciones:  Instalar líneas con pendientes graduales en la dirección de flujo y puntos de drenaje instalados a intervalos regulares.  Instalar válvulas antiretorno después de toda trampa de vapor para evitar el retorno de condensado a las líneas.  Abrir válvulas de alimentación de vapor de manera lenta y gradual sobre todo al inicio de jornada. Líneas Ramales: Las líneas ramales son normalmente de menor diámetro. Como regla general, los ramales no deben ser mayores de 10 m de largo y los diámetros deben ser calculados de acuerdo a los conceptos previamente estudiados. Conexiones de Líneas Ramales: Las conexiones deben ser siempre tomadas de la parte superior de la línea principal y no de los lados o de la parte inferior, como se muestra en la siguiente figura 103:

Fig. 103. Extensión de Ramales de Líneas de Vapor Fuente: Spirax Sarco Limited

287


En las líneas ramales también existen puntos de drenaje. Una típica instalación de una línea de ramal se muestra a continuación:

Fig. 104. Típica Instalación de Línea de Conexión Ramal y Drenaje Fuente: SpiraxSarcoLimited

Ramales Ascendentes: En ocasiones los ramales deben ser ascendentes y ahí no se puede aplicar la pendiente 1:100 propuesta previamente. En esta situación el condensado debe ir en contra del flujo de vapor. En tales casos se recomienda velocidades del vapor no mayores a 15 m/s y con pendientes no menores a 1:40 y los puntos de drenaje deben tener intervalos no mayores a 15 metros. El objetivo es prevenir que se forme una película de condensado en la base de la tubería incrementando su espesor y que gotas sean arrastradas por el flujo de vapor.

288


Fig. 105. Ejemplo de Arreglo de Ramal Ascendente Fuente: Spirax Sarco Limited

7.4. Medición de la Demanda de Vapor El diseño óptimo de un sistema de vapor dependerá mucho si se ha hecho un buen cálculo del consumo de vapor; de ello dependerá la correcta especificación de tuberías y componentes auxiliares como válvulas de control, trampas de vapor, etc. La demanda de vapor de una planta puede ser determinada usando diferentes métodos:  Cálculos: Calculando el calor requerido por cada equipo de la planta, usando ecuaciones de transferencia de calor, se puede estimar el consumo de vapor; sin embargo, en la transferencia de calor existen muchas variables difíciles de cuantificar, aunque se puede utilizar datos experimentales de situaciones similares. En muchos casos el calor del vapor se requiere para dos cosas: 

Producir un cambio en la temperatura de algún producto.

 Mantener la temperatura de un producto debido a la pérdida por causas naturales o inducidas. 289


En ambos casos, la ecuación que gobierna esta transferencia de calor es: 𝑄̇ = 𝑚̇𝐶𝑝 ∆𝑇

Donde:

(7.4.1)

𝑄̇ es

la potencia (kW) 𝑚̇ es el flujo másico del material u objeto que absorbe el calor(kg/s) 𝐶𝑝 es el calor específico de la masa ( kJ/kg°C) ∆𝑇 es la diferencia de temperaturas (°C)

Las aplicaciones pueden ser de proceso con flujo o procesos sin flujo y en algunos casos el tiempo de calentamiento no es importante como en planchadoras industriales, autoclaves o vulcanizadoras, pero en otros procesos, el tiempo es crucial.  Mediciones: El consumo de vapor también se puede medir a través de flujómetros o bombas con contadores, pero cuando la planta está en proceso de diseño, este método no cuenta.

290


Fig. 106. Equipos de Medición de Flujo de Vapor Fuente: SpiraxSarcoLimited

Otra forma de medir el consumo de vapor es simplemente recolectando el condensado y pesándolo en un tiempo determinado para así hallar el flujo másico.  Potencia Térmica: La potencia térmica se muestra a menudo en las placas individuales de los equipos de uso en la planta provista por los 291


fabricantes. Pese a que este dato se expresa en kW, el consumo de vapor está dado en kg/h, por lo tanto se deberá hacer la conversión dependiendo de la presión de vapor utilizada. Ejercicio 7.4.1: Se desea calentar un depósito de aceite viscoso con vapor desde 35°C hasta 120°C en un periodo de 10 minutos. El volumen del aceite es de 35 litros. Si la gravedad específica es 0.9 y su calor específico es 1.9 kJ/kg°C para el rango de temperatura dado, determinar la transferencia de calor y flujo másico de vapor requerido si la presión en el caldero es de 4 bar, se puede ignorar las pérdidas de calor.

Fig. 107. Depósito Calentador de Aceite Térmico con Vapor Fuente: SpiraxSarcoLimited

292


Solución: Se hará uso de la ecuación (7.4.1) 𝑄̇ = 𝑚̇𝐶𝑝 ∆𝑇 =

35𝑙 ⋅

1𝑘𝑔

10 𝑚𝑖𝑛 ∙

𝑙 60 𝑠 1 𝑚𝑖𝑛

∙

1.9 𝑘𝐽 𝑘𝐽 (120 − 35)°𝐶 = 8.48 = 𝟖. 𝟒𝟖 𝒌𝑾 𝑘𝑔°𝐶 𝑠

El calor necesario para calentar el aceite debe ser provisto por el vapor que, a medida que se enfría, irá cambiando de fase. Como se sabe de termodinámica, éste calor latente es función de la entalpía de vaporización a una presión o temperaturas dadas como se expresa en la siguiente ecuación: 𝑄̇ = 𝑚̇𝑣 ∙ ℎ𝑓𝑔

Donde:

𝑄̇

(7.4.2)

es la potencia (kW)

𝑚̇𝑣

es el flujo másico de vapor (kg/s)

ℎ𝑓𝑔

es la entalpía de vaporización (kJ/kg)

En el problema propuesto debemos hallar el flujo másico del vapor conociendo el calor necesario para calentar el aceite: 𝑚̇𝑣 =

𝑘𝐽 𝑄̇ 8.48 ⁄𝑠 0.004𝑘𝑔 = = = 𝟏𝟒. 𝟒𝟖𝒌𝒈/𝒉 ℎ𝑓𝑔 2108.5 𝑘𝐽⁄ 𝑠 𝑘𝑔

La entalpía de vaporización se halla en tablas de vapor a la presión manométrica del caldero. Ejercicio 7.4.2: En algunos casos, como el de este ejercicio, el proceso de transmisión de calor por vapor es en flujo continuo:

293


Fig. 108. Intercambiador de Calor de Flujo Continuo Fuente: Spirax Sarco Limited

Se utiliza vapor saturado para calentar agua en un intercambiador de calor a razón de 1.5 L/s desde 10°C hasta 60°C. Hallar el flujo másico de vapor. Solución:

Fig. 109. Típico Perfil de Temperatura en Intercambiador de Calor de Flujo Continuo Fuente: Spirax Sarco Limited

294


La temperatura de saturación del vapor permanece constante mientras que la temperatura del agua aumenta gradualmente. El calor desprendido por el vapor es ganado por el agua y, asumiendo que el proceso es adiabático, entonces se igualan ambos calores: 𝑄̇ = 𝑚̇𝐶𝑝 ∆𝑇 = 𝑄̇ = 𝑚̇𝑣 ℎ𝑓𝑔

𝑚̇𝑣 =

𝑚̇ ∙ 𝐶𝑝 ∙ ∆𝑇 = ℎ𝑓𝑔

1.5 𝑙⁄ 𝑘𝑔 4.19𝑘𝐽 𝑠 ∙ 1 ⁄𝑙 ∙ ⁄𝑘𝑔°𝐶 ∙ (60 − 10)°𝐶 𝑘𝐽 2133.4 ⁄𝑘𝑔

(7.4.2.1)

=

0.147𝑘𝑔 = 𝟓𝟑𝟎 𝒌𝒈/𝒉 𝑠

7.5. Trampas de Vapor y Accesorios La función de una trampa de vapor es desechar el condensado al mismo tiempo que retener el vapor dentro del sistema. Las trampas de vapor ayudan al sistema de vapor a operar eficientemente y evitar los efectos no deseados en procesos donde las temperaturas y calidad del vapor son críticas. Cada aplicación del vapor tiene requerimientos especiales en cuanto a las trampas de vapor se refiere. Seleccionar la trampa de vapor adecuada tendrá un impacto positivo en el proceso, mejorando la eficiencia, reduciendo los costos de energía y dando al sistema mayor seguridad. 7.5.1.

Trampas de Vapor Termodinámicas

Este tipo de trampas son las más simples, de larga vida útil, de construcción robusta e ideal para ser usadas en líneas principales.

295


Fig. 110. Trampas Termodinámicas Fuente: SpiraxSarcoLimited

1. La presión inicial levanta el disco y tanto el condensado frío como el aire son inmediatamente descargados. 2. Cuando el condensado caliente fluye hacia la trampa, ésta aún está abierta y el condensado caliente puede ser descargado rápidamente. 3. Luego que el condensado fluye hacia la trampa, entra el vapor, la velocidad del fluido aumenta y la presión debajo del asiento ejercida por el vapor disminuye. Al mismo tiempo, la presión en la cámara superior por encima del disco aumenta y se cierra el disco. 4. Mientras el condensado caliente fluye hacia la trampa, la trampa se mantiene cerrada por algún tiempo hasta que el vapor dentro de la cámara de presión se condense. Cuanto más condensado fluye hacia la trampa, menor es la temperatura y el vapor dentro de la cámara también se enfría y se condensa; como resultado, la presión del condensado que ingresa aumenta, levanta el disco y el condensado se descarga; el ciclo, otra vez comienza. 296


7.5.2.

Trampas de Vapor Mecánicas de Flotador

Estas trampas de vapor mecánicas tienen un flotador con una salida de aire integral además de la opción de un ajuste manual a través de una válvula de aguja. Esta trampa es recomendable en aplicaciones donde se requiere la remoción instantánea de condensado.

Fig. 111. Trampas Mecánicas de Flotador Fuente: SpiraxSarcoLimited

La forma de trabajo de esta trampa es la siguiente: 1) Al iniciar su operación, una lengüeta termostática permite el paso de aire por la válvula principal. 2) Tan pronto como el condensado alcanza la trampa, el flotador se levanta y por medio de un mecanismo se abre la válvula principal. El condensado caliente cierra el paso de aire y continúa su flujo a través de la válvula principal. 297


3) Cuando el vapor llega a la trampa, el flotador cae y cierra la válvula principal, la misma que se mantiene siempre por debajo del nivel del agua asegurando que el vapor vivo no pasará. 4) A medida que el vapor se condensa, el flotador sube para dejar pasar el condensado. Características y beneficios:  Descarga del condensado sin posibilidad de retorno, asegura una máxima eficiencia en la planta.  No es afectada por grandes fluctuaciones de presión o flujo de vapor.  El acero inoxidable de sus componentes impiden su corrosión.  El venteo de aire integrado permite un rápido calentamiento de la planta.  Construcción robusta que garantiza una vida útil libres de golpe de ariete y vibraciones.

298


7.5.3.

Trampa de Vapor de Cubeta Invertida

Fig. 112.

Trampas de Cubeta Invertida

Fuente: Spirax Sarco Limited

El principio de funcionamiento de estas trampas se basa en la diferencia de las densidades entre el vapor y el condensado. 1) El condensado dentro de la trampa se convierte en un sello dentro del cuerpo. El peso de la cubeta mantiene la válvula cerrada y el condensado puede fluir por la parte baja de la trampa. 2) Cuando el vapor entra por debajo de la cubeta, ésta es levantada y activa el mecanismo de la válvula principal. 3) La cubeta bajará a medida que el vapor por debajo de ella se condense y abrirá la válvula principal hasta que el ciclo se repita. 4) Si la trampa atrapara aire, ésta tiene un pequeño orificio en la parte superior por donde se purgará el aire.

299


Características y beneficios:  Descarga continua de condensado asegurando un mínimo de retroceso del mismo y posibilita una eficiencia máxima de la planta.  Fuerte sello del agua que imposibilita pérdida del vapor.  Construcción simple y robusta que evita vibraciones y golpes de ariete.  Algunos modelos presentan un colador fino para separar los sólidos del vapor y una válvula auxiliar de drenaje. 7.5.4.

Trampas de Vapor Termostáticas

Fig. 113. Trampas de Vapor Termostáticas Fuente: Spirax Sarco Limited

Estas trampas trabajan de la siguiente manera: 1) En la primera etapa el aire frío y el condensado entran en la trampa y a medida que la cápsula se enfría la válvula se abre y el condensado se descarga. 300


2) La cápsula se calienta a medida que el condensado se acerca a la temperatura del vapor, el líquido hierve y el vapor consiguiente actúa con presión sobre la cabeza de la válvula cerrando la salida antes de que se pierda más vapor. 3) A medida que el condensado atrapado se enfría la presión desciende y la válvula se abre dejando salir al condensado completándose así el ciclo. Características y beneficios:  El condensado es descargado a temperaturas por debajo de la temperatura de saturación, utilizando calor sensible en el condensado y reduciendo las pérdidas de vapor instantáneo.  Descarga automáticamente aire y otros gases no condensables que permiten un fácil calentamiento de la planta.  Se autoajusta automáticamente a las variaciones de presión y puede sobrecalentarse hasta unos 70°C. 7.5.5. Trampas Termostáticas Bimetálicas

Fig. 114.

Trampa de Vapor Termostática Bimetálica Fuente: SpiraxSarcoLimited

Estas trampas trabajan de la siguiente manera: 301


1) Al inicio de su operación el elemento bimetálico no ejerce presión y la válvula se abre dejando que el condensado frío más aire, si lo hubiere, sean inmediatamente descargados. 2) El condensado caliente que fluye a través de la trampa calienta el elemento bimetálico causando que la válvula se accione. 3) Cuando el condensado caliente es descargado y se acerca a la temperatura de saturación el elemento bimetálico cierra la válvula. Cuando no hay flujo a través de la trampa el condensado que rodea el elemento hace que no ejerza presión y la válvula se abre completándose el ciclo. Características y beneficios:  El condensado es descargado a temperaturas por debajo de la temperatura de saturación.  Descarga automáticamente aire y otros gases no condensables con lo cual ayudan a un rápido calentamiento de la planta.  El elemento bimetálico puede trabajar en un amplio rango de temperaturas.  Es resistente a temperaturas de congelamiento y cavitaciones. 7.5.6.

Separadores de Vapor

El vapor húmedo es vapor de agua que contiene un porcentaje de agua en estado líquido, y es una de las principales preocupaciones de cualquier sistema de vapor. La humedad puede reducir la productividad de la planta y la calidad de producto tratados con vapor seco, y puede causar daños en equipos y accesorios. Pese al cuidado e instalación de trampas de vapor siempre existe la posibilidad que se pasen gotitas de agua suspendidas en el vapor.

302


Fig. 115. Separador de Vapor de Bafles Fuente: Spirax Sarco Limited

El vapor producido en una caldera diseñada para generar vapor saturado es inherentemente mojado. Aunque la fracción de sequedad variará de acuerdo con el tipo de caldera, la mayoría de las calderas de vapor de tipo pirotubulares producirán vapor con una fracción de sequedad de entre 95 y 98%. El contenido de agua del vapor producido por la caldera se incrementa aún más a lo largo de la tubería. Siempre hay un cierto grado de pérdida de calor de la tubería de distribución, lo que provoca que el vapor se condense. Las moléculas de agua condensadas eventualmente bajan hacia la parte inferior del tubo donde se forma una película de agua. El vapor que fluye sobre esta agua puede elevar ondas de agua. Las puntas de las olas tienden a romperse, lanzando gotas de condensado en el flujo de vapor. 303


Como el agua es una barrera para la transferencia de calor, su presencia puede reducir la productividad de la planta y la calidad del producto. Las gotas de agua que viajan a velocidades altas en el vapor erosionan asientos y accesorios de válvulas, una condición conocida como trefilado. Las gotitas de agua también aumentarán el grado de corrosión y el aumento de las incrustaciones en tuberías y superficies de calefacción por las impurezas transportadas en las gotas de agua. El agua también incide en operaciones erráticas de válvulas de control y medidores de flujo debido a un desgaste rápido o golpes de ariete. Para eliminar las gotas de agua se utiliza separadores que están instalados en las tuberías de vapor. Un separador o deflector de paletas tipo consiste en una serie de placas deflectoras que hacen que el flujo cambie de dirección varias veces a medida que pasa a través del interior del cuerpo separador. Las gotitas de agua suspendidas tienen una mayor masa y una inercia mayor que el vapor; por lo tanto, cuando hay un cambio en la dirección de flujo, el vapor seco fluye alrededor de los deflectores y las gotas de agua se acumulan en los deflectores. Además, como el separador tiene una gran área de sección transversal, hay una reducción resultante en la velocidad del fluido. Esto reduce la energía cinética de las gotas de agua, y la mayoría de ellas se separarán de la suspensión. El condensado se acumula en la parte inferior del separador, donde se drena a través de una trampa de vapor.

304


CAPÍTULO 8 8.

Carga Térmica de Calefacción de Ambientes

Confort Térmico Se puede definir el confort como un estado de completo bienestar físico, mental y social. Se pretende que las personas se encuentren bien, no que estén menos mal. El confort, depende de diferentes factores personales y parámetros físicos. El confort térmico representa el sentirse bien desde el punto de vista del ambiente higrotérmico exterior a la persona. Los límites extremos, desde el punto de vista térmico, pueden resultar dañinos e incluso mortales para el ser humano. Condiciones Atmosféricas que Afectan al Confort Humano:

Temperatura El adecuado control de la temperatura del medio ambiente que circunda el cuerpo humano elimina el esfuerzo fisiológico de acomodación, obteniéndose con ellos un mayor confort y la consiguiente mejora del bienestar físico y de las condiciones de salubridad.

Humedad Una gran parte del calor que posee el cuerpo humano se disipa por evaporación a través de la piel. La evaporación se favorece con la humedad relativa del aire y se retarda si ésta es alta; se deduce que la regulación de la humedad tiene una importancia tan significativa como la temperatura. Un exceso de humedad no sólo da como resultado reacciones fisiológicas perjudiciales, sino que también afecta a las cualidades de muchas de las 305


sustancias contenidas en el lugar de que se trate, y muy particularmente sobre los vestidos y muebles. Confort Térmico y Humedad del Aire Ambiente Las transferencias sensibles (radiación, convección y casualmente conducción) son menores a medida que se eleva la temperatura. Se puede observar en la siguiente figura la disipación de calor del cuerpo humano en función de la temperatura:

Fig. 116. Disipación del Calor Humano

Entonces, la disipación del calor metabólico, sólo se efectúa por medio de transferencias latentes, más difíciles de controlar cuanta más alta sea la humedad ambiente. Por encima de un cierto nivel de humedad, se produce un fenómeno de incomodidad fisiológica, que puede llegar a manifestarse en forma de sudor. Por lo tanto, en condiciones de verano, el ambiente será más confortable, cuanto más seco sea el aire. Movimiento del Aire El movimiento del aire sobre el cuerpo humano incrementa la proporción de humedad y calor disipados con respecto a la que correspondería a un aire en reposo, dando ello lugar a que la sensación de calor y frío experimente 306


variación. El aire que nos rodea está en constante movimiento, considerando como valor adecuado los 6 m/min en invierno a una altura del suelo inferior a 2 m y hasta 12 m/min en verano. Una velocidad mayor produce un efecto desagradable, que se hace difícil de soportar, tanto más cuanto menor sea la temperatura del aire. Asimismo, una velocidad inferior a 0,1 m/s produce una sensación de falta de aire, que ocasiona también molestias. Pureza del Aire Las personas respiramos normalmente, alrededor de 15 Kg de aire cada día, por lo que debemos considerar la importancia que tiene su adecuada limpieza y renovación. La composición física y química del aire comprende un determinado número de elementos diversos. La disminución de la proporción de oxígeno contenido, así como el aumento del anhídrido carbónico, debido a la combustión fisiológica, son factores importantes a causa de la pequeña ventilación que se requiere para anular sus efectos. La dilución de los olores humanos exige una gran ventilación como medio para la eliminación de dichos olores. La eliminación de las partículas sólidas en suspensión en el aire introducido en el recinto es muy importante no sólo por lo que concierne a la salud, sino también por lo que tienen de molestias, así como por el detrimento que frecuentemente representa la suciedad depositada en los mobiliarios y demás objetos. El humo, sea producido en el interior de la habitación o en el exterior de la misma, debe ser evacuado a causa de lo pernicioso que resulta para la vista y el aparato respiratorio.

307


Termo−fisiología del Cuerpo Humano

Condiciones para alcanzar confort térmico El cuerpo humano se puede considerar como una máquina térmica que intercambia energía con su entorno, en forma de calor y humedad. Se alcanza el confort térmico sólo si hay equilibrio entre el calor producido por el metabolismo y las diferentes formas de disipación. Estas son: Transferencias conductivas, por contacto entre el cuerpo y otros sólidos; por ejemplo, los pies con el suelo, o la mano con una mesa. Esas transferencias son de poca importancia, en general. Transferencias convectivas, por la piel, ropa o circulación de aire en los pulmones. Transferencias por radiación, desde la piel o la ropa hacia el entorno. Transferencias latentes debido evaporación−transpiración.

a

los

procesos

de

respiración

o

Criterios de confort Se considera que existe confort térmico cuando se dan simultáneamente las dos siguientes condiciones: Equilibrio térmico global La producción de calor del cuerpo humano es igual a la emisión de calor hacia el entorno. Con potencias frigoríficas normales y una regulación de temperatura adecuada, la obtención del equilibrio térmico global no presenta dificultad. Este mismo criterio, en la práctica, se usa tanto para la previsión del consumo de energía como para la verificación formal de las condiciones de confort. 308


Confort térmico local El individuo no siente en ninguna parte de su cuerpo ni calor ni frío desagradable. Las causas de incomodidad (corrientes de aire, efectos de pared, etc.) son múltiples, constituyen el segundo criterio, el cual en la práctica, necesita estudios más profundos. Balance térmico global El balance térmico global depende: 

En cuanto a la producción de calor, del metabolismo del ocupante y de la humedad del aire (evaporación más o menos importante en los pulmones).



En cuanto a la emisión de calor, de la vestimenta, de la temperatura operativa y de la velocidad del aire. Cuanto menor sea el equilibrio, mayor será el porcentaje previsible de insatisfacción.

Ecuación de confort La ecuación comúnmente admitida para la previsión de la sensación térmica global fue establecida por el Prof. Fanger de la Universidad de Lyngby, en Dinamarca. Éste analizó las sensaciones de confort experimentadas por más de 1300 sujetos sometidos a diversas condiciones climáticas. Los resultados de estos ensayos conducen a una expresión matemática, que formula el PPD (% de insatisfacción) en función, principalmente, de seis variables básicas: 1) La producción de calor que genera el ser humano y crece en proporción a la intensidad de la actividad que desarrolla. La unidad de medida del calor metabólico es el met, equivalente a: 1 𝑚𝑒𝑡 = 58.2

𝑊 𝑚2

= 50

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ 𝑚2

(8.1)

309


(Calor en la unidad de tiempo por metro cuadrado de superficie de cuerpo desnudo) Tabla N° 31 Actividad Metabólica

Actividad

Sensible W

Latente W

met

Durmiendo

50

25

0.76

Echado

55

30

0.86

Sentado, sin trabajar

65

35

1.0

De pie, relajado

75

55

1.3

Paseando

75

70

1.5

Caminando a 1.6 km/h

50

110

1.6

a 3.2 km/h

80

130

2.1

a 4.8 km/h

110

180

2.9

a 6.4 km/h

150

270

4.2

Bailando

90

160

2.5

Gimnasio

210

315

5.0

Deporte

290

430

6.9

Trabajo sentado

70

45

1.2

Trabajo manual

80

140

2.1

Trabajo pesado

170

255

4.0

310


2) El vestido de los ocupantes es la medida de la resistencia térmica de la vestimenta y se expresa en unidades denominadas Clo. 1 𝐶𝑙𝑜 = 0.155

𝑚2 °𝐾 𝑊

= 0.18

ℎ 𝑚2 °𝐶

(8.2)

𝑘𝑐𝑎𝑙

Tabla N° 32 Resistencia Térmica de la Ropa

Indumentaria

Resistencia Térmica de la Ropa según Norma ISO 7730 Clo 𝒎 𝟐 °𝑲 𝑾

Ropa Tropical Ropa ligera de trabajo Ropa de invierno interiores Ropa de vestir tradicional abrigada

3)

La velocidad del aire.

4)

La temperatura del aire.

0.08 0.11 0.16 0.23

0.5 0.7 1.0 1.5

5) El TRM es una expresión que relaciona las temperaturas del aire en un ambiente cerrado con las temperaturas superficiales del local que circundan el cuerpo humano, dado que éstas afectan la disipación de su calor radiante. Las temperaturas superficiales no deben ser demasiado bajas en invierno o altas en verano, debiendo estar en lo posible dentro del entorno de la temperatura del aire del local, con una diferencia que no supere los 5ºC y estas condiciones, generalmente, se originan en locales con grandes superficies vidriadas y muros o techos con poco aislamiento térmico. Para el análisis se adopta el promedio de las temperaturas superficiales del contorno

311


de un local, denominándose TRM o temperatura radiante media, pudiendo en forma simplificada calcularse con esta ecuación: 𝑇𝑅𝑀 =

Donde:

6)

𝐴1 𝑇1 +𝐴2 𝑇2 +⋯+𝐴𝑛 𝑇𝑛 𝐴1 +𝐴2 +𝐴3 …+𝐴𝑛

(8.3)

son las áreas de las superficies que rodean el local, como pisos, techos, paredes, superficies de calefacción etc. 𝑇1 … 𝑇𝑛 son las temperaturas de estas superficies. 𝐴1 … 𝐴𝑛

La presión de vapor del aire

Debido a que se trata de una ecuación compleja que constituye un modelo matemático, se requiere de un programa de computación para resolver los muchos casos prácticos que se presentan. Por lo expuesto, es más fácil hacer uso de gráficas que representan dicha ecuación:

Fig. 117. Diagramas de Confort para Invierno y Verano Fuente: Nestor Quadri

312


Ejercicio 8.1: En una oficina, los empleados están ocupados en un trabajo sedentario met = 1 = 50 kcal/hm2, para una velocidad del aire de 6 m/min (0.1 m/s) y una humedad relativa del 50% en invierno y verano, se desea saber cuál es la temperatura ambiente óptima. Solución: Según el diagrama de confort en invierno Taire = 22°C y en verano 24,5ºC. Como ya se ha puesto de relieve al hablar de los gráficos de confort, también llamados curvas de bienestar, las condiciones de temperatura y humedad óptimas para cada ocupante son aproximadamente constantes; sin embargo, como es lógico, varían de un ocupante a otro. En Bolivia, normalmente, a la hora de efectuar un proyecto, se suelen adoptar unas condiciones interiores de 25ºC para verano y 20°C para invierno con una humedad relativa del 50 % para ambos casos. Esta temperatura fijada tanto en invierno como en verano, en el interior, depende fundamentalmente de la temperatura exterior. No es aconsejable realizar acondicionamiento de aire con saltos de temperatura (diferencia de temperaturas entre el exterior y el interior) excesivamente elevados, ya que el contraste es excesivo e incluso perjudicial. Es un hecho psicológico, facilitado por el tipo de ropas que se usan en invierno, que las condiciones óptimas de confort sean en invierno distintas de las de verano. Así encontramos que, en invierno, temperaturas superiores a 21 o 22ºC suelen ser molestas para la mayoría de los ocupantes. Nuevamente, la humedad que suele ser correcta, se encuentra alrededor del 50%.

313


Balance Térmico

Fig. 118. Pérdidas de Calor en Ambientes cerrados

En un clima frío, el calor que existe dentro de un ambiente es transferido hacia el exterior por medio de techos paredes, ventanas, puertas y pisos y cuando esto ocurre los habitantes de la casa comienzan a sentir frío. Para compensar estas pérdidas de calor se debe instalar un sistema de calefacción, el cual debe tener una determinada potencia que hay que calcularla. Los métodos de cálculo son los siguientes:  Métodos de función de transferencia.  Método de análisis por elementos finitos cuando se considera que la transferencia de calor es en estado no estacionario.  Ecuación de balance energético, considerando la transferencia de calor como estado estacionario  La transferencia de calor conductiva, convectiva y por radiación para cada una de las superficies de los ambientes.  Balance convectivo del aire de cada ambiente.  Las ganancias de calor interno no se toman en cuenta. 314


 Los calores latentes no se toman en cuenta a amenos que se usen humidificadores.  Se considera la inercia térmica simplemente como factor.  La orientación con respecto al sol también se considera simplemente como un factor. En el presente texto se estudiará este último método por ser el más práctico y sencillo. Con carácter previo se recordará de Transferencia de Calor, la ecuación para determinar los coeficientes de transmisión globales a través del siguiente ejercicio: Ejercicio 8.2: Una pared está compuesta de ladrillos, cuyo espesor es 6 cm, y está revocada internamente con 1 cm de estuco y externamente con mortero de cal de 1 cm. Hallar el coeficiente de transmisión térmica de la pared

Fig. 119. Coeficiente de Transmisión Térmica de Pared de Ladrillos

315


De Transferencia de Calor se tiene la siguiente ecuación que combina las transferencias de calor de convección y conducción: 𝑄̇ = 𝐴(𝑇2 − 𝑇1 ) ∙ ( 1

1

𝑒 𝑒 𝑒 1 + 1+ 2+ 3+ ℎ1 𝜆1 𝜆2 𝜆3 ℎ2

Donde:

)

(8.4)

es la potencia o calor por unidad de tiempo que atraviesa la pared 𝐴 es el área por donde se transfiere el calor 𝑇2 , 𝑇1 son las temperaturas en ambas caras de la pared ℎ1, ℎ2 son los coeficientes de convección en ambas caras de la pared 𝜆1….. 𝜆𝑛 son los coeficientes de conductividad de cada capa o material de que está compuesta la pared 𝑒1 … . 𝑒𝑛 son los espesores de los materiales de que está compuesta la pared 𝑄̇

El término ( 1

1 𝑒 𝑒 𝑒 1) + 1+ 2+ 3+

es el coeficiente de transmisión térmica

ℎ1 𝜆1 𝜆2 𝜆3 ℎ2

global U 𝑈𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 = ( 1

1 𝑒 𝑒 𝑒 1) + 1+ 2+ 3+

(8.5)

ℎ1 𝜆1 𝜆2 𝜆3 ℎ2

Los valores de los coeficientes de película interior y exterior, así como los coeficientes de conductividad se encuentran en tablas especializadas.

316


Tabla N° 33 Coeficientes de Convección Coeficiente Convección 8 kcal/h m2 °C interior 20 kcal/h m2 °C ℎ2 ** Coeficiente de Convección exterior Coeficiente de Conductividad 0.35 kcal m/m2 h 𝜆1 * estuco °C Coeficiente de conductividad 0.45 kcal m/m2 h 𝜆2 * de ladrillo hueco °C Coeficiente de conductividad 0.60 kcal m/m2 h 𝜆3 * de revoque de mortero de cal °C y cemento * Norma IRAM 11601 ** Norma básica de la edificación NBE - CT-79 Condiciones térmicas en los edificios ℎ1 **

𝑈𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 = ( 1 8

1 +

0.01 0.35

+

0.06 0.45

+

0.01 0.6

+

1) 20

= 𝟐. 𝟖𝟑

𝒌𝒄𝒂𝒍 𝒉 𝒎𝟐 °𝑪

La ecuación (8.4) puede ser sustituida por una expresión más simple que incluye el coeficiente de transmisión térmica global: 𝑄̇ = 𝐴(𝑇2 − 𝑇1 ) ∙ 𝑈

(8.6)

Para efectuar los cálculos de pérdidas de calor en un local o recinto se emplea la siguiente fórmula general: 𝑄̇ = ([∑ ∆𝑇1−2 ∙ 𝐾𝑖 ∙ 𝐴𝑖 ] + [∆𝑇𝑖𝑛𝑡−𝑒𝑥𝑡 ∙ 𝑉 ∙ 𝐶𝑝 𝑎𝑖𝑟𝑒 ∙ 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 ∙ 𝑛]) ∙ (1 + ∑ 𝐹)

Donde:

(8.7)

es el calor por unidad de tiempo (potencia) que se debe añadir al ambiente para mantener una temperatura de confort. ∆𝑇1−2 es la diferencia entre las temperaturas T1 y T2 (a cada lado del cerramiento). 𝑄̇

317


es el coeficiente de transmisión térmica del cerramiento por donde se calcula la transferencia de calor 𝐴𝑖 es el área por donde se transfiere el calor ∆𝑇𝑖𝑛𝑡−𝑒𝑥𝑡 es la diferencia de temperaturas entre el exterior y el interior del ambiente 𝑉 es el volumen del ambiente al que se va a calentar 𝐶𝑝 𝑎𝑖𝑟𝑒 es el calor específico del aire 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 es la densidad del aire 𝑛 es el número de renovaciones de aire asignado al ambiente o local donde se está calentando 𝐹 representa factores suplementarios que se deben añadirse para contrarrestar las pérdidas de calor 𝐾𝑖

Tabla N° 34 Factores Suplementarios

Factor

Valores

Inercia Térmica Servicio ininterrumpido

0.07

Interrumpido de 8 a 12 horas

0.15

Interrumpido de 12 a 16 horas Orientación Solar E, O N, NE, NO S, SE, SO Más de dos paredes al exterior

0.25 Valores 0 - 0.05 0.05 0.05

Últimas plantas de edificios

0.02/metro

318


Tabla N° 35 Número de Renovaciones de Aire

Tipo de Local o ambiente Sin paredes exteriores 1 pared exterior con ventana 2 paredes exteriores o 1 ventana grande Más de 2 paredes exteriores

Número de Renovaciones por hora 0.5 1 1.5 2

Ejercicio 8.3: En la figura siguiente se muestra un local con las siguientes medidas:

Fig. 120. Inmueble con 4 Cerramientos

319


Tabla con Medidas de Inmueble

Volumen Área de puertas Área de Ventanas Área de muros ((4x(10x2.5))-(4+2.5)) Área de techo (10x10)

(10 x 10 x 2.5) = 250 m3 4 m2 2.5 m2 93.5 m2

Área del piso (10x10) Orientación

100 m2 El inmueble está orientado hacia el Norte

100 m2

Hallar la potencia requerida para calentar el inmueble de la figura considerando que la temperatura exterior es de -5°C. El piso está compuesto de machihembre y losa. Las paredes son de ladrillo de seis huecos con revoque de estuco en el interior y fachada de cal. El techo es de cielo falso de estuco y calamina. El ambiente es calefaccionado durante 6 horas. Solución: 1°. Se debe tener los coeficientes de conducción para los diferentes materiales de construcción del cerramiento, los mismos que pueden ser calculados o bien, hallados directamente en tablas: Tabla N° 36 Coeficientes de Transferencia de Calor Kpuertas

2 kcal/h m2 °C

Kventanas Kmuros Kpiso Ktecho

3 kcal/h m2 °C 2.84 kcal/h m2 °C 1.0 kcal/h m2 °C 1.5 kcal/h m2 °C

320


2°. Se debe usar la ecuación (8.7) 𝑸̇ = ([∑ ∆𝑻𝟏−𝟐 ∙ 𝑲𝒊 ∙ 𝑨𝒊 ] + [∆𝑻𝒊𝒏𝒕−𝒆𝒙𝒕 ∙ 𝑽 ∙ 𝑪𝒑 𝒂𝒊𝒓𝒆 ∙ 𝝆𝒂𝒊𝒓𝒆 ∙ 𝒏]) ∙ (𝟏 + ∑ 𝑭) 𝑄̇ = [(20 − (−5))°𝐶(2 ∙ 4 + 3 ∙ 2.5 + 2.84 ∙ 93.5 + 1.5 ∙ 100)

𝐾𝑐𝑎𝑙 ∙ 𝑚2 ℎ 𝑚2 ∙ °𝐶

𝐾𝑐𝑎𝑙 ∙ 𝑚2 ℎ 𝑚2 ∙ °𝐶 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔 𝑟𝑒𝑛𝑜𝑣 + [20 − (−5)°𝐶 ∙ 250 𝑚3 ∙ 0.24 ∙ 1.29 3 ∙ 2 ] ∙ (1 + ∑ 𝐹)] 𝑘𝑔°𝐶 𝑚 ℎ + (20 − 10)°(1 ∙ 100)

𝑄̇ = (10776

𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝒌𝒄𝒂𝒍 + 1000 + 3870 ) (1 + 0.25 + 0.05 − 0.05) = 𝟏𝟗𝟓𝟓𝟕. 𝟓 ℎ ℎ ℎ 𝒉

3°. Se tomaron las siguientes consideraciones:  El techo se consideró como una proyección del piso  Cuando se calcula la transferencia de calor a los pisos se toma la temperatura de éstos como 10°C  Se tomaron 2 renovaciones por hora al tener el inmueble más de dos paredes exteriores  Se consideró la orientación Norte del inmueble  Se consideró pérdidas por tener más de dos paredes al exterior.  Cuando se calculan transferencias de calor entre paredes interiores o cerramientos calefaccionados la transferencia es cero  Cuando se calculan transferencias de calor de paredes a ambientes sin calefacción pero que están dentro de la casa, como pasillos, baños u otros se toma una temperatura de 10°C

321


8.1. Calefacción por Aire Caliente22 Las unidades de calefacción central pueden ser alimentadas por gas natural, diésel, propano, carbón o leña. Actualmente se utilizan más equipos a Gas Natural por ser éste más limpio y más económico.

Fig. 121. Sistema de Calefacción Central por Aire Caliente

22

Quadri, Nestor (1993) Instalaciones de aire acondicionado y calefacción. Edit. Alsina, Buenos Aires

322


Una unidad central de calefacción por aire forzado se activa cuando la temperatura del ambiente donde se va a calentar baja de cierto nivel establecido en un termostato. Una llama piloto enciende un quemador en la cámara de combustión generando calor que es transferido a un intercambiador de calor por donde un flujo de aire es calentado. El aire caliente se transporta por ductos hasta las habitaciones o ambientes y los gases de combustión son evacuados por una chimenea o a través de la pared. Parte del aire retorna para ser recalentado y se mezcla con aire fresco que entra del exterior, pero antes el flujo es filtrado por una batería de filtros. Algunos sistemas, además del sistema de calefacción, también tienen un sistema de refrigeración o enfriamiento para el verano. En tal caso la unidad se denomina Sistema de Calefacción y Aire Acondicionado. Estos sistemas pueden integrar subsistemas de humidificación a través de aspersores para mantener las condiciones de confort en cuanto a la humedad se refiere. 8.1.1.

Cálculos en la Calefacción por Aire Caliente

Cálculos de Caudal de Aire Los cálculos para determinar la potencia requerida en cualquier sistema de calefacción son los mismos, los cuales ya fueron explicados cuando se desarrollaron los cálculos del Balance Térmico. En un Sistema de Calefacción con aire caliente es importante determinar el Flujo volumétrico del aire. Se debe tener en cuenta que el aire caliente generado por el sistema de calefacción debe tener una temperatura mayor que la temperatura de confort. Esta temperatura se recomienda que sea de 45°C debido a que el aire caliente disminuirá su temperatura en su trayectoria por los ductos. Ejercicio 8.1.1.1: Se desea usar un sistema de calefacción por aire caliente para calentar el ambiente mostrado en el Ejercicio 8.3. Hallar el flujo 323


volumétrico de aire necesario en el sistema, considerando que la temperatura de salida es de 45°C y la temperatura de confort es de 20°C y se insufla un 15% de aire fresco. El sistema es utilizado en la ciudad de La Paz. Solución: Del Ejercicio 8.3 se conoce que la potencia necesaria para calentar el ambiente es de 19557.5 kcal/h. Se usará la siguiente ecuación para determinar el flujo volumétrico: 𝑄̇ = ∆𝑇 ∙ 𝑉̇ ∙ 𝐶𝑝 𝑎𝑖𝑟𝑒 ∙ 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒

(8.1.1.1)

Previamente se determinará la densidad del aire en la ciudad de La Paz a partir de la ecuación (2.7.2) 𝑘𝑔 𝑚3 19557.5 𝑘𝑐𝑎𝑙⁄ℎ 𝑚3 = 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔 = 4233.23 ℎ (45 − 20)°𝐶 ∙ 0.24 ∙ 0.77 3 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 𝐿𝑎 𝑃𝑎𝑧 = 0.77

𝑉̇ =

𝑄̇ ∆𝑇 ∙ 𝐶𝑝 𝑎𝑖𝑟𝑒 ∙ 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑘𝑔°𝐶

𝑚

Este valor debe ser incrementado en un 15% debido al aire fresco añadido: ̇ 𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 1.15 ∙ 4233.23

𝑚3 𝑚3 = 4868.2 ℎ ℎ

Cálculos de Ductos de Aire La función de un sistema de ductos es transportar el aire desde la unidad de calefacción o aire acondicionado hasta el recinto a climatizar y suele comprender los conductos de impulsión y los de retorno. Dentro de los elementos que constituyen el sistema podemos distinguir los conductos y los elementos terminales. Estos sistemas se clasifican en función de la velocidad y de la presión en los conductos. En función de la velocidad del aire tenemos:  

Conductos de baja velocidad (<12 m/s, entre 6 y 12 m/s) Conductos de alta velocidad (>12 m/s) 324


En función de la presión del aire en el conducto, se clasifican en baja, media y alta presión. Esta clasificación corresponde a la misma que utilizan los ventiladores:   

Baja presión (clase I): Hasta 90 mm.c.a. Media presión (clase II): Entre 90 y 180 mm.c.a. Alta presión (clase III): Entre 180 y 300 mm.c.a.

Diámetro Equivalente Los conductos utilizados en la distribución del aire pueden ser circulares o rectangulares. Debido a que la mayoría de las tablas y expresiones se dan para conductos circulares, resulta muy útil el concepto de diámetro equivalente. Para determinar el diámetro equivalente de un conducto rectangular puede utilizarse la expresión: 𝐷𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 =

Donde:

1.3 (𝑎∙𝑏)

5⁄ 8

1 (𝑎+𝑏) ⁄4

(8.1.1.2)

es el Diámetro equivalente es la altura 𝑏 es el ancho del ducto rectangular 𝐷𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎

Pérdidas en Conductos Se produce una pérdida de carga por el paso del aire en el conducto, la cual suele expresarse por metro de longitud como: ∆𝑃 𝐿

=𝑓∙

𝜌∙𝑣 2 𝐷𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒

(8.1.1.3)

Pérdidas en Accesorios Habitualmente estas pérdidas se miden de forma experimental y se determinan por la siguiente expresión: 325


∆𝑃 = 𝑘 ∙ 𝜌 ∙

Donde:

𝑣2

(8.1.1.4)

2

𝑘

es un factor para cada tipo de accesorio

𝑣

es la velocidad del aire

𝜌

es la densidad del aire

𝑓

es el factor de rugosidad del interior del ducto Tabla N° 37

Factores de Pérdida 𝒌 para Accesorios de Ductos

Accesorio

𝒌

Codo de 90° ángulo recto Curva de 90° con paletas Codo de 90° redondeado radio/diámetro<1 Codo de 90° redondeado radio/diámetro>1 Codo 45° recto Codo 45°redondeado radio/diámetro<1

1.3 0.7 0.5 0.25 0.5 0.2

Codo de 45° redondeado radio/diámetro>1 Te de ramal Cambio abrupto a sección mayor V1 velocidad antes de cambio V2 velocidad después del cambio

0.05 0.3 (1 −

𝑣2 2 ) 𝑣1

Cambio de sección cónico ángulo < 8° 0.15 (1 − Cambio de sección cónico ángulo > 8° (1 −

𝑣2 2 ) 𝑣1

𝑣2 2 ) 𝑣1

Fuente: Engineering Tool Box

326


8.2. Calefacción por Agua Caliente El sistema de calefacción centralizado, sea por agua caliente o vapor, es indicado para edificios habitados durante el día o la mayor parte del día, es decir, para instalaciones de funcionamiento continuo; por ejemplo, edificios de departamentos, hoteles, hospitales, oficinas de trabajo permanente. Se puede mencionar las siguientes ventajas 1) Proporciona un caldeo suave, agradable y uniforme. 2) El enrarecimiento del aire es mínimo debido a la tostación del polvo depositado sobre los calefactores, dado que la temperatura de éstos es menor de 90 ºC. 3) Funciona sin producir ruido alguno. 4) Se puede lograr una buena regulación central, variando la temperatura del agua, pudiéndose acomodar perfectamente a las variaciones de la temperatura exterior. 5) Duración considerable de las instalaciones. Por tratarse siempre de la misma agua que circula en los sistemas de calefacción, el contenido de sales y aire son mínimos, reduciéndose así casi totalmente el riesgo de la corrosión del material y la formación de depósitos incrustantes. 6) Menor pérdida de calor por las cañerías, por ser las temperaturas de trabajo relativamente bajas. Entre las desventajas se puede mencionar: 1) El peligro de la congelación del agua que llena las cañerías, radiadores, etc., en el caso de temperaturas exteriores muy bajas. Para evitar este fenómeno, que puede ocasionar la rotura de radiadores y cañerías, deben agregarse al agua productos que rebajen la 327


temperatura de congelación del agua, o vaciarse la instalación cuando no se utiliza. 2) Lentitud de puesta en régimen, lo que obliga a poner en funcionamiento la instalación con cierta anticipación en los casos de instalaciones por gravedad. Este defecto se atenúa notablemente utilizando bombas recirculadoras. 3) Sobrecalentamiento por el calor remanente en los radiadores al cesar la producción de calor a causa del elevado calor específico del agua. Ello puede ser molesto, por ejemplo, en los locales expuestos a la radiación solar o en aquellos en que se reúnan muchas personas. 4) Como la instalación está llena de agua, si se producen fugas, se originan perjuicios en el edificio.

Fig. 122. Típica Instalación de Calefacción por Agua Caliente

328


Emisores Se denomina habitualmente emisor a todo elemento que emite o cede calor a una habitación o local. Los emisores más comunes son los radiadores. Los radiadores transmiten el calor mediante convección y radiación. El calor es, por una parte, irradiado por la superficie exterior del radiador y, por otra, el aire caliente circula por toda la habitación (convección). El calor total por lo tanto es la suma de transmisión de calor por radiación y convección.

Fig. 123. Elementos Emisores en Calefacción por Aire Caliente

La transmisión de calor por radiación sólo llega a los elementos más cercanos al radiador mientras que la transmisión de calor por convección llega a todo el local gracias al movimiento de aire. Los emisores de agua caliente más comercializados en calefacción por todas las marcas son los siguientes:  Radiadores de hierro fundido  Radiadores de aluminio  Radiadores de plancha de acero  Paneles de plancha de acero 329


Tipos de Instalación Podemos clasificar las instalaciones de calefacción por radiadores atendiendo la distribución del agua: Instalación Monotubo Este es un sistema de instalación en los que los emisores están instalados en serie, es decir, que el retorno del primer radiador hace de ida del segundo, a su vez el retorno de este hace de ida del tercero, y así sucesivamente hasta volver a la caldera. Este tipo de circuito recibe el nombre de anillo. En este caso, las temperaturas del agua son diferentes en cada emisor por lo que los últimos emisores del anillo habrán de sobredimensionarse ligeramente para compensar ese descenso de temperatura.

330


Instalación Bitubo Es el sistema tradicional de instalación de radiadores. En éste, los emisores están montados en paralelo, por lo que el agua que llega a cada radiador desde la caldera retorna directamente a ella; en este tipo de instalación la temperatura de entrada en todos los radiadores es prácticamente la misma.

Criterios de Diseño  

Se debe tener un plano del edificio o inmueble a calentar, incluyendo su orientación. Se debe conocer el tipo de material y sus propiedades de los cerramientos del inmueble.



Se debe tener una idea clara de dónde estará instalada la caldera.



La vivienda deberá estar siempre bien aislada para que disminuyan las pérdidas por transmisión.



Los radiadores o emisores, siempre que sea posible, deberán colocarse debajo de ventanas sin ningún elemento que pueda impedir 331


la convección del aire en la habitación (cortina o elementos decorativos).  

Se debe dividir el edificio por habitaciones asignando a cada una un nombre o referencia. Calcular los coeficientes de transmisión térmica de cada uno de los cerramientos.



Calcular las demandas caloríficas de cada habitación.



Calcular los emisores o radiadores necesarios para contrarrestar esas demandas.



Calcular el diámetro de las tuberías de la instalación.



Calcular la caída de presión en el circuito.



Seleccionar la bomba de circulación.



Calcular la potencia del generador de calor o caldera.

Ejercicio 8.2.1: En la figura 124 se muestra un plano de planta y una representación isométrica de una vivienda familiar que se desea calentar con un sistema de agua caliente (sistema bitubo). Se asume que la demanda de calor para cada ambiente ha sido calculada en los mismos términos mostrados en el Capítulo anterior. Se desea determinar la potencia de la caldera a instalar, seleccionar la bomba y calcular el diámetro de las tuberías.

332


Fig. 124. Plano e Isométrico de Vivienda a Calentar

Ambiente Comedor Cocina Vestíbulo Aseo Dormitorio 1 Dormitorio 2 Dormitorio 3 Baño Dormitorio 4 Total vivienda

N°

Área (m2)

Potencia Demandada (Kcal/h)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

45 12.6 9.5 2.8 7.8 8.6 10 4.4 9.3

3800 850 494 203 695 754 796 395 878 8865

333


Solución: Se debe escoger los emisores de acuerdo a la potencia requerida y la disponibilidad de los mismos en el mercado; en muchos casos los emisores serán de mayor potencia o ligeramente de menor potencia que la requerida. En algunos casos donde los ambientes son amplios se puede instalar dos o más emisores para una mejor distribución del calor. Luego se debe ubicar a los emisores en los diferentes ambientes como se aprecia en el siguiente esquema.

Una vez que se conocen los emisores a colocar en cada ambiente, se procederá a calcular el diámetro de las tuberías por tramo de instalación, 334


desde la caldera hasta el último radiador. Para tal efecto se ha hecho dos consideraciones: 1º. La velocidad máxima a la salida de la bomba se toma entre 0.4 a 0.8 m/s para evitar erosiones y ruidos en el sistema. 2º. Se determinará el caudal máximo a partir de la potencia máxima y una variación de temperatura igual a 10°C. De la ecuación 8.2.1.1 𝑄̇ = ∆𝑇 ∙ 𝑉̇ ∙ 𝐶𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∙ 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 (8.2.1.1)

𝑉̇𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 =

𝑄̇ ∆𝑇 ∙ 𝐶𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∙ 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎

=

9342 𝑘𝑐𝑎𝑙⁄ℎ 10°𝐶 ∙ 1 𝑘𝑐𝑎𝑙⁄𝑘𝑔 ∙ °𝐶 ∙ 1

𝑘𝑔⁄ 𝐿

= 934.2 𝐿⁄ℎ

3º. Se tomará una velocidad máxima de 0.5 m/s y con el flujo máximo se hallará el gradiente R o pérdida de carga que es igual a 14 mm c.a./m, como se muestra en la figura 125.

Fig. 125. Porción extraída de Anexo 8.3.1

335


4º. Con este valor de R y los caudales para cada tramo, se determinan los diámetros respectivos haciendo uso del Anexo 8.3.1, los mismos que se muestran en la siguiente tabla:

5º. Por ser la instalación de retorno directo, las dimensiones de las tuberías de ida y de retorno por tramos son idénticas ya que los caudales en ambas coinciden. Pero para el caso de diseñar una instalación en retorno invertido deberá hacerse dos tablas (una para la impulsión y otra 336


para el retorno) de los tramos ya que los caudales en este caso serán inversos. 6º. La bomba deberá ser capaz de transportar el caudal máximo, es decir 934.2 L/h y deberá tener una presión capaz de vencer las caídas de presión hasta el radiador más alejado, que en el caso del ejemplo es el Radiador 8. Si se asume que la distancia del caldero (donde también está la bomba) hasta el Rad 8 es de 50 m x 2 (ida y vuelta), la caída de presión será: ∆𝑃 = 2 ∙ 50𝑚 ∙

14 𝑚𝑚 𝑑𝑒 𝑐. 𝑑𝑒 𝑎. = 𝟏𝟒𝟎𝟎 𝒎𝒎 𝒄. 𝒂. = 𝟏𝟑𝟕. 𝟑 𝒎𝒃𝒂𝒓 𝑚

7º. La potencia de la caldera: La potencia total calculada se le debe añadir un 30% para compensar las pérdidas de calor en tuberías: 𝑄̇𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑄̇𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 ∙ 1.3 = 9342 ∙ 1.3 = 12144.6 𝒌𝒄𝒂𝒍⁄𝒉

8.3. Calefacción por Vapor A pesar de que su utilización es escasa, se puede emplear en instalaciones colectivas o centralizadas de pequeño o mediano tamaño. Es un sistema cuyo fluido caloportador es el vapor de agua, normalmente a baja presión, siendo su funcionamiento similar a las instalaciones por Agua Caliente. La única diferencia reside en los aparatos emisores; el vapor de agua cede su calor latente de cambio de estado y se condensa, retornando en estado líquido a la caldera. El vapor producido en la caldera es enviado al distribuidor principal que se encargará de repartirlo entre las distintas columnas. El distribuidor debe tener una cierta pendiente negativa, de entre el 8 y el 10%, de manera que se 337


produzca el arrastre de la posible condensación producida en el mismo, hasta los sifones, de los cuales debe estar dotado, que recogen el agua condensada y la envían hacia el circuito de retorno. También los ramales de entrada de los elementos emisores deben estar dotados de una pequeña pendiente que permita la circulación del vapor condensado a través de los retornos. Teniendo en cuenta que el vapor de agua es más ligero que el aire, empuja las posibles bolsas de éste que pudieran existir en la instalación, debiendo dotarse a ésta de un desaereador montado en el circuito de retorno, así como las válvulas especiales que impidan la salida del vapor de los elementos emisores. Si se produjeran estas salidas, los emisores reducirían notablemente su rendimiento térmico, pero las válvulas deben permitir la evacuación del aire y el agua condensada hacia el circuito de retorno. Según el Trazado y Diseño de la Instalación de Emisión. Sistema Monotubular:

Fig. 126. Sistema Monotubo

338


En este sistema los emisores se montan en serie en el circuito mediante llaves especiales de tres vías que permiten dosificar el caudal en cada radiador. En este tipo de sistemas sólo existe una tubería, por lo que el fluido que sale de un emisor llega al siguiente; a cada emisor le llega el agua a distinta temperatura, lo que incidirá en el tamaño del emisor. Al existir esta bajada de temperatura, va a existir un número máximo de emisores por circuito (según el Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios RITE, el número máximo de emisores por circuito en un sistema monotubo es de cinco). Si se supone este número y se calcula que en el último local la temperatura sea la deseada, va a existir muchas pérdidas, por lo que el rendimiento de la instalación bajará mucho. Ventajas de este sistema respecto al sistema bitubular: 1) Sencillez y economía tanto en materiales como en mano de obra. 2) Posibilidad de situar aparatos calefactores alejados de las columnas. Desventajas: 1) Necesidad de variar las superficies de los cuerpos emisores, ya que aunque las necesidades térmicas puedan ser las mismas en varios de ellos, al ser alimentados a distintas temperaturas, el primero emitirá más calor que el segundo y así sucesivamente. 2) Necesidad de un cálculo muy riguroso de las pérdidas de carga de la instalación con el fin de conseguir que el agua circule con la cantidad precisa por cada uno de los distintos circuitos y pueda aportarse en cada uno la energía térmica necesaria. Los sistemas monotubo se emplean normalmente en instalaciones de alta temperatura, ya que como se acaba de explicar, el agua se va enfriando al pasar por los sucesivos emisores, y de no ir ésta a una alta temperatura se producirá un enfriamiento inaceptable para las instalaciones de baja o media 339


temperatura, que podría llegar a provocar averías graves en el generador de calor. Sistema Bitubular: Es el más común. Los emisores se colocan en paralelo entre la tubería de impulsión y la de retorno. El agua que circula por la tubería de impulsión está a una temperatura constante por lo que los emisores toman el agua a la misma temperatura. Tras atravesar los emisores, el agua vuelve a la caldera por la tubería de retorno.

Fig. 127. Sistema Bitubo

Ventajas de este sistema: 

Tiene una mayor facilidad de cálculo y equilibrio hidráulico de la instalación.



También se obtienen buenos rendimientos.



Inconvenientes: 340




Mayor desarrollo de tuberías y cambios frecuentes de secciones de las mismas; en consecuencia, un aumento de costo de la instalación.

Se puede realizar una subdivisión dentro de los sistemas bitubo: De retorno directo: Aquellos en los que el retorno parte del radiador más alejado del circuito. Ventajas: sistemas con menor costo Desventajas: tener que equilibrarlos mediante disminución o aumento de diámetros o con la utilización de válvulas equilibradoras. Por ésta razón la instalación puede resultar más costosa de lo esperado. Retorno invertido: Con el fin de evitar las desigualdades producidas en el caso anterior, se utiliza el retorno invertido, consiguiendo que el recorrido del agua para cada uno de los emisores sea aproximadamente el mismo, compensándose los recorridos del circuito de ida con los del circuito de retorno, de tal manera que las pérdidas de carga se igualen, con lo que los cuerpos emisores reciben caudales de agua semejantes. Así se igualan las aportaciones caloríficas, siempre que se mantenga la constancia del diámetro de la tubería y pudiéndose regular los caudales a suministrar a cada radiador y por tanto las aportaciones caloríficas mediante la utilización de los diámetros diferentes para cada tramo de tuberías. Ejercicio 8.3.1: Calcular la tasa de vapor necesaria para calentar los ambientes de la vivienda planteada en el ejercicio 8.3.1 y determinar el consumo de Gas Natural en (m3/h) que alimenta la caldera del sistema de calefacción. El PCS del gas natural es 10.8 kW h/m3. La temperatura de salida del vapor es 110 °C, la temperatura de retorno de condensado es de 70°C y la eficiencia del caldero es del 80%. 341


Solución: Si se asume que en los sistemas de vapor también existen pérdidas de un 30%, al igual que en el anterior ejercicio, el calor necesario para calentar los ambientes será de: 𝑄̇𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 12144.6 𝒌𝒄𝒂𝒍⁄𝒉

El calor requerido será entregado por el vapor, es decir: 𝑄̇𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 12144.6 𝑘𝑐𝑎𝑙⁄ℎ = 𝑚̇𝑣 ∙ (ℎ2 − ℎ1 ) 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑚̇𝑣 =

4.19 𝐾𝑗

12144.6 ∙ 𝒌𝒈𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓 𝑄̇𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 ℎ 1 𝑘𝑐𝑎𝑙 = 𝑘𝐽 = 𝟐𝟏. 𝟐𝟐 (ℎ2 − ℎ1 ) 𝒉 (2691.5 − 293) 𝑘𝑔

Donde:

es la entalpía del vapor a la salida de la caldera, se halla en tablas de vapor con la temperatura de salida de la caldera ℎ2

es la entalpía del agua a la entrada a la caldera y se halla en tablas de vapor saturado con la temperatura del condensado que entra a la caldera. ℎ1

De las ecuaciones (4.1.2.4) y (4.1.2.5) se despeja el flujo volumétrico del G.N. haciendo los factores de conversión correspondientes: 𝑉𝑐̇ =

12144.6 0.8 ∙ 10.8

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

∙

4.19 𝑘𝐽

1 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝐽⁄ 𝑘𝑊∙ℎ 3600 𝑠 ∙ 𝑠∙ 𝑚3 1 𝑘𝑊 1ℎ

= 𝟏𝟔. 𝟑𝟔

𝒎𝟑 𝒉

342


8.4. Calefacción por Suelo Radiante23

Fig. 128. Suelo Radiante

Existen tres formas de transmitir el calor: conducción, convección y radiación, fenómenos que se combinan en el suelo radiante. El agua calentada por cualquier fuente de energía, se transporta por las tuberías empotradas en el cemento. Las tuberías se calientan y, al estar en contacto con el cemento, le transmiten el calor por conducción. Tras calentarse la masa de cemento, se dan los fenómenos de convección y radiación. El aire que se encuentra alrededor del suelo no se calienta lo suficiente como para aumentar su densidad y por tanto el movimiento del aire que se genera es insignificante. La transmisión de calor que predomina es la radiación. Un piso radiante es una placa de hormigón de espesor variable (70 mm aproximadamente) que, por poseer empotrado un serpentín de tuberías por el que circula agua caliente, se lo denomina panel radiante.

23

Sistemas de Calefacción por agua caliente Nestor Quadri 2009

343


El panel descrito se halla ubicado entre dos placas: una superior, constituida por el piso, y otra inferior, constituida por un aislante térmico, con espesores variables de acuerdo a su requerimiento. El agua circula por el interior del serpentín a una temperatura entre 30 y 55°C (perdiendo aprox. 8 a 10ºC entre entrada y salida) y, por conducción a través de las paredes de las tuberías, el calor es transmitido al conjunto en todas las direcciones radiales del tubo. Con una proporcionalidad directa al coeficiente de conductibilidad térmica del hormigón e inversa a su espesor, el calor es conducido por el hormigón hacia las caras superior e inferior. El calor que llega a la placa se transmite por conducción al piso o solado; éste adquiere una temperatura que varía según el material del mismo y los requerimientos calóricos según el uso del local a calentar entre 20 y 28°C. Desde la superficie del piso, el calor se transmite al ambiente por convección y radiación en una proporción de 45% y 55% respectivamente. Por radiación se calientan las paredes, el techo, los muebles y las personas que se encuentren en el local; y por convección, el aire del ambiente. Los coeficientes respectivos de transmisión por radiación y convección son función de la diferencia de temperatura entre la superficie del piso y la de las paredes, para el caso de la radiación, y la del aire ambiente en la convección. Por otro lado, el calor que llega a la cara inferior del hormigón lo hace en una proporción menor al que concurre hacia arriba (alrededor de un 30% menos) y se encuentra con una placa de aislamiento térmica que, conforme a su capacidad de aislamiento (función de su naturaleza, densidad y espesor), le impide el paso, mejorando así la inercia térmica del sistema. Además de la placa o panel radiante referido, el sistema se completa con las tuberías de distribución (alimentación y retorno), que corren por ductos o están empotradas en muros. 344


Cada serpentín radiante cuenta con una llave de regulación que está ubicada, formando batería con sus pares, en una caja metálica empotrada en una pared, permitiendo así la regulación de temperatura por parte del usuario. Características del Piso Radiante Requiere una temperatura media del agua entre 35° y 55° frente a las temperaturas necesarias en los otros sistemas de calefacción, con el consiguiente ahorro de energía. 

Todo el suelo irradia calor a baja temperatura. La sensación de calor es suave y uniforme, liberando al ambiente de emisores de calor a la vista.  

Temperatura del suelo agradable 26 a 29°C.

La temperatura del ambiente puede estar a entre 18°C y 19°C en lugar de los 20 a 22°C de los sistemas convencionales. 

 Al ser menor la temperatura ambiente interior, disminuye las pérdidas de calor por transmisión y por infiltración, ya que son proporcionales a la diferencia de temperatura con el aire exterior. Además, hay una disminución de pérdidas en las calderas y en las cañerías debido a la menor temperatura del agua de impulsión y retorno.

La moderada temperatura de impulsión del agua, hace que éste sea uno de los sistemas de calefacción más compatibles con el empleo de paneles solares térmicos. 



No reseca al aire, por lo tanto no debe humidificarse el ambiente.

Admite toda clase de pisos porque la temperatura que adquieren éstos es baja, no produciéndose rajaduras.  

Mayor inercia térmica.



La dilatación térmica del tubo no perjudica al piso. 345


Es muy seguro ya que todos los circuitos del suelo radiante empiezan y terminan en colectores colocados por encima del suelo.  

Tiempo muy reducido de instalación.



No necesita equipos o herramientas especiales.



Larga vida útil: ausencia de corrosión y/o incrustaciones.



Mayor velocidad de flujo (bombas de circulación más pequeñas).



Adaptable a sistema de radiadores.

Limitaciones:  Su aplicación está orientada a las nuevas construcciones porque es dificultosa su realización en edificios existentes o ampliaciones.  La alta inercia térmica del sistema retarda la puesta en régimen y, cuando se lo quiere sacar de servicio, ese calor almacenado no tiene aplicación útil.  Los locales deben contar con buena aislación porque la cesión de calor de los pisos está limitada por la temperatura superficial y muchas veces el área emisora no alcanza para satisfacer la demanda por lo que debe recurrirse a paneles complementarios de pared o techo o eventualmente radiadores.  En general, estas instalaciones no se adaptan bien a edificios con grandes pérdidas de calor, siendo muy sensible a los grandes aventamientos y paredes exteriores frías, así como las infiltraciones de aire.

346


Fig. 129. Componentes Básicos del Sistema de Calefacción por Suelo radiante

Un sistema de suelo radiante está compuesto de:  Generación de calor con caldera para alcanzar agua a una temperatura de 35 a 50°C.  Distribución del agua caliente mediante bomba recirculadora por tuberías aisladas hasta los colectores de distribución.  Emisión de calor: desde las superficies del piso del ambiente a una temperatura de 26 a 29°C Forma de los Serpentines Existen dos tipos básicos de serpentines como se detallan en la figura siguiente:

Fig. 130. Detalle de Serpentín Continuo y en Espiral

347


En la configuración en espiral, las tuberías de impulsión y retorno están dispuestas en paralelo, hay una mayor uniformidad de las temperaturas del suelo y tiene como ventaja la ejecución de menor número de curvas y menos pronunciadas, lo que facilita la instalación. Tanto en el continuo como en el espiral se debe emplazar las tuberías que distribuyen el agua caliente, hacia donde se produce la mayor pérdida de calor en los ambientes, la parte cercana a las ventanas o paredes frías exteriores a fin de lograr la uniformidad de temperatura de la placa emisora. Los diámetros usuales en las tuberías de plástico son de 16 a 20 mm exteriores o nominales de ½” y ¾” en separaciones que varían de 10 a 35 cm en módulos de 5 cm por una cuestión de facilidad en la instalación. Se recomienda emplear rollos de gran longitud para evitar los empalmes y reducir el riesgo de fugas potenciales. Se recomienda que el largo de los circuitos no supere los 100 m para tubos de 20 mm y 75 m para 16 mm, a fin de evitar que se origen caídas de presión en la bomba recirculadora. El sistema debe permitir dilataciones térmicas de 8 mm cuando las superficies superen los 40 m2. Se recomienda que el espesor la placa de hormigón que cubre los tubos no exceda el triple del diámetro exterior del caño. Espesores mayores aumentan la inercia del sistema mientras que espesores menores reducen la capacidad de resistencia de la losa de hormigón.

348


Cálculos del Suelo Radiante

Fig. 131. Transmisión de Calor de un Suelo Radiante

Sea un suelo radiante con un serpentín empotrado dentro de una placa de hormigón, por la cual circula agua caliente, emplazada sobre un aislamiento térmico de acuerdo a la figura 131. Se puede considerar que la separación de un serpentín de calefacción está dada por la ecuación: 𝐿=

Donde:

𝑘𝑟 ∙𝐴(𝑇𝑝 −𝑇𝑖 ) 𝑄̇

(8.4.1)

es la separación del serpentín (m) 𝑘𝑟 es el coeficiente de calor emitido por metro de longitud de serpentín (Kcal/h m °C) 2 𝐴 es el área del panel del piso (m ) 𝑇𝑝 es la temperatura promedio del agua de calefacción (°C) 𝑇𝑖 es la temperatura del aire ambiente (°C) 𝑄̇ es la cantidad de calor emitida por el suelo radiante (Kcal/h) 𝐿

349


El coeficiente 𝑘𝑟 de calor que emite la tubería hacia la superficie del piso depende del material, diámetro exterior y espesor del recubrimiento y del tipo de piso a emplazar. Se ha verificado que la conductibilidad de la tubería en sí no es determinante con relación a todo el conjunto de resistencias térmicas que componen un piso radiante, por lo tanto se presenta la siguiente tabla con valores prácticos de 𝑘𝑟 para las tuberías comúnmente utilizadas en pisos radiantes, considerando una placa de hormigón de espesor aproximado a tres veces el diámetro exterior del tubo, sobre el cual se aplica un piso como cerámica, baldosas o mármol. Tabla N° 38 Coeficientes Kr (Kcal/h m °C)

Diámetro Nominal (pulg)

Diámetro exterior (mm)

Coeficiente Kr (Kcal/h m °C)

Polietileno reticulado o copolímero

3/4

20

0.95

1/2

16

0.85

Latón o Cobre

3/4

23

1.10

1/2

17

0.89

Material

Factores de Corrección: Piso de parquet o linóleos Pisos de alfombras

0.90 0.80

Fuente: Sistemas de Calefacción por agua caliente Nestor Quadri 2009

En caso de emplearse pisos de otras características, debe considerarse un factor de corrección del coeficiente Kr como se muestra en la tabla, o bien calcularse como ya se ha explicado en el tema de balance térmico. La cantidad de calor horaria 𝑄̇ surge del balance térmico del ambiente a calentar, suponiendo una temperatura del aire interior Ti igual a 18°C a 19°C. 350


La temperatura promedio del agua Tp no debe sobrepasar los 50°C para evitar dilataciones excesivas que pueden provocar problemas en la losa donde se empotran los serpentines. En general, se supone que Tp es constante en toda la instalación y se la fija entre 35 a 50°C, adoptándose normalmente 40°C. Ejercicio 8.4.1: Diseñar un serpentín en espiral de un suelo radiante para un ambiente cuya demanda calórica es de 1806 kcal/h calculados para una temperatura interior de 20°C. Los datos del proyecto son: o Tubo de polietileno de 20 mm de diámetro exterior o Temperatura interior del ambiente 18°C o Temperatura promedio del agua de calefacción 40°C (temperatura de entrada 35°C y temperatura de salida 45°). Solución: 1º. Se calcula el área del suelo radiante 4 x 3 = 12 m2 2º. Se recalcula la demanda calórica considerando una temperatura ambiente de 18°C: 𝑄̇18°𝐶 =

𝑄̇20°𝐶 ∙ 18°𝐶 1806 ∙ 18 𝑘𝑐𝑎𝑙 = = 1625.4 20°𝐶 20 ℎ

3º. Se calcula la separación entre los tubos usando la ecuación (8.4.1) 0.95 𝑘𝑐𝑎𝑙⁄ 𝑘𝑟 ∙ 𝐴(𝑇𝑝 − 𝑇𝑖 ) ℎ 𝑚 °𝐶 ∙ 12𝑚2 (40 − 18)°𝐶 𝐿= = = 0.154𝑚 = 𝟏𝟓. 𝟓 𝑐𝑚 ̇ 𝑄 1625.4 𝑘𝑐𝑎𝑙⁄ℎ

Esta distancia está entre el rango recomendado (entre 15 a 30 cm). 4º. Se debe calcular la longitud total del serpentín 𝐿𝑡 𝐿𝑡 =

𝐴 𝐿

=

12 𝑚2 0.154 𝑚

= 77.9 ≈ 𝟖𝟎𝒎

(8.4.2)

351


5º. Se debe añadir la distancia del serpentín a los colectores y se asume una 𝐿𝐶 = 2𝑚 𝐿 𝑇 = 𝐿𝑡 + 2 ∙ 𝐿𝐶 = (80𝑚 + 2 ∙ 2𝑚) = 84𝑚

Valor que es menor a los 100 m recomendados.

Fig. 132. Detalle del Suelo Radiante

6) Cálculo de la bomba recirculadora: Al igual que en la calefacción por radiadores de agua caliente, la bomba tiene dos parámetros básicos: - El caudal que constituye el caudal máximo del sistema. En el caso del ejemplo:

𝑉̇𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 =

𝑄̇ ∆𝑇∙𝐶𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∙𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎

=

1625.4𝑘𝑐𝑎𝑙⁄ℎ

𝑘𝑔 10°𝐶∙1𝑘𝑐𝑎𝑙⁄𝑘𝑔∙°𝐶 ∙1 ⁄𝐿

= 𝟏𝟔𝟐. 𝟓𝟒

𝑳 𝒉

En este caso el caudal es bajo porque sólo se está considerando la calefacción para un ambiente, pero la bomba debe alimentar al conjunto de los ambientes. - La altura manométrica o presión depende de la caída de presión que se va a producir en el circuito más desfavorable que comprende la tubería de 352


alimentación y retorno del circuito más alejado haciendo uso de la siguiente fórmula experimental y de tipo práctica: (8.4.3)

𝐻𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 30 ∙ 𝐿 𝑇 + 𝑍

Donde:

𝐻𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎

es la presión manométrica de la bomba (mm c.a.)

30 es el coeficiente que tiene en cuenta el rozamiento en las tuberías y los accesorios propios de la instalación. es la longitud total del circuito más desfavorable o más largo (m) 𝐿𝑇

es la sumatoria de las pérdidas de presión por los elementos o artefactos particulares (mm c.a.) 𝑍

Tabla N° 39 Pérdidas de Presión en Artefactos

Artefacto Caldera Radiador o emisor

Pérdida (mm c.a.) 2000 500

En el ejercicio: 𝐻𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = (30 ∙ 84 + 2000)𝑚𝑚 = 4520 𝑚𝑚 𝑐. 𝑎. = 𝟒𝟓. 𝟐 𝒎 𝒅𝒆 𝑯𝟐 𝟎

8.5. Uso de Software para Cargas Térmicas de Calefacción El uso de software para el cálculo de calefacción es una herramienta muy útil para reducir el tiempo de cálculo de la carga térmica en una vivienda unifamiliar o multifamiliar. El software pude ser tan simple como una hoja electrónica hasta programas muy costosos certificados por la ASHRAE 353


(Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado). Entre los programas recomendados se tienen los siguientes:  Carrier:

www.carriersoftware.com

 DesignBuilder:

http://www.designbuilder.es/hvac

 Instawin Calefacción: www.portalprogramas.com/calefaccion El primero es en inglés y los dos segundos son en español y por cierto muy completos y amigables. El programa Instawin Calefacción, además, permite cálculos para sistemas de calefacción por agua caliente monotubo y bitubo, así como sistemas de calefacción por suelo radiante. Por supuesto todos los programas tienen un costo elevado para una persona particular; sin embargo, es posible descargar demos temporales. A continuación se mostrará un vínculo donde el lector podrá bajar una hoja electrónica de Excel de Cargas de Calefacción que refleja el método utilizado por el Ing. Nestor Quadri, autor de libros consultados para la redacción del presente texto. El estudiante simplemente deberá hacer un clic en el vínculo y deberá abrir una hoja electrónica en Excel de Calefacción: Una vez que se abra el vínculo se encontrará la siguiente hoja de Excel:

354


Fig. 133. Hoja Electrónica de Calefacción

En la hoja se ponen los datos en las celdas de color amarillo de acuerdo al detalle mostrado en la siguiente tabla: 355


Parámetro

Explicación

Parámetro

Explicación

Edificio:

Título del Proyecto.

Alto:

Altura del cerramiento

Local:

El nombre del Cerramiento

Ren/hora:

El número de renovaciones del local de acuerdo a tablas

T.int °C:

Temperatura de Confort

Zd %

Factor de uso en 24 horas rango que va de 7 a 25%

T.ext °C:

Temperatura exterior ambiente

Zh %

Factor de orientación solar: 0, -5% y 5 %

Área:

Área del cerramiento, área de la pared, ventana, puerta, piso o techo

Zc %

Compensación por pérdidas en ductos, tuberías, etc. en equipo de calefacción 5 a 10 %

K

Es el coeficiente de transferencia de calor

Dt ºC

Es la variación de la temperatura entre el cerramiento y el exterior de otro ambiente o medio ambiente

Es el calor por transferencia

Qe

Es el calor por infiltración

kca/hm2 ºC

Qt

Este procedimiento se efectuará para todos los ambientes y se determinará la sumatoria de calores para hallar la carga total para la vivienda.

356


CAPÍTULO 9 9.

Sistemas de Calefacción de Agua Caliente Sanitaria ACS

El consumo energético para el agua caliente sanitaria representa entre el 15 al 25% del total de la energía consumida en una casa habitacional. Los costos energéticos para el agua caliente pueden ser disminuidos seleccionando la fuente energética apropiada y el tipo de calentador de agua, usando un sistema de diseño apropiado y sobre todo reduciendo el consumo de agua caliente. Tipos de Instalaciones Estas instalaciones pueden ser individuales, centrales o combinadas con las de calefacción. En una vivienda, las temperaturas de uso del agua caliente, denominadas temperaturas de servicio, suelen ser las siguientes:  Higiene personal: 35 a 40ºC.  Lavado de vajilla: 45 a 55ºC  Lavado de ropa: 35 a 50ºC. Estas temperaturas se logran regulando el suministro o calentándola más y mezclándola con agua fría normalmente en forma manual, pudiendo ser los sistemas individuales o centrales. 9.1. Sistemas Individuales En los sistemas individuales el calentamiento del agua puede realizarse mediante calefones termotanques y calefones instantáneos.

357


Calefones Termotanques Estos equipos tienen como finalidad calentar el agua hasta 65°C y almacenarla en tanques que varían en tamaños desde 75 L hasta 300 L. El volumen del termotanque es vital para proveer abundante agua caliente en la hora pico de demanda. A medida que el agua caliente se consume, se repone con agua fría de la red, manteniendo una temperatura adecuada y constante por medio del funcionamiento de uno o varios quemadores a gas, regulados por un termostato.

Fig. 134. Vista interior y esquema de Termotanque

El calefón termotanque a gas cuyas características se consignan en la figura 134, consta generalmente de un tanque interior construido en chapa de acero, protegido contra la corrosión. La transmisión del calor al agua se realiza a través del fondo del tanque y del conducto de gases de la combustión. La separación entre el agua caliente y la fría es producto de la variación de densidades, a medida que el agua fría entra, ésta permanece en el

358


fondo del tanque ya que es más pesada que el agua caliente y ésta última sube. El equipo de control lo constituye el termostato que cumple dos funciones:  Termostática, controlando la temperatura límite del agua del tanque.  De seguridad, produciendo el cierre total del pasaje de gas al artefacto, en caso de que se apague el quemador piloto. Estos calefones tienen la propiedad de tener un alto volumen de agua caliente lista para suplir una demanda simultánea de dos o tres duchas o grifos. Su desventaja es la pérdida de calor del agua del tanque cuando no existe demanda. La energía suministrada es la cantidad de calor por hora requerida para calentar el agua del tanque. Mayor energía suministrada significa que el calefón calentará más rápidamente cuando se lo requiera. La Capacidad de Recuperación de un termotanque se refiere al flujo volumétrico de agua caliente generado con relación a la energía suministrada y con un salto de temperatura de 30°C. La hora pico se refiere a la cantidad de agua caliente estimada que suministrará el calefón en la hora de mayor demanda. Esta cantidad dependerá de la capacidad del tanque y su capacidad de recuperación. Calefones Instantáneos El calefón instantáneo es un artefacto constituido básicamente por un intercambiador de calor, compuesto por un serpentín, en el cual circula el agua a calentar por la llama producida por el quemador principal, según se indica en la figura siguiente.

359


Fig. 135. Esquema Interno del Calefón Instantáneo

El gas entra por (1) apretando el pulsador (2) al mismo tiempo que se actúa sobre el encendedor piezoeléctrico que ignita la llama del piloto (3). Después de 30 segundos la corriente que genera el bimetal del termopar situado frente a la llama piloto es suficiente para excitar la bobina (4) y mantener abierto el paso de gas, por lo que se puede soltar el pulsador (2). La actuación del termostato de seguridad (5) interrumpe el paso de la bobina (4) cerrando el paso de gas en caso de exceso de temperatura. Cuando se abre el grifo de agua caliente, el agua fría pasa por un estrangulamiento S, lo que provoca una caída de presión que hace que se presione el diafragma (8). El diafragma, a su vez, abre la válvula del gas (9) que es encendida por la llama piloto (3). La característica principal de funcionamiento de estos aparatos es la rápida puesta en marcha, por lo que se los denomina calentadores instantáneos de agua. Pueden ser de cámara abierta, descargando los gases por conductos al exterior, tomando el aire para la combustión del local, o del tipo de tiro balanceado o cámara estanca. 360


Al calefón instantáneo se lo define por el calentamiento del agua en litros/minuto, con un salto de temperatura en 20°C. Se los fabrica en distintas capacidades, variando su caudal de 3 a 24 litros/min. El funcionamiento del calefón es comandado automáticamente, regulándose su funcionamiento dependiendo de la apertura de algún grifo de la instalación de suministro de agua caliente. De esa manera se regula la circulación del gas en función del consumo de agua, utilizándose, para ello, una válvula de diafragma para el control del caudal de agua, vinculada a una válvula a resorte para regular la admisión del gas al quemador. El quemador no debe quedar a una altura superior a 1,80 m del piso ni inferior a 1,50 m, para permitir un fácil acceso y para facilitar un adecuado desmontaje del artefacto. Las conexiones de agua fría y caliente deben contar con uniones dobles de agua fría. El calefón puede ubicarse por encima o por debajo de los artefactos que suministra, pero la válvula de diafragma necesita cierta presión mínima de agua para activarse, por lo que la carga de suministro de agua no debe ser menor a 2 m de columna de agua, medidos desde el fondo del tanque hasta el artefacto más alto, generalmente la ducha. En el caso de suministro directo de agua, el calefón se puede situar en planta baja o en planta alta, siempre que la ducha o grifos estén ubicados a una altura no mayor de 5 m sobre el nivel del piso. Si la diferencia de nivel del tanque de reserva al calefón es menor de 4 m, se admite hasta 2 m de conexión de bajada de agua exclusiva y una cañería de 19 mm de diámetro mínimo. Se aconseja 12 metros de distancia entre el último grifo servido y el calentador. Su principal ventaja es su sencillez y su costo económico.

361


Análisis Comparativo El termotanque presenta las siguientes ventajas con respecto al instantáneo: 1) Permite la apertura de varios grifos obteniendo la cantidad necesaria de agua caliente de acuerdo a las necesidades. 2) El funcionamiento del quemador es independiente de la presión y caudal de agua. Es por ello que se enciende con cualquier presión, por más que ésta sea en la red de agua corriente o lo que es muy común cuando el tanque de reserva no tenga la altura adecuada con respecto al calefón instantáneo. 3) Debido a su característica de calentador acumulador, no necesita disponer en ningún momento de gran caudal de gas para proveer la cantidad de calor necesaria en forma instantánea como los calefones instantáneos y, por lo tanto, no sufre rápidos calentamientos y enfriamientos en forma permanente. 4) No posee serpentines que pueden obstruirse o disminuir su capacidad de circulación por suciedad. Por la característica de su quemador, el funcionamiento es totalmente silencioso. 5) Los equipos permiten la selección de la temperatura para adecuar a las necesidades de las distintas épocas del año. Entre las desventajas se pueden mencionar: 1) La temperatura tiende a disminuir a medida que se consume y, si la capacidad del termotanque no es la adecuada en los casos de grandes consumos, el agua puede llegar a ser muy fría. Ello es debido a que la capacidad del quemador no llega a compensar el consumo cuando éste está elevado, no llegando a calentar en la misma proporción el agua de reposición. 362


2) Si bien el manto aislante de lana de vidrio o mineral con que viene provisto el equipo hace que el agua acumulada conserve el calor, siempre existen pérdidas al ambiente. 3) Se requiere una limpieza periódica por la acumulación de impurezas que trae el agua. Cálculo de Potencia Calefones Los calentadores de agua son producidos en una amplia gama de tamaños y flujos caloríficos, de tal manera de satisfacer la demanda requerida y evitar una sobredimensión de estos equipos de calentamiento. Idealmente, el equipo debe tener una capacidad de almacenamiento y flujo calorífico igual a la demanda de agua caliente. Antes de iniciar el cálculo se debe considerar el consumo de agua caliente, ya sea por uso o caudal, de los diferentes aparatos donde se usa el ACS. Tabla N° 40 Consumo de ACS por Uso en Aparatos

Caudales de grifos por uso a una Temperatura de 40°C en Litros Lavabo Bidé Tina privada Tina pública Ducha privada Ducha pública Lavaplatos privado x persona Lavaplatos privado Rest. x persona Lavadora de ropa

4 4 120 150 35 50 5 7 26

363


Tabla N° 41 Flujos de Consumo de ACS en Aparatos

Equipo

Flujo (L/min)

Baño doméstico

15

Ducha doméstica

6

Lavabo de manos

4

Lavaplatos o Lavandería de Ropa

7

Máquina Lavadora de Ropa Lavaplatos

12

Lavado de ropa a mano

8

Ejercicio 9.1.1: Calcular la capacidad de un calefón instantáneo para una vivienda unifamiliar que tiene una ducha, un lavamanos y un grifo para lavar ropa. Calcular la potencia del calefón asumiendo un salto de temperatura de 20°C. Solución: La capacidad del calefón será: La potencia será:

𝑄̇ = 18

𝐿 𝑚𝑖𝑛

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 6 + 4 + 8 = 𝟏𝟖

∙

1𝑘𝑔 𝐿

∙

60 ℎ

∙

1𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔 °𝐶

𝑳 𝒎𝒊𝒏

(20)°𝐶 = 𝟐𝟏𝟔𝟎𝟎 𝒌𝒄𝒂𝒍/𝒉

Ejercicio 9.1.2: Se desea especificar un calefón termotanque, determinar su potencia y el tiempo que tarda en calentarse cuando se lo pone en marcha por primera vez. El calefón se usará en una residencia de la ciudad de La Paz donde viven 4 personas. La eficiencia del termotanque es del 80%. Se asume que la temperatura del agua potable en La Paz es de 5°C. 364


Solución: Se halla la demanda en la hora pico. Se supone que las 4 personas se ducharán, usarán el lavamanos y el lavaplatos en la hora pico, por lo tanto el caudal será de: 𝑉̇ =

(4 𝐿 ∙ 4)𝑙𝑎𝑣𝑎 𝑚𝑎𝑛𝑜𝑠 + (5𝐿 ∙ 4)𝑙𝑎𝑣𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑜𝑠 + (35𝐿 ∙ 4)𝑑𝑢𝑐ℎ𝑎𝑠 𝐿 = 176 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑝𝑖𝑐𝑜 ℎ

Sin embargo, este caudal hallado tiene una temperatura de 40°C, producto de una mezcla entre agua caliente a 60° y agua fría a 5°C, lo que se debe hallar es el flujo de agua caliente, para lo cual se usa la siguiente fórmula: ̇ ̇ 𝑉𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝑇𝑐 − 𝑇𝑓 ) = 𝑉𝑡𝑖𝑏𝑖𝑎 (𝑇𝑡 − 𝑇𝑓 )

Donde:

(9.1.1)

es el flujo de agua caliente 𝑉̇𝑡𝑖𝑏𝑖𝑎 es el flujo de agua tibia 𝑇𝑐 es la temperatura del agua caliente 𝑇𝑓 es la temperatura del agua fría 𝑇𝑡 es la temperatura del agua tibia 𝑉̇𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒

𝑉̇𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 =

𝑉̇𝑡𝑖𝑏𝑖𝑎 (𝑇𝑡 − 𝑇𝑓 ) (𝑇𝑐 − 𝑇𝑓 )

=

176 𝐿⁄ℎ ∙ (40 − 5)°𝐶 𝐿 = 112 (60 − 5)°𝐶 ℎ

Este resultado indica que la residencia necesitará un calefón de al menos 120 litros ≈ 32 galones para cubrir la demanda de ACS en la hora pico de la vivienda. Por otra parte hay que recordar que en la hora pico, mientras se usa el agua almacenada en el termotanque, también se está generando agua caliente de acuerdo a la Tasa de Recuperación del calefón. Esta cantidad es una reserva adicional y se mostrará en el siguiente ejemplo cómo calcularla. La potencia mínima necesaria de este calefón para calentar el agua en la hora pico será: 365


𝑄̇ =

𝐿

1 𝑘𝑔

ℎ

𝐿

112 ∙

∙1

𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔 °𝐶

(60 − 5)°𝐶 = 7700

0.8


El tiempo necesario para el calentamiento del agua, será de: 𝑄̇ = 𝑡=

𝑉̇ ∙𝜌∙𝐶𝑃 ∙∆𝑇 𝑄̇

=

𝑄 𝑡

=

𝑉̇ ∙𝜌∙𝐶𝑃 ∙∆𝑇

(9.1.2)

𝑡

112∙1∙1∙(60−5) 7700

= 0.8 ℎ = 48 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠

Ejercicio 9.1.3: Un termotanque eléctrico tiene una potencia nominal de 4.8 kW y una eficiencia del 95%. Si el salto de temperatura es de 20 °C a 70°C. ¿Cuántos litros de agua puede calentar por hora?, es decir, ¿Cuál es su tasa de recuperación? ƞ𝜂 =

𝑄̇𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐ℎ𝑎𝑑𝑎 𝑄̇𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

𝑄̇𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐ℎ𝑎𝑑𝑎 = 𝑄̇𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 ∙ ƞ𝜂 = 4.8 𝑘𝑊 ∙ 0.95 =

4.56 𝑘𝑊

Calor necesario para calentar 1 L de agua: 𝑄=

1𝑘𝑔 𝑘𝐽 𝑘𝐽 (70 − 20)°𝐶 = 209.35 ∙ 4.187 𝐿 𝑘𝑔 °𝐶 𝐿

La tasa de Recuperación está dada por: 𝑇𝑅 =

𝑄̇𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐ℎ𝑎𝑑𝑎 𝑄

=

𝑘𝐽 3600 𝑠 𝑠 1ℎ 𝑘𝐽 209.35 𝐿

4.56 ∙ ∙

= 78.4

𝐿 ℎ

(9.1.4)

Sistemas Mixtos Los sistemas mixtos tratan de simplificar los servicios de calefacción y agua caliente sanitaria, configurando en un solo equipamiento la producción de calor para ambas necesidades. Algunos presentan circuitos separados y otros comparten el mismo circuito. Se emplea para ello modelos de calderas murales de colgar similar al calefón tradicional o equipos para instalarse debajo del lavaplatos, con altura 366


proyectada para emplazarlas en el mesón de la cocina, o en ambos casos destinadas fundamentalmente al uso individual, o también calderas compactas ya de mayor altura y capacidades para uso en instalaciones centrales. Estas calderas mixtas además de la seguridad y control que aseguran su buen funcionamiento automático, vienen provistas con sistemas de regulación de la temperatura de salida de agua, tanto para la sanitaria como la de calefacción y termostatos de regulación y de límite de seguridad.

Fig. 136. Esquema de Funcionamiento de Caldera Mixta para ACS y Calefacción

Cuando el sistema se establece en el modo de calefacción se pone en marcha la bomba de circulación (15). La diferencia de presión entre (6) y (7) empuja la membrana (8) hacia arriba y por acción del regulador (9) la caldera 367


se enciende progresivamente. Una vez puesta la instalación a régimen, la dilatación del cartucho termostático (10) iguala las presiones entre (6) y (7) con lo que la caldera se modula, adaptándose de esa forma a las necesidades calóricas de la instalación. El agua del calentador es enviada a emisores o radiadores, o bien a circuitos de suelos radiantes por la bomba de circulación (15). Cuando existe demanda de agua caliente sanitaria hace que la válvula (13) desvíe el agua de la caldera al intercambiador de calor donde calienta el agua sanitaria. 9.2. Sistemas Centrales Están destinados a calentar el agua de consumo sanitario, requiriendo una caldera y un tanque de agua caliente denominado tanque intermediario, centralizado para el servicio del edificio. Esta caldera normalmente alimenta también al sistema de calefacción mediante dos circuitos, uno primario o cerrado y otro secundario o abierto, constituido por el agua calentada y acumulada en el tanque intermediario para su distribución. Tanque intermediario El tanque intermediario es un depósito de acumulación de agua caliente con aislación térmica similar al termotanque, pero se diferencia en que la producción de calor no viene incorporada directamente, sino que utiliza un serpentín recorrido por agua caliente proveniente de la caldera.

368


Fig. 137. Detalles de Tanque Intermediario

Estos tanques son generalmente de hierro galvanizado por inmersión, tienen forma cilíndrica y fondos bombeados para conferirles mayor resistencia a la presión del agua que soportan. También se fabrican de chapa negra vitrificada interiormente o con acero inoxidable. Deben tener en uno de sus extremos una tapa de acceso desmontable para efectuar las tareas de mantenimiento o limpieza del cabezal o el serpentín, por lo que deben preverse en su montaje los espacios adecuados. Exteriormente deben contar con aislación térmica, generalmente de lana de vidrio o mineral de 25 mm de espesor. Una caldera suministra agua caliente al serpentín de cobre del tanque, con una válvula de regulación, comandada por un termostato de inmersión como se ve en la siguiente figura.

369


Fig. 138. Detalle de Montaje de Tanque Intermediario

La conexión de agua fría se efectúa por abajo y la distribución del agua caliente para el suministro sanitario por arriba porque es más liviana, debiendo contar con una válvula de limpieza en la parte inferior. El agua de la caldera, obviamente a mayor temperatura que la del agua caliente domiciliaria, circula por el serpentín de cobre mediante una bomba recirculadora, para transferir el calor de la caldera al agua almacenada en el tanque intermediario, manteniendo una temperatura constante en el mismo. El control del sistema se realiza por un termostato que mide la temperatura del agua para que opere a la temperatura diseño y una válvula de tres vías modulante regula el flujo de agua caliente a suministrar. 370


Cálculo de la Capacidad de los Tanques Intermediarios La determinación del período máximo de consumo y la cantidad de agua caliente necesaria no es fácil de hacerse con precisión, por ello suelen asignarse valores prácticos indicados en la siguiente tabla: Tabla N° 42 Capacidad de Tanques Proveedores de ACS

Tanques Unifamiliares Departamentos reducidos Departamentos comunes Casas de familia

80 L 100 L 150 L

Tanques Comunes para Hoteles, Hospitales: Se debe calcular 20 litros por grifo y 50 litros por baños adicionales.

La cantidad de calor a aportar por la caldera, considerando un calentamiento del agua de provisión de 10ºC hasta 60ºC en dos horas, puede calcularse con la siguiente fórmula empírica: 𝑄̇ = 25 ∙ 𝑉

Donde:

𝑄̇ 𝑉

(9.2.1)

Cantidad de calor a aportar por la caldera (kcal/h) Volumen del tanque (Litros)

Formas de Distribución del Agua Caliente El suministro de agua caliente en los sistemas comunes se hace por medio de tuberías llamadas columnas montantes, que salen de la parte superior del tanque intermediario y de la que derivan los ramales necesarios para alimentar a los diversos artefactos de la instalación. La circulación del agua caliente en los sistemas de distribución puede ser con o sin recirculación. 371


En el caso de distribución sin circulación se tiene el inconveniente que al abrir la llave de un artefacto hay que esperar un cierto tiempo para tener agua caliente, dado que por el uso poco frecuente de algunos artefactos el agua se enfría en las cañerías. La distribución con circulación tiene la ventaja que se establece un circuito permanente de agua caliente en movimiento y al llegar el agua al punto más alejado, retorna al equipo de calentamiento, manteniéndose la temperatura constante. Estos sistemas se utilizan en instalaciones de cierta envergadura de edificios de varios pisos, clubes, hospitales, hoteles, etc. Formas de Recirculación La circulación del agua puede ser natural o forzada. La circulación natural se debe al principio de termosifón, producto de la diferencia de densidades entre el agua fría y el agua caliente, siendo esta última más liviana. Por ello, el tanque de acumulación de agua caliente debe estar en la parte inferior del edificio. En el sistema de circulación forzada se emplea una bomba pequeña emplazada en el circuito de retorno, que tiene la finalidad de acelerar la circulación mejorando el efecto de termosifón. Designación de las Tuberías Las montantes son las tuberías que salen del tanque intermediario o termotanque y conducen el agua caliente hasta la parte alta del edificio por encima del último nivel del artefacto y se dividen mediante una T que vincula la cañería de distribución horizontal con la vertical que constituyen los escapes, que son cañerías que permiten la expansión del agua y la eliminación de vapores producidos por eventuales sobrecalentamientos. Los retornos conducen el agua caliente circulante no utilizada hacia el intermediario o intercambiador inferior. 372


Figura 139. Detalles de Distribución de Tuberías en Edificios

373


Los ramales de distribución pueden derivarse de una columna montante o de un retorno y abastecer a un piso o sector o un local sanitario. Al entrar en cada unidad, deben tener una llave de paso accesible. Los ramales horizontales deben tener llaves de paso a fin de poder independizar las cañerías de suministro. Las cañerías de retorno deben contar con llaves de paso superior e inferior a fin de poder independizarlas del tanque. 9.3. Cálculo de Diámetros de Tuberías de A.C.S. Los pasos requeridos son: 1) Conocer la presión establecida. 2) Determinar el caudal máximo requerido en cada salida y en cada ramal. 3) Calcular las caídas de presión debido a la altura. 4) Conocer el largo de las tuberías incluyendo las pérdidas en accesorios. 5) Establecer las caídas de presión en la red. 6) Usar el nomograma de la figura 134 para determinar el diámetro correspondiente. Factor de Diversidad El factor de diversidad se puede definir como la relación entre la suma de los flujos máximos individuales entre la demanda máxima del grupo de flujos. El factor de diversidad se puede referir a dos o más flujos separados o se pueden incluir todos los flujos.

374


Tabla N° 43 Tabla de Factor de Diversidad para Unidades habitacionales

N° de viviendas

Flujo mínimo diversificado

Flujo máximo diversificado

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 >12

14 22 28 32 35 36 37 38 39 40 41 42 3.5/unidad

23 33 40 45 47 48 49 50 51 52 53 54 4.5/unidad

Caída de Presión La presión en un grifo de salida será menor que en el calefón, a menos que el calefón esté instalado en partes elevadas de la vivienda. La caída de presión es una medida por metro de tubería instalada y se mide en kPa/m. Para calcular el gradiente de presión entre el calefón y el grifo de salida, se debe determinar la presión estática disponible en el grifo dividida entre el largo de la tubería que corresponde a la distancia entre el calefón y el grifo. Para efectuar el cálculo se debe usar dos factores: Por altura: Por cada metro de elevación de la tubería habrá una caída de presión de 10 Kpa/m: ∆𝑃 = 𝜌𝑔ℎ =

1𝑘𝑔 𝐿

∙

1000 𝐿 𝑚3

∙ 9.81

𝑚 𝑠2

1𝑁

∙ 1𝑚 ∙ 𝑘𝑔 𝑚

⁄ 2 𝑠

1𝑘𝑃𝑎

∙𝑁

⁄𝑚2

= 9.81𝑘𝑃𝑎 ≈

10𝑘𝑃𝑎 𝑚 𝐻2 𝑂

375


Por fricción: Se puede añadir de un 10 a 20% en el largo de la tubería para compensar las pérdidas por fricción en curvas, uniones, tés y válvulas.

Fig. 140. Nomograma de Diámetros de Tuberías

Fig. 141. Esquema de una Red de Tuberías de Suministro de Agua Caliente

376


Solución: 1º. Determinar la presión de salida 350 kPa 2º. Determinar el flujo volumétrico en cada ramal Tramo

Factor de Simultaneidad

Servicio

A-B

40 L/min

3 viviendas

B-C

33 L/min

2 viviendas

B-X, C-y, C-Z

23 L/min

1 vivienda

X-F, Y-D, Z15 L/min * 1 baño E * Se toma el valor de 15 L/min para los baños de Tabla N° 32

3º. Se busca los circuitos más largos o desfavorables. Para este ejemplo: ABCD y ABCE, cada uno de ellos con 13.5 m de largo. 4º. Calcular las caídas de presión en cada línea debido a las elevaciones de las tuberías: Para las tuberías del 2° piso hay una elevación de 3.5 m, por lo tanto la 10𝑘𝑃𝑎 caída de presión será de: 350𝑘𝑃𝑎 − 3.5𝑚 = 315𝑘𝑃𝑎 𝑒𝑛 D.Y.C.Z, E 𝑚 5º. Calcular los largos de las tuberías corregidas asumiendo una pérdida del 10% por fricción: Tramo ABXF: 10 x 1.1m = 11m Tramo ABCYD: 13.5x1.1m = 14.9m 6º. Calcular el gradiente de presión para cada tramo a partir de los pasos anteriores: 

Para el tramo ABXF del primer piso es 350kPa/11m = 31.8 kPa/m



Para el tramo ABCYD es 315kPa/14.9m = 21.1 kPa/m 377


1) Calcular los diámetros directamente del nomograma de la figura 140, los cuales se resumen en la siguiente tabla: Tabla Resultados Ejercicio 9.4.1

Tramo

Caída de Presión (kPa/m)

Tasa de Flujo (L/min)

Diámetro de la tubería (mm)

Flujo recomendado (L/min)

AB

30

40

18

45

BX XF BC CY CZ YD ZE

30 30 20 20 20 20 20

23 15 33 23 23 15 15

15 10 18 15 15 15 15

30 13 45 25 25 25 25

378


CAPÍTULO 10 10. Sistemas de Calefacción de Piscinas

Una piscina es un estanque artificial destinado al baño y deportes como la natación. La palabra piscina viene del latín piscis y originalmente se utilizaba para designar pozos para peces de agua dulce o salada. También se utilizó para designar los depósitos de agua conectados a los acueductos. Los primeros cristianos utilizaron la palabra piscina para designar la pila bautismal. Efectivamente, antes de la invención de las depuradoras, en las albercas de baño o decorativas al aire libre, se utilizaban peces para la limpieza del agua, puesto que se comían las larvas de insectos, y de ahí la etimología del nombre. En algunos países, particularmente México, se utiliza la palabra alberca, de origen árabe, en vez de piscina. En otros, como Argentina, se la denomina pileta.24 Recomendaciones Previas La construcción de una piscina debe ser muy bien planificada y en coordinación con el constructor civil ya que muchos de los componentes, como la tubería y accesorios pueden estar embebidos en la misma estructura. Antes de realizar la obra fina se debe asegurar que no existan fugas y se recomienda verificar plenamente los cálculos de componentes y equipos antes de instalarlos.

24

Wikipedia la Enciclopedia Libre

379


10.1.

Subsistema de Carga Térmica

Fig. 142. Pérdidas de Calor en Piscinas

La carga térmica de una piscina comprenden, el calor necesario para llegar a la temperatura de confort que para las piscinas olímpicas es de 25°C a 28°C y el calor necesario para mantener la piscina en dicha temperatura. El calor necesario para llegar a la temperatura de confort está dado por la siguiente ecuación: 𝑉∙𝜌∙𝐶𝑝 (𝑇𝐶 −𝑇𝑎𝑓 ) 𝑄̇𝐶 = 𝑡

Donde:

(10.1.1)

es la potencia necesaria para calentar el agua de la piscina 𝑉 es el volumen de la piscina 𝜌 es la densidad del agua de la piscina 𝐶𝑝 es el calor específico del agua 𝑇𝐶 es la temperatura de confort de la piscina 𝑇𝑎𝑓 es la temperatura del agua fría 𝑡 es el tiempo necesario para calentar la piscina (normalmente debe ser igual a 24 horas) 𝑄̇𝐶

380


Las pérdidas de calor que ocurren en una piscina son: 1)

Por conducción a través de las paredes de la piscina.

2)

Convección a través de la superficie o espejo de agua de la piscina.

3)

Radiación a través de la superficie o espejo de agua de la piscina.

4)

Evaporación a través de la superficie o espejo de agua de la piscina.

La figura 142 grafica estas pérdidas y cuantifica las mismas en base a mediciones experimentales. Ejercicio 10.1.1.: Una piscina de 9m x 13.7m y 1.53m de profundidad promedio se desea mantener a 27°C siendo la temperatura interior del suelo de 21°C. Las paredes de la piscina son de concreto. Calcular las pérdidas por conducción conociendo que el coeficiente de transferencia para el concreto es 0.0107 kW/m2 °C cuando el espesor es de 10 cm. Solución: 𝑄̇ = 0.0107

Se usará la ecuación 𝑘𝑊 𝑚2 °𝐶

𝑄̇ = 𝐴(𝑇2 − 𝑇1 ) ∙ 𝐾

Ver (8.4) y (8.5)

[2(13.7 ∙ 1.53) + 2(9 ∙ 1.53) + (9 ∙ 13.7)]𝑚2 (27 − 21)°𝐶 = 12.37 kW

Las pérdidas por convección dependen de la diferencia de temperaturas entre el agua de la piscina y el aire exterior, así como de la velocidad del viento. Estas pérdidas son reducidas cuando la piscina es cubierta o con barreras rompe-vientos. Las pérdidas por radiación son mayores en la noche, especialmente en piscinas abiertas. Durante el día también se puede tener ganancia de calor por la radiación solar. Un cobertor de la piscina que se use en la noche puede evitar las pérdidas por radiación y evaporación. Las pérdidas por evaporación corresponden del 50 al 60% en la mayoría de los casos. La tasa a la cual la evaporación ocurre es función de la 381


velocidad del aire y la diferencia de presiones entre el agua de la piscina y el vapor del agua en el aire. A medida que la temperatura del agua de la piscina aumenta o la humedad relativa del ambiente disminuye, la tasa de evaporación aumenta. Si el agua de la piscina se agita, aumentará la tasa de evaporación ya que se está incrementando la superficie de contacto. Las pérdidas por convección y evaporación se pueden resumir en la siguiente expresión: 𝑄̇𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 = 𝑈 ∙ 𝐴(𝑇𝑎𝑝 − 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 )

Donde:

(10.1.2)

es el calor perdido debido a la convección, evaporación y radiación por la superficie de la piscina 𝑈 es el coeficiente de transferencia total de calor igual a 214.4 kJ/h m2 °C (vientos de 5 a 8 km/h) 2 𝐴 es el área del espejo de agua de la piscina m 𝑇𝑎𝑝 es la temperatura del agua de la piscina °C 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 es la temperatura del aire del medio ambiente 𝑄̇𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒

Nota25: El calor perdido por la superficie dependerá de la velocidad del viento, tal como se muestra en la siguiente tabla: Tabla N° 44 Tabla de Coeficiente de Transferencia de Calor Superficial de Piscinas Velocidad del Viento < 5 km/h > 5 km/h < 8km/h > 8 km/h < 16 km/h > 16 km/h

25

𝑼 [𝒌𝑱/𝒉 𝒎𝟐 °𝑪 ] 160.8 214.4 268 428.8

http://geoheat.oit.edu/bulletin/bull21-3/art3.pdf

382


Ejercicio 10.1.2: Calcular la potencia necesaria para calentar y mantener la piscina del ejercicio anterior asumiendo una velocidad del viento igual a 2 km/h. La temperatura ambiente es de 21°C. Solución: Potencia necesaria para calentar la piscina en 24 horas: 𝑄̇𝐶 =

𝑉 ∙ 𝜌 ∙ 𝐶𝑝 (𝑇𝐶 − 𝑇𝑎𝑓 ) (9𝑥13𝑥1.53)𝑚3 1000𝑘𝑔 4.1868𝑘𝐽 1 ℎ ∙ (27 − 21)°𝐶 = ∙ ∙ ∙ = 52 𝑘𝑊 𝑡 24 ℎ 𝑚3 𝑘𝑔 °𝐶 3600 𝑠

Potencia necesaria para mantener la piscina a 27°C 𝑄̇𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 = 𝑈 ∙ 𝐴(𝑇𝑎𝑝 − 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 ) = 160.8

kJ 1h ∙ (9x13.7)m2 ∙ (27 − 21)°C ∙ 2 h m °C 3600 s

= 33 kW

Pérdidas por conducción por las paredes (del ejercicio 10.1.1) 𝑄̇ = 12.4 kW 𝑄̇𝑇 = (12.4 + 33 + 52)𝑘𝑊 = 97.4 𝑘𝑊

383


10.2.

Subsistema Hidráulico

Fig.143. Diagrama Típico de Montaje de Piscina

Capacidad de la bomba En la instalación hidráulica de una piscina, la bomba es el equipo más importante ya que debe mover el volumen de toda la piscina al menos una vez cada 6 a 8 horas con objeto de evitar que el agua se convierta en agua estancada. El agua, además, debe ser filtrada y muchas veces calentada, por consiguiente la bomba debe vencer todas estas resistencias ofrecidas por las tuberías, equipos y posibles alturas emergentes propias de la instalación. Los cálculos pertinentes son: El caudal:

𝑉̇ =

𝑉 𝑡

=

179𝑚3 8ℎ

3

= 22.37 𝑚 ⁄ℎ

(10.2.1)

La velocidad del agua dentro de la tubería en piscinas se recomienda diferenciar entre succión y descarga de acuerdo a la tabla siguiente:26

26

http://www.spa-pool.org/membersonly/PDFs/ANSI-APSP-7_Fact_Sheet_Oct_2008.pdf

384


Tubería de Succión 1.83 m/s

Tubería de Descarga 2.43 m/s

Conociendo el caudal y la velocidad, es posible determinar el diámetro mínimo interno de las tuberías. 4∙𝑉̇

∅=√

𝑣∙𝜋

∅=√

3 4∙22.37𝑚 ⁄ℎ∙1ℎ⁄3600 𝑠 1.83 𝑚/𝑠∙𝜋

=√

= 0.0582 𝑚 = 2.3 " (𝑠𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛)

(10.2.2)

3 4 ∙ 𝑉̇ √4 ∙ 22.37 𝑚 ⁄ℎ ∙ 1ℎ⁄3600 𝑠 = = 0.057𝑚𝑚 ≈ 2.25" (𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎) 𝑣∙𝜋 2.43 𝑚/𝑠 ∙ 𝜋

Las pérdidas de presión en las tuberías se pueden calcular haciendo uso de la ecuación Williams & Hazen o Darcy – Weisbach y el diagrama de Moody que se puede consultar en cualquier texto de hidráulica o mecánica de fluidos. Las pérdidas en filtros, válvulas y calentadores se deben consultar en los manuales de estos componentes.

385


10.3.

Cálculo y Especificación de Componentes

Fig. 144. Instalación Típica de una Piscina Doméstica

Ejercicio 10.3.1: La siguiente figura145 muestra un arreglo de tubería con 30.4 m de una tubería de PVC de 2” esquema 40 y 10 codos de 90° en el lado de la descarga. Determinar la pérdida de presión en la tubería sabiendo que el flujo es de 4.73 L/s (75 galones/min) y la presión de salida de la bomba es 15.2 m (50 ft) de columna de agua.

386


Fig. 145. Ejercicio de Pérdidas de Presión

Solución: Este ejercicio se resolverá haciendo uso de tablas que están confeccionadas en base a la ecuación de Williams & Hazen. Tabla N° 45 Pérdidas en Accesorios de 2”

Accesorio 2”

Equivalente de Pérdida lineal (m) 2.58 m 1.64 m 1.1 m 3.83 m

Fuente: Sta. Rite Industries Basic Training Manual

387


1°. Se halla la longitud equivalente de los codos (accesorios) según tabla N° 45: 10 x 2.58 m =25.8 m 2°. Se añade la longitud equivalente de los codos (accesorios) a la longitud real de la tubería: (30.4 m + 25.8m) = 56.2 m 3°. Se divide la longitud total hallada entre 100 y se la convierte a pies: 56.2/100 = 0.562 m = 1.85 ft 4°. Con el diámetro de 2” y el flujo de 75 gal/min se halla la pérdida promedio: 8.45 ft = 2.57 m (Tabla N° 46) 5°. Se multiplica este valor por la longitud total hallada: 1.85 ft x 8.45 ft/ft = 15.6 ft = 4.75 m de columna de agua. Entonces la presión a la salida de la tubería es de (15.2 m - 4.75 m) = 10.45 m Tabla N° 46

Fuente: Sta. Rite Industries Basic Training Manual

388


Filtro de Arena

Fig. 146. Interior de Filtro de Arena

En el circuito hidráulico de una piscina es indispensable el filtro que puede ser de arena, polvo fino y cartuchos de papel. El filtro más común es el de arena. Éste debe tener la capacidad adecuada para limpiar el agua de la piscina y su capacidad dependerá del flujo que circule por el sistema. El manómetro del filtro de la figura 147 permite determinar si el filtro está tapado y requiere un retro lavado. La siguiente tabla permite escoger el filtro adecuado en función al flujo o bien la potencia de la bomba: Tabla N° 47

Área óptima de filtrado para diferentes tamaños de bombas

Potencia de Bomba (HP) 3/4 1 1.5 2.0 2.5 3.0

Flujo (GPM) 40 50 65 87 105 120

Área de Filtrado (ft2) 2.7 3.4 4.3 5.8 7.0 8.0

Fuente: http://www.poolplaza.com/pool-school

389


Fig. 147. Detalle de Instalación de Componentes

Pérdidas por Evaporación: El agua de una piscina debe durar de uno a dos años sin cambiarla, más aún en estos tiempos donde el agua es escasa y además si es tratada, tiene un costo adicional por lo cual es importante determinar cuánta agua se evapora. La evaporación dependerá de: a) La superficie de la piscina. b) La temperatura del agua. c) La temperatura del aire interior y la humedad relativa. d) La cantidad de aire que se mueve sobre la superficie de la piscina. En síntesis: 1) Cuanto mayor es la superficie del agua mayor la tasa de evaporación. 2) Cuanto mayor la temperatura del agua mayor la evaporación.

390


3) Cuanto menor la temperatura del aire interior mayor la tasa de evaporación. 4) Cuanto menor la humedad relativa del aire interior mayor la evaporación. 5) Cuanto mayor el movimiento del aire mayor la tasa de evaporación. La ASHRAE27 presenta la siguiente fórmula para determinar el flujo másico de evaporación del agua de una piscina: 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 =

Donde:

𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐴

𝐴∙(𝑃𝑎𝑔𝑢𝑎 − 𝑃𝑎𝑖𝑟𝑒 )(0.089+0.0782∙ 𝑣𝑎𝑖𝑟𝑒 ) ℎ𝑓𝑔

(10.3.1)

es el flujo másico de agua que se evapora (kg/s)

es el área húmeda de la piscina (m2)

es la presión de saturación del vapor hallada a la temperatura del agua de la piscina (kPa) 𝑃𝑎𝑔𝑢𝑎

es la presión de saturación (presión de vapor) del aire a la temperatura de rocío (kPa) 𝑃𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑖𝑟𝑒

es la velocidad del aire que circula sobre el agua de la piscina (m/s) 𝑣𝑎𝑖𝑟𝑒

es la entalpía de vaporización del agua en tablas de vapor a la temperatura superficial del agua (kJ/kg) ℎ𝑓𝑔

Ejercicio 10.3.2: Calcular la pérdida de agua de la piscina de los ejercicios 10.1.1 y 10.1.2. Se sabe que la humedad relativa del ambiente es del 70% y la presión atmosférica a nivel del mar. 𝐴 = 9𝑥13.7 = 123.3𝑚2

27

Design Considerations For Pools And Spas (Natatoriums) John W. Lund Geo-Heat Center

391


𝑃𝑎𝑔𝑢𝑎 = 3.563 𝑘𝑃𝑎

hallada en tablas de vapor a 27°C

el valor de 2.484 KPa es la presión de saturación del vapor a 21°C que se halla en tablas de vapor. 𝑃 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 2.484 kPa ∙ 0.7 = 1.7388 kPa

𝑣𝑎𝑖𝑟𝑒 = = ℎ𝑓𝑔 = 2436.8

𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 =

𝑘𝐽 𝑘𝑔

2km 1h ∙ h 3600

1000 m 0.56 km = s s 1 km ∙

entalpía de vaporización del agua de la piscina a 27°C

123.3 ∙ (3.563 − 2.484)(0.089 + 0.0782 ∙ 0.56) kg = 0.00723 ≈ 26 kg/h 2436.8 s

392


CAPÍTULO 11 11. Diseño de Saunas Secos y Saunas a Vapor

Definición28 La o el sauna (del finlandés: sauna) es un baño de vapor o sudoración que se realiza en un recinto a muy alta temperatura. La palabra puede ser utilizada tanto en femenino como en masculino. En función de la humedad relativa dentro del recinto la sauna puede ser húmeda o seca. La sauna húmeda, donde la temperatura no supera los 70 °C y la humedad relativa es muy alta, es conocida como baño turco (sauna a vapor). La sauna seca, con temperaturas entre los 70º y 100°C y una humedad mínima, nunca superior al 20%, se la conoce como "sauna finlandesa" o simplemente "sauna". La sauna tiene efectos beneficiosos sobre el organismo, al liberar mediante sudoración, que suele ser abundante y rápida, toxinas y activar la circulación sanguínea. Siempre va acompañada con contrastes de temperatura; a la sesión de calor le sigue una de enfriamiento, que amplía los efectos de la sudoración. Se toma con fines higiénicos y terapéuticos. En Bolivia, comúnmente se usa el término como sustantivo masculino, es decir, “el sauna”.

28

http://es.wikipedia.org/wiki/Sauna

393


11.1. Sauna Seco

Fig. 148. Sauna Seco

El sauna seco es de origen finlandés (2 millones de saunas para 5,2 millones de habitantes) y esta práctica de su uso es muy habitual en Escandinavia. El interior de los saunas secos está revestido de madera y las cabinas de sauna están calentadas por leña, gas o electricidad. Los orígenes del sauna, en todos los documentos tanto escritos como orales están referidos a la higiene. El concepto de higiene de sauna hace referencia a la eficacia del sauna en conseguir una higiene de la piel muy eficiente prácticamente sin jabón. La 394


transpiración que se produce, muy profunda, hace que se abran todos los poros y que se elimine el sebo, las toxinas y las bacterias. 11.1.1.

Cálculos y Especificación de Componentes Sauna Seco

Elementos de Construcción Un sauna seco puede ser construido totalmente de madera o bien con paredes de ladrillos, aislante térmico y revestimiento de madera tanto en paredes como techo. El piso debe ser de cemento, cerámica y con drenaje para agua, el zócalo también debe ser de cerámica para poder lavarse y desinfectar con cloro después de cierto uso.

Fig. 149. Detalle de cerramiento de Sauna Seco

La figura 149 muestra las diferentes capas que debe tener un cerramiento de un sauna seco. Sobre la pared se deben fijar listones de madera, horizontales y verticales, de 5 cm de espesor. En medio de los listones se debe pegar placas de plastoformo o fibra de vidrio de 5 cm de espesor. Después, se debe pegar al plastoformo con pegamento silicón una hoja de plástico que servirá como barrera de humedad o vapor. Finalmente, se 395


recubrirá la pared con revestimiento de madera o machihembre que se clavará a los listones de madera. Altura Máxima y Mínima de Saunas Dentro de un sauna la temperatura varía de acuerdo a la altura. Los gases calientes se concentran en la parte alta, de ahí que un sauna debe tener una altura entre 1.95 m a 2.10 m como máximo. Cálculo de la Carga Térmica El procedimiento para determinar la carga térmica es el mismo que se usa para un sistema de calefacción como se ha explicado en el Capítulo 8. Ejercicio 11.1.1: Se construye un sauna de 5 m x 4 m x 2.05 m con paredes de ladrillo hueco de 10 cm de espesor, aislamiento de poliestireno expandido (plastoformo) de 5 cm y revestimiento de machihembre de 1.5 cm de espesor. El techo y el piso son losas de cemento de 20 cm, el piso recubierto con cerámica de 1 cm y el techo recubierto con machihembre. La temperatura máxima en el sauna seco será de 90°C y la temperatura inicial será de 20°C. Hallar la potencia requerida por el generador de calor que será alimentado por un quemador de gas natural. El sauna opera a nivel del mar. Solución: 1°. Se halla el área de transferencia de calor de paredes, piso y techo. El área total de transferencia será:  2 paredes de 5 m x 2.05 m = 20.5 m2  2 paredes de 4 m x 2.05 m = 16.4 m2  1 techo de 4 m x 5 m = 20 m2  1 piso 4 m x 5 m = 20 m2

396


2°. Se determina el calor requerido para mantener el ambiente por lo menos a 10°C más que la temperatura deseada, ya que dentro la sauna el aire caliente será mayor cerca al techo y más fría en el piso. ℎ1 **

Coeficiente Convección interior

8 kcal/h m2 °C

ℎ2 **

Coeficiente de Convección exterior

20 kcal/h m2 °C

Coeficiente de plastoformo

0.03 kcal/ h m °C

𝜆2 *

Coeficiente de conductividad de ladrillo hueco

0.45 kcal m/m2 h °C

𝜆3 *

Coeficiente de conductividad de revoque de mortero de cal y cemento


𝜆4 *

madera


𝜆5 *

Coeficiente conducción losa cemento

1.2 kcal m/ m2 h °C

𝜆1

* Norma IRAM 11601 ** Norma básica de la edificación NBE - CT-79 Condiciones térmicas en los edificios

𝑄̇𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 = 𝐴(𝑇2 − 𝑇1 ) ∙ ( 1

1

𝑒 𝑒 𝑒 1 + 1+ 2+ 3+ ℎ1 𝜆1 𝜆2 𝜆3 ℎ2

1346.62

𝐾𝑐𝑎𝑙 ℎ

) = 36.9 𝑚2 (100 − 20)°𝐶 (1

1

0.1 0.05 0.015 1 + + + + 8 0.45 0.03 0.12 20

)=

(8.4)

= 1.57𝑘𝑊

𝑄̇𝑡𝑒𝑐ℎ𝑜 = 20𝑚2 (100 − 20)°𝐶 ∙ (1 8

1 +

0.2 1.2

+

0.015 0.12

+

1) 20

= 3428.6

𝐾𝑐𝑎𝑙 = 4 𝑘𝑊 ℎ

397


Se puede asumir que las condiciones de transferencia de calor para el piso son las mismas que para el techo 𝑄̇𝑡𝑒𝑐ℎ𝑜 = 𝑄̇𝑝𝑖𝑠𝑜 = 4 𝑘𝑊 La renovación del aire dentro de un sauna debe ser de al menos 5 veces el volumen del ambiente en una hora, es decir, que entrará aire frío, el cual debe calentarse hasta llegar a los 100 °C. 𝑄̇𝑅𝑒𝑛𝑜𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑉̇ ∙ 𝑛 ∙ 𝜌 ∙ 𝐶𝑃 ∙ (𝑇2 − 𝑇1 ) 5 𝑘𝑔 𝑘𝐽 1ℎ (100 − 20)°𝐶 ∙ = (5 ∙ 4 ∙ 2.05)𝑚3 ∙ ∙ 1.2 3 ∙ 1.012 ℎ 𝑚 𝑘𝑔 °𝐶 3600 𝑠 = 5.53𝑘𝑊 𝑄̇𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = (1.57 + 2 ∙ 4 + 5.53)𝑘𝑊 = 15.1 𝑘𝑊 = 12975.7


Esta potencia calculada debe ser suministrada ya sea por un calentador eléctrico o uno a GLP, Gas Natural o leña.

Fig. 150. Generador de Calor de Sauna a GLP o GN

En la figura 150 se muestran los elementos o componentes básicos de un sauna seco alimentado por un quemador de gas natural.

398


Ejercicio 11.1.2: Calcular el diámetro del cuerpo cilíndrico del generador de calor del sauna del ejercicio anterior, asumiendo que tiene una altura de 90 cm. Solución: Una forma fácil de diseñar un sauna seco es haciendo uso de un quemador, un cilindro de acero inoxidable bruñido y una bandeja de piedras volcánicas que retendrán el calor en el ambiente del sauna por su alta inercia térmica, la salida de los gases quemados será por una chimenea interna hasta el techo o una salida lateral directa. La superficie exterior del cilindro junto a las piedras servirá como emisor de calor por convección y radiación. Se utilizará una fórmula que representa el calor emitido por el equipo: 𝑄̇𝑅+𝐶 = 𝐴(𝜑𝑅 + 𝜑𝐶 )29

Donde:

(11.1.1.)

es la potencia calorífica por convección y radiación que emite la superficie cilíndrica la cual es igual a la potencia dada por el quemador y calculada en el ejercicio 11.1.1. 𝑄̇𝑅+𝐶

𝐴 es

el área de convección y radiación

𝜑𝑅 = 4.88 ∙ 𝜖 [(

𝑇𝑆 +273.15 4 100

) −(

𝑇𝑒 +273.15 4 𝑘𝑐𝑎𝑙 100

) ]

ℎ∙𝑚2

(11.1.2.)

es la

potencia calorífica por radiación 𝜑𝐶 = ℎ𝑐 ∙ (𝑇𝑆 − 𝑇𝑒 )

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ∙𝑚2

(11.1.3.)

es la potencia calorífica

por convección 𝜖

es el coeficiente de emisividad igual a 0.8

es el coeficiente de conductividad de la superficie caliente ℎ𝑐 = 2.2 ∙ (𝑇𝑆 − 𝑇𝑒 )0.25

29

(11.1.4.)

Ruperto M. Palazón www.areadecalculo.com Una teoría de la Elaboración del Vidrio

399


es la temperatura superficial del cilindro (se recomienda 350°C) 𝑇𝑒 es la temperatura interior del sauna antes de calentarse (20°C) 𝑇𝑆

350 + 273.15 4 20 + 273.15 4 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝜑𝑅 = 4.88 ∙ 0.8 [( ) −( ) ] = 5598.52 100 100 ℎ ∙ 𝑚2 ℎ𝑐 = 2.2 ∙ (𝑇𝑆 − 𝑇𝑒 )0.25 = 2.2 ∙ (350 − 20)0.25 = 9.38 𝜑𝐶 = ℎ𝑐 ∙ (𝑇𝑆 − 𝑇𝑒 )

𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑐𝑎𝑙 = 9.38 ∙ (350 − 20) = 3094.32 ℎ ∙ 𝑚2 ℎ ∙ 𝑚2 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝐴=

12975.7 𝑄̇𝑅+𝐶 ℎ = = 1.49 𝑚2 (𝜑𝑅 + 𝜑𝐶 ) (5598.52 + 3094.32) 𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ∙𝑚 2

𝐴 =𝜋∙𝐷∙𝐿

𝐷=

𝐴 𝜋∙𝐿

=

1.49 𝑚2 3.1416∙0.9 𝑚

= 0.5 𝑚

400


Sistema de Control Sauna Seco

Fig. 151. Sistema de Control de Sauna Seco

El sistema de control está compuesto en su forma más simple de: 1) Una electroválvula de baja presión que deja pasar el gas al quemador y también permite el paso de gas a la llama piloto. 2)

Un encendedor piezoeléctrico.

3) Un termostato de control de temperatura que trabaja en serie con la electroválvula.

401


4) Puede incluir un micro controlador para programar el encendido del sauna y la temperatura deseada a una determinada hora. 5)

Un juego de baterías opcional para operar el sistema de control

11.2.

Sauna a Vapor

Fig. 152. Sauna a Vapor

El baño turco o hamam es un ambiente de vapor caliente que tiene una temperatura que oscila entre los 55 °C a 60°C con una humedad relativa del 100%. Los ambientes de las saunas de vapor suelen ser salas herméticas donde se mantienen dichas condiciones termodinámicas. 402


Originalmente el baño turco o sauna de vapor es un sistema de salas de calor a diferentes temperaturas. Son tres salas que se escalonan en su temperatura; la primera está a 25°C, la segunda a 40°C y la tercera a casi 60°C. Se combinan calor seco y calor húmedo, con frío y masajes, proporcionando beneficios muy parecidos a los de la sauna finlandesa aunque con menos exigencias e impacto. Actualmente sólo se conservan saunas a vapor de un solo ambiente y que se hallan entre 40 y 60°C. Los saunas de vapor requieren de un generador de vapor o caldero de baja presión (1 a 2 bar de presión manométrica). 11.2.1

Cálculo y Especificación de Componentes

Saunas a Vapor Con objeto de calcular la potencia del generador de vapor necesaria para calentar el ambiente de un sauna de vapor a una temperatura de 60°C, se ha tomado una serie de volúmenes con sus respectivas potencias requeridas en el diseño de saunas doméstico y comercial. Tabla N°48 Volumen de Sauna de Vapor vs Potencia Requerida

Volumen (m3)

Watts

Volumen (m3

Watts

0.84 1.4 1.8 4.9 7.0 10.5 12.6 14.7 17.6

2000 (2kw) 3000 (3kw) 4500 (4.5kw) 6000 (6kw) 7500 (7.5kw) 9000 (9kw) 10500 (10.5kw) 12000 (12kw) 13500 (13.5kw)

21.1 26.0 31.6 35.8 39.3 56.2 70.2 84.3 126.4

18000 (18kw) 22500 (22.5kw) 27000 (27kw) 31500 (31.5kw) 36000 (36kw) 48000 (48kw) 60000 (60kw) 72000 (72kw) 100000 (100kw)

19.2

15000 (15kw)

Fuente: http://www.thesaunahouse.com/steamgeneratorsizingchart.html

403


Fig. 153. Gráfica de Volumen de Sauna vs Potencia Requerida

Con los datos de la tabla N°48 se ha graficado una recta que representa la tendencia o función que es la línea de mejor ajuste para un determinado conjunto o nube de puntos que representan los datos, y se calcula como una función explícita y = f(x). La fiabilidad de una línea de tendencia está expresada por el coeficiente de determinación R2. El coeficiente de determinación cuantifica la proporción de la variación de la variable dependiente respecto a la variable independiente, es decir, en qué grado la línea de tendencia se ajusta a los datos. Puede adoptar valores entre 0 y 1. Si R2=1, entre la línea de regresión y los puntos insertados hay una correspondencia perfecta. Sin embargo, cuanto más se aleje R2 de ese valor ideal tanto más frágil será el ajuste realizado. La tendencia ajustada para este caso es de: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎(𝑘𝑊) = 0.8058𝑉(𝑚3 ) + 1.5528

y el valor de 𝑅2 = 0.996

(11.3.1) 404


Adicionalmente a la ecuación 11.3.1, la tabla siguiente permite multiplicar la potencia por factores correctores de acuerdo al tipo de material usado en los cerramientos de la construcción de la sauna: Tabla N° 49 Factor de Corrección de Potencias de Saunas de Vapor

Tipo de Material de Cerramientos

Factor de Corrección

Paredes con aislamiento térmico (fibra de vidrio o poliestireno expandido mínimo 5 cm)

1.0

Pared de ladrillo y recubrimiento de azulejo o cerámica sin aislamiento

1.25

Paredes de piedra natural sin aislamiento 2.0 Pared de bloques de vidrio 1.1 1 Cerramiento de vidrio 1.1 Si la línea de vapor es más de 12 m de largo, multiplicar x 1.2

Ejercicio 11.2.1: Se construye un sauna de vapor de dimensiones interiores 4 m x 3.5 m x 2.1 m, paredes de ladrillo y revestido con azulejo. El caldero de vapor se halla a 15 m del sauna. Calcular la potencia del caldero de vapor necesario para calentar el sauna. Solución: 1°. Se calcula el volumen, 𝑉 = 4 𝑚 𝑥 3.5 𝑚 𝑥 2.1 𝑚 = 29.4 𝑚3 2°. Se calcula la potencia del generador de vapor haciendo uso de 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎(𝑘𝑊) = 0.8058 ∙ 29.4(𝑚3 ) + 1.5528 = 25.24𝑘𝑊

(11.3.1)

3°. La potencia se debe corregir por no tener aislamiento de acuerdo a tablas y tener una línea de vapor de más de 12 m. 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑜 (𝑘𝑊) = 25.2 ∙ 1.25 ∙ 1.2 = 𝟑𝟕. 𝟖𝟔 𝒌𝑾

En caso de no existir un generador de vapor de 38 kW se debe instalar uno cuya potencia sea inmediatamente superior al valor calculado. 405


406


CAPÍTULO 12 12. Hornos

Los hornos son el corazón de nuestra sociedad. Los hornos son usados para producir prácticamente todo lo que consumimos, desde alimentos y bebidas hasta el acero de nuestras estructuras. En los primeros años de la humanidad los procesos de combustión fueron hechos en espacios abiertos hasta la edad de bronce, 5000 a 6000 años A.C., cuando empezó el uso de hornos para alcanzar mayores temperaturas y tener mayor control sobre ellas. Se define como horno a toda estructura cerrada donde se produce una intensa transferencia de calor y se da lugar a procesos físicos o químicos en un producto en particular que está dentro del horno.

Fig. 154. Esquema de un Horno de Combustión

407


Principales Objetivos del Diseño de un Horno 1. Obtener un producto cocido o proceso de cocción satisfactorio. 2. Hacer un mínimo uso de combustible o energía para alcanzar dicho producto. 3. El horno debe ser construido con el menor costo posible 4. El costo de operación del horno debe ser el menor posible 5. El horno debe alcanzar la mayor vida útil posible con un mínimo costo de mantenimiento. 6. El horno debe tratar de contaminar el ambiente lo menos posible. 12.1.

Cálculo de los Aparatos de Caldeo y Cocción

12.1.1.

Horno de Fuego Directo

Fig. 155. Balance de Energía de un Horno de Fuego Directo

Un horno de fuego directo es aquel que usa la llama de un quemador para calentar el producto con objeto de modificar las propiendas físicas o 408


químicas del mismo. La energía química del combustible es convertida en energía calorífica a través del proceso de combustión y los gases calientes transfieren calor al producto, pero además, calientan las paredes del horno que a su vez transmiten calor a sus alrededores por conducción, convección y radiación. Una parte considerable de calor es desechada por la chimenea del horno junto con los humos de éste. El balance de energía de este tipo de hornos, es: 𝑄̇𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑄̇𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 ú𝑡𝑖𝑙 + 𝑄̇𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 + 𝑄̇𝑐ℎ𝑖𝑚𝑒𝑛𝑒𝑎

(12.1.1)

Nótese que no se está considerando la energía previa requerida para el precalentamiento del horno hasta llegar a su temperatura de operación. Calor de Entrada 𝑄̇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 : Es la potencia suministrada por el quemador: ̇ 𝐶𝑜𝑚𝑏 ∙ 𝑃𝐶𝑆 𝑄̇𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑉𝐺𝑎𝑠

(4.2.1.5)

Calor de Consumo Útil 𝑄̇𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 ú𝑡𝑖𝑙 : Es la potencia aprovechada por el proceso o producto siempre y cuando no haya cambio de fase. 𝑚 𝐶 Δ𝑇 𝑄̇𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 ú𝑡𝑖𝑙 = 𝑝 𝑡

Donde:

(12.1.2)

𝑚 es

la masa del producto

𝐶𝑝 es

el calor específico de la masa o producto

Δ𝑇 es

la variación de temperaturas inicial y final del producto

𝑡 es

el tiempo que toma en alcanzar la temperatura final

409


Calor de Pérdidas por Paredes, Puertas, Base y Techo

Fig. 156. Pérdidas por Conducción, Convección y Radiación y Circuito Equivalente

Se tienen pérdidas de calor en el horno o cámara de combustión hacia el medio exterior y éstas pueden ser por conducción y convección y por radiación cuando las temperaturas del horno son mayores a 500 °C. Si se efectúa una analogía con un circuito eléctrico, las resistencias corresponderán a los coeficientes de conducción, convección y radiación y la ecuación de transferencia global estará dada por la siguiente expresión ya usada anteriormente: 𝑄̇𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = 𝑈𝐴(𝑇𝑖 − 𝑇𝑒 ) 𝑈=(

Donde:

1 ℎ𝑐𝑖

+

𝐿𝐴 𝑘𝐴

+

𝐿𝐵 𝑘𝐵

+

1 ℎ𝑐𝑜+ℎ𝑟𝑜

)

−1

es el coeficiente de convección interior y depende de la velocidad de los humos en el interior del horno. Para temperaturas interiores del horno mayores a 900°C se tiene que ℎ𝑐𝑖 ≈ 60 𝑊⁄𝑚2 ∙ °𝐶 ℎ𝑐𝑖

𝐿𝐴

es el ancho del medio A 410


𝐿𝐵

es el ancho del medio o material B

𝑘𝐴

es el coeficiente de conductividad del material A

𝑘𝐵

es el coeficiente de conductividad del material B

ℎ𝑐𝑜

es el coeficiente de convección exterior

ℎ𝑟𝑜 = 𝜎𝜀𝑠 (𝑇3 2 + 𝑇𝑒 2 )(𝑇3 + 𝑇𝑒 ) es 𝐴 es

el coeficiente de radiación

el área de transferencia de calor

𝑇𝑖

es la temperatura interior del horno

𝑇𝑒

es la temperatura del medio ambiente

𝜎 = 5.67 ∙ 10−8 ( 𝜀𝑠

𝑊 𝑚2 °𝐾 4

) es

la constante de Boltzman

es la emisividad de la superficie

Pérdidas por la Chimenea: La mayor pérdida de calor en un horno de fuego directo es por la chimenea y tiene dos componentes: el primero es el calor del gas seco y el segundo es el calor del vapor que sale de la chimenea. Es posible recuperar parte del calor a temperaturas mayores de 50°C ya que a temperaturas más bajas el vapor se condensará. Esta temperatura también dependerá del tipo de combustible y el exceso de aire. A partir de un análisis de gases, en combinación con la temperatura de los humos, se puede determinar las pérdidas de la chimenea; para ello se requiere un termómetro o una termocupla si la temperatura es mayor a 300°C y un analizador de gases que mida los productos de la combustión; con estos datos hallados se procede a determinar la energía asociada a los gases de acuerdo a la Termodinámica de la Combustión, estudiada en el Capítulo 2. Una forma simple de determinar estas pérdidas es hacer uso de las gráficas de las figuras 157 y 158:

411


Fig. 157. Pérdidas por Chimenea Gas Natural Fuente: Energy Management Series Module 7

Fig. 158. Pérdidas por Chimenea Fuelóleo N° 2 Fuente: Energy Management Series Module 7

412


Ejercicio 12.1.1.1. Un horno de fuego directo quema gas natural con un exceso del 77%. La temperatura que sale del horno es 850°C. Hallar las pérdidas por la chimenea. Solución: Haciendo uso de la gráfica figura 156, se halla que aproximadamente las pérdidas representan un 65% de la potencia inducida por el quemador: 𝑄̇𝑐ℎ𝑖𝑚𝑒𝑛𝑒𝑎 = 65% (𝑔𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑔𝑢𝑟𝑎 158)

Ejercicio 12.1.1.2: Un horno de tratamiento térmico calienta 1800 kg/h de acero desde 40 °C hasta 900 °C usando gas natural con un flujo de 125 m3/h. El PCA del gas natural es 37.2 MJ/m3. La combustión se realiza con 15% de exceso de aire y los humos de la chimenea salen a 1100 °C. Hallar el porcentaje de potencia útil, la pérdida por la chimenea y el % de pérdidas. Dato:

Cp acero es 0.5 kJ/kg °C

𝑄̇𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑉̇𝐺𝑎𝑠 𝐶𝑜𝑚𝑏 ∙ 𝑃𝐶𝑆 = 125

𝑄̇𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 ú𝑡𝑖𝑙 = 𝑚̇ 𝐶𝑝 𝑖 (𝑇2 − 𝑇1 ) = 1800

𝑚3 𝑀𝐽 1000 𝑘𝐽 1ℎ 37.2 3 ∙ ∙ = 1291.7𝑘𝑊 ℎ 𝑚 1 𝑀𝐽 3600 𝑠

𝑘𝑔 𝑘𝐽 1ℎ ∙ 0.5 ∙ (900 − 40)°𝐶 ∙ = 215 𝑘𝑊 ℎ 𝑘𝑔 °𝐶 3600𝑠

% 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ú𝑡𝑖𝑙 =

215 𝑘𝑊 = 16.65 % 1291.7𝑘𝑊

𝑄̇𝑐ℎ𝑖𝑚𝑒𝑛𝑒𝑎 = 0.62 ∙ 1291.7 𝐾𝑤 = 800.85 𝐾𝑤 (62

% se obtiene de la figura 156)

𝑄̇𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = 𝑄̇𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑄̇𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 ú𝑡𝑖𝑙 − 𝑄̇𝑐ℎ𝑖𝑚𝑒𝑛𝑒𝑎 = (1291.7 − 215 − 800.85)𝑘𝑊 𝑄̇𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = 275.85 𝑘𝑊

413


Ejercicio 12.1.1.3: Un horno tiene 3 m de largo y una sección de 1 m x 1 m. El flujo de fuego que atraviesa el horno tiene una velocidad promedio de 0.5 m/s con una temperatura de 500°C. La diferencia promedio de temperaturas entre las paredes y el flujo es del fuego es 150°C. Hallar la transferencia de calor por convección. Solución: Para propósitos prácticos se puede usar la siguiente fórmula para determinar la transferencia de calor por convección cuando la temperatura es menor a 600°C30: 𝑄̇𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 23.46 ∙ 𝐴 ∙ ∆𝑇 ∙ 𝑣 0.78 ∙ 𝛿

Donde:

𝐴 = (1𝑚𝑥3𝑚) ∙ 4 𝑙𝑎𝑑𝑜𝑠 = 12𝑚2

(12.1.3)

área de contacto del fuego con las

paredes del horno. ∆𝑇 = 150 °𝐶 es

la diferencia promedio de temperaturas entre paredes y flujo. 𝑣 = 0.5 𝑚/𝑠 es

la velocidad de los gases calientes o fuego

𝛿 = 0.458 𝑘𝑔/𝑚3 es

la densidad del gas caliente o fuego a la temperatura dada (150°C), para efectos prácticos se puede considerar el gas como aire. 𝑄̇𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 23.46 ∙ 𝐴 ∙ ∆𝑇 ∙ 𝑣 0.78 ∙ 𝛿 = 23.46 ∙ 12 ∙ 150 ∙ 0.50.78 ∙ 0.458 = 11263.2

𝑘𝐽 ℎ

𝑄̇𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 3.12 𝑘𝑊

30

Process furnaces, dryers and kilns Energy Management Series for Industry Commerce and Institutions

414


12.2.

Hornos de Secado de Madera

La madera en su estado natural tiene entre sus fibras una cierta cantidad de agua, la cual se va evaporando con el tiempo en función de la humedad relativa y temperatura del ambiente. Para que la madera pueda ser trabajada fácilmente y los productos mantengan su calidad, ésta no debe tener una humedad mayor al 20%. La humedad de la madera está formada por el agua presente en los jugos naturales de la madera, siendo máxima en el árbol recién cortado (40-50%) y cuya cantidad relativa dependerá de la naturaleza del árbol y de la época de tala. Cuando la madera húmeda comienza a secarse, va perdiendo peso y se contrae hasta un límite en el que no puede disminuir más su grado de humedad, para la temperatura a la que se encuentra, este grado de humedad es el aceptado comercialmente como madera seca y está entre el 15 y el 20%. Agua de Impregnación en la Madera: Es el agua que ha absorbido la madera del ambiente donde se encuentra debido a su higroscopicidad. Esta humedad es variable y depende de la humedad relativa ambiental cuando está expuesta al aire. Puede llegar a ser muy alta en la madera sumergida (hasta 300%). La humedad de la madera está directamente relacionada con el peso, y afecta a otras propiedades físicas y mecánicas. Por eso, es importante conocer el contenido de humedad de una madera para las condiciones en la que va a emplearse. En función del grado de humedad, las maderas se pueden clasificar en los siguientes tipos: 415


Madera verde: Es el material recién cortado. Madera oreada: Es la que ha perdido una parte de su agua natural, pero que no ha sufrido aún contracciones ni cambio en sus propiedades mecánicas apreciables. Madera comercial: Es la que tiene un contenido en humedad inferior al 20%. Madera seca: Su grado de humedad está en equilibrio con la humedad relativa del aire; este estado se adquiere con varios meses de secado al aire después de haber sido aserrada en tablas. Madera desecada: Es la que tiene una humedad inferior al 12%. Madera anhidra: Presenta un grado de humedad en torno al 3%. Medición de la Humedad de la Madera 1.

Contenido de humedad (C. de H.) en base seca: % 𝑑𝑒 𝐶. 𝑑𝑒 𝐻. (𝑠𝑒𝑐𝑎) =

2.

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎

(12.2.1)

Contenido de humedad en base húmeda: % 𝐶. 𝑑𝑒 𝐻. (ℎú𝑚𝑒𝑑𝑎) =

3.

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎+𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎

(12.2.2)

Las dos expresiones anteriores se pueden relacionar: % 𝑑𝑒 𝐶. 𝑑𝑒 𝐻. (𝑠𝑒𝑐𝑎) =

% 𝐶. 𝑑𝑒 𝐻.(ℎú𝑚𝑒𝑑𝑎) 100−% 𝐶. 𝑑𝑒 𝐻.(ℎú𝑚𝑒𝑑𝑎)

(12.2.3)

Para medir la humedad de la madera se toma una muestra de la madera húmeda, se la pesa y se registra el dato; luego la muestra se seca en un horno hasta llegar a una temperatura de 103°C (se puede usar un horno de micro ondas), se vuelve a pesar y se registra el dato; se repite el procedimiento hasta que la madera ya no baje de peso y se usa la siguiente relación: 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑎 % 𝑑𝑒 𝐶. 𝑑𝑒 𝐻. (𝑠𝑒𝑐𝑎) = [ − 1] 𝑥100 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎

416


Secado de Madera Por secado de la madera se entiende, en forma general, el proceso de eliminación del agua en exceso del material recién cortado, que se aplica con el propósito de optimizar su posterior procesamiento y transporte para usos específicos. La madera puede ser secada por uno de los tres métodos siguientes: 1. Secado completo al aire libre (secado natural). 2. Secado completo en hornos o cámaras. 3. Secado al aire hasta cerca del punto de saturación de las fibras y completando el proceso en un horno. El método a emplear depende de numerosos factores tales como la especie de madera, el tamaño del material, la tasa relativa de secado, y la degradación o daño permisible. Secado de la Madera en un Horno El agua se halla dentro de la madera de manera libre o cautiva; libre dentro de las cavidades celulares y cautiva junto a las paredes de las células. Consecuentemente, se requiere mayor energía para remover el agua cautiva de la madera. El contenido de agua libre de la madera afecta en menor medida a las propiedades de la misma excepto su conductividad térmica y permeabilidad; en cambio, el contenido de agua cautiva afecta a diferentes propiedades físicas y mecánicas de la madera. Se define como “punto de saturación de la fibra” a la cantidad de humedad dentro de las paredes celulares, al mismo tiempo que no existe agua en las cavidades celulares y esta situación ocurre en la mayoría de las especies cuando el C. de H. es igual al 30%. El proceso de secado de madera es de afuera hacia adentro, es decir el exterior puede estar en un 15% y el interior 417


en un 45%, por lo tanto, el % de C. de H. es un promedio y se debe tener cuidado al hacer las mediciones. Contenido de Humedad en Equilibrio: La cantidad de humedad en el punto de saturación se denomina Contenido de Humedad en equilibrio (CHE) y éste depende principalmente de la humedad relativa y la temperatura del aire del ambiente. La madera pierde o gana humedad hasta que ésta esté en balance con la humedad del aire atmosférico. Un horno de secado de madera debe alcanzar y controlar el CHE de la madera que se halla en proceso de secado. Esto se logra controlando la temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo húmedo y velocidad del aire dentro del horno.

Fig. 159. Comportamiento de la Humedad en la Madera

418


Cuanto más seco esté el aire dentro del horno, mayor será la tasa de evaporación y esta evaporación tendrá un efecto de enfriamiento a medida que aumente la tasa de evaporación. Así, cuanto más seco el aire, menor la temperatura del termómetro de bulbo húmedo. La diferencia entre las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo es la humedad relativa del aire. En el horno de secado, el exterior de la madera alcanza el equilibrio con el aire del medio ambiente. Si la circulación del aire es lenta, se dificultará el alcance del equilibrio, para lo cual se usan ventiladores que le dan al aire la velocidad necesaria para remover la humedad. Si la temperatura dentro del horno es baja, la saturación del aire con la humedad de la madera será mayor y se requerirá calentar el horno. Si pese al aumento de la temperatura el aire continúa húmedo, se debe extraer este aire húmedo y dejar ingresar aire nuevo para continuar con el proceso. Si la extracción de la humedad es muy rápida, ocurrirá en la madera deformaciones mecánicas que afectarán su estructura. Para medir el CHE de la madera se usa un medidor de humedad digital cuyo principio de funcionamiento es la conductividad del agua, a mayor conductividad mayor contenido de agua.

Fig. 160. Medidores Digitales de Humedad de Madera

419


Fig. 161. Esquema Básico de un Horno de Secado de Madera

En la figura 161 se muestra un horno de secado de madera cuyo principio de funcionamiento es la adición de calor a través de un flujo de aire caliente con una cierta velocidad para facilitar la extracción del vapor. El horno presenta compuertas ventilas que se abren cuando la humedad dentro del horno se ha saturado. El calor que se transfiere al aire se lo efectúa por medio de intercambiadores de calor cuyo fluido de trabajo puede ser vapor, agua o aceite térmico. Cálculos de Cargas Térmicas 1. Calor de Adsorción: Cuando la humedad de la madera es más del 30% (punto de saturación), el agua contenida en la madera está en dos formas: a) agua en estado líquido dentro de la estructura molecular de la madera; b) agua adsorbida dentro de la madera, también llamada agua higroscópica. La energía necesaria para remover esta agua es aún mayor que 420


el calor latente de vaporización. Cuando el contenido de humedad es menor al 20% el calor de adsorción se incrementa exponencialmente reflejada en la siguiente expresión: 14.5(% 𝐶.𝑑𝑒 𝐻.) )+6.18 100

𝑄𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 = 2.328 ∙ 𝑒 (−

𝑘𝐽

( ) 𝑘𝑔

(12.2.4)

2. Transferencia de Calor al Exterior del Horno: Es la cantidad de calor que se transfiere del horno a través de piso, techo, paredes y puertas hacia el exterior o medio ambiente; dicha transferencia se refiere a la convección y conducción. Para este cálculo se procede de la misma manera que en el capítulo 8. 𝑄̇ = 𝐴(𝑇2 − 𝑇1 ) ∙ 𝑈

(8.5)

3. Calor Sensible: Cuando el horno está frío y cargado con madera fría, se requiere energía para calentar las paredes y estructura del horno, así como la madera hasta llegar a la temperatura de secado. El cálculo para determinar esta carga térmica es: ∑ 𝑚𝑖 𝐶𝑝 𝑖 (𝑇2 −𝑇1 ) 𝑄̇𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 = 𝑡

Donde:

4.

(12.2.5)

es la masa de todos los componentes del horno y lo que está dentro del horno. 𝐶𝑝 𝑖 es el calor específico de todos los componentes del horno y lo que está dentro del horno. 𝑡 es el tiempo programado en llegar a la temperatura 𝑇2 𝑚𝑖

Calor Latente de Evaporación:

Los hornos de secado de madera varían desde hornos de circulación de aire natural con controles manuales hasta los hornos de circulación forzada con controles automáticos de temperaturas de bulbo húmedo, bulbo seco y humedad relativa. 421


Los hornos secan madera verde (recién cortada) hasta madera previamente secada al aire. El tiempo requerido para secar una determinada carga de madera depende de los siguientes factores: a)

Tipo de madera

b) Contenido de humedad original y final c)

Temperatura del aire interior del horno

d) Tamaño de la carga e)

Humedad relativa del aire del horno

f)

Distancia de recorrido del aire

La correlación de estas variables es de interés y uso como parámetros de diseño del ingeniero diseñador del horno. Antes de plantear el cálculo del calor latente de evaporación se debe primero determinar el flujo de aire de secado. Requerimeinto de Aire de Secado31 El secado de madera de una pila de tablones de madera puede ser idealizado como un proceso de saturación adiabático. Después de que el horno pasa por un proceso de calentamiento, la temperatura de la superficie de la madera y por lo tanto del vapor que se está evaporando será la temperatura de bulbo húmedo, asumiendo que el aire que pasa por el exterior de la madera está totalmente saturada. A una saturación menor al 100%, por ejemplo a un 75%, la temperatura de la superficie alcanzará la temperatura de bulbo húmedo más un 25% de la diferencia de temperaturas entre las de bulbo seco y bulbo húmedo. No se añade ni se gana calor porque no hay un intercambio de calor y el proceso es adiabático. El calor requerido para la vaporización del agua de la madera es suministrado 31

Heat and Air Requirements in the Kiln Drying of Woods C.A. Eckelman and J.L. Baker

422


por el aire que es enfriado a medida que pasa la pila de tablones. La pregunta consecuente es cuánto aire se necesita para secar la carga de madera. Una forma de resolver este problema es primero calculando la cantidad de aire requerido para evaporar un kilogramo de vapor contenido en la madera; para ello primero se hallará la capacidad de carga de calor de 1 m3 de aire. Ejercicio 12.2.1: Asumir que el aire de un horno que opera a nivel del mar y que pasa por una pila de tablas está a 54.4°C y una humedad relativa del 67%. Hallar la capacidad de carga de calor del aire, primero se debe hallar el contenido de agua o humedad específica del aire bajo estas condiciones. La relación entre la humedad específica y la humedad relativa está dada por la siguiente expresión32: 𝜔 = 0.622 (

Donde:

∅∙𝑃𝑔 𝑃𝑎

)

(12.2.6)

𝜔

es la razón de humedad (kg vapor/kg aire seco)

∅

es la humedad relativa (%)

𝑃𝑔 es

la presión de saturación a la temperatura dada (kPa)

es la presión atmosférica donde se lleva a cabo el proceso (kPa) 𝑃𝑎

𝜔 = 0.622

0.67∙15.33 𝑘𝑃𝑎 101.32 𝑘𝑃𝑎

= 0.063

𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒

Ahora se determina el volumen ocupado por 1 kg de aire y 0.063 kg de vapor de agua haciendo uso de la ecuación de estado 𝑃𝑉 = 𝑁𝑅𝑇 𝑉𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 =

32

63.05𝑔 ∙ 0.0823 𝑎𝑡𝑚 𝐿⁄° 𝐾 ∙ 𝑚𝑜𝑙 ∙ 273°𝐾 1 𝑎𝑡𝑚 ∙ 18 𝑔/𝑚𝑜𝑙

= 78.7 𝐿𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

Termodinámica para Ingenieros Merle C, Potter Edit. Mc Graw Hill

423


𝑉𝑎𝑖𝑟𝑒 =

1 000𝑔 ∙ 0.0823 𝑎𝑡𝑚 𝐿⁄° 𝐾 ∙ 𝑚𝑜𝑙 ∙ 273°𝐾 1 𝑎𝑡𝑚 ∙ 28.9 𝑔/𝑚𝑜𝑙

= 777.4 𝐿𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑉𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = (777.4 + 78.7) = 856.1 𝐿 = 0.8561𝑚3

Ahora se calculará la densidad de la mezcla: 𝐷=

(1 + 0.063) 𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜 1000𝐿 𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜 ∙ = 1.2416 (777.4 + 78.7)𝐿𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑚3 𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎

De la misma manera se puede hallar la densidad del aire seco y del vapor con respeto a la mezcla o aire húmedo: 𝐷𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 =

𝐷𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 =

(1) 𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜 𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 ∙ 1.2416 = 1.17 3 3 1.063 𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜 𝑚 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑚 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎

(0.062) 𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜 ∙ 1.2416 = 0.072 3 3 1.063 𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜 𝑚 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑚 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎

Si se considera que el calor específico del aire es 𝐶𝑝(𝑎𝑖𝑟𝑒) = 1.0061 𝑘𝑔𝑘𝐽°𝐶 y del vapor 𝐶𝑝(𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟) = 1.886 𝑘𝑔𝑘𝐽°𝐶 , entonces el calor necesario para evaporar 1 m3 de mezcla será: 𝑄 = 1.17

𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑘𝐽 𝑘𝐽 ∙ 1.0061 + 0.072 3 ∙ 1.886 3 𝑚 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 °𝐶 𝑚 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 °𝐶 𝑄 = 1.313

𝑘𝐽 𝑚3

𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎

°𝐶

Si se asume que el proceso de secado es totalmente adiabático como se explicó previamente, entonces, la cantidad de calor requerida para separar el agua de la madera es relativamente pequeña, de tal manera que este calor 424


llamado “calor de mojado o transpiración” puede ser despreciado. Bajo estas condiciones, el único calor es el calor latente de vaporización. En el caso del Ejercicio 12.2.1, a la temperatura de 54.4°C el calor latente de vaporización o entalpía de vaporización es ℎ𝑓𝑔 = 2371.1 𝑘𝐽/𝑘𝑔 (tablas de vapor). Reordenando la ecuación anterior e incluyendo el calor latente de vaporización se halla el volumen de la mezcla aire–vapor requerido para evaporar 1 kg de agua de la madera por cada °C, es decir: 𝑉𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = (1.313)−1

𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 °𝐶 2371.1 𝑘𝐽 1805.9 𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 ∙ = 𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑘𝐽 𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ⁄ °𝐶

Velocidad de Secado33 Se recomienda una velocidad del aire dentro del horno entre 120 m/min a 200 m/min. El recorrido del flujo de aire no debe pasar de 6 m. Si se requiere un largo mayor se puede añadir un ventilador intermedio adicional.

Fig. 162. Apilado de Tablones para Permitir el Paso del Aire Secador

33

THE IMPORTANCE OF FANS IN THE LUMBER KILN DRYING PROCESS Sita R. Warren H.A. Simons Ltd. Vancouver, CA

425


Conociendo el flujo y la velocidad del aire se puede determinar el área de paso de aire de la pila de tablones a partir de la ecuación: 𝑉̇ = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 ∙ 𝐴𝑟𝑒𝑎

(2.2.7)

Se recomienda instalar ventiladores que cumplan con el doble de capacidad del flujo calculado e instalar variadores de frecuencia para ajustar la velocidad de los mismos cuando se los requiera. Los ventiladores deberán ser capaces de girar en reversa para alternar la dirección de flujo para un proceso de secado más homogéneo. Ejercicio 12.2.2: El peso seco de 10000 pies tablares de madera es 25000 lb. Se quiere alcanzar una tasa de secado de 0.01% del peso de la madera por minuto. Eso es la evaporación de 2.5 lb de agua por minuto (1.134 kg/min). La temperatura de bulbo seco es 130°F (54.44°C), la humedad relativa es 70% y la caída de temperatura es de 4°F (2.22°C). ¿Qué cantidad de aire se requiere para asegurar dicha tasa de secado? 𝜔 = 0.622 𝑉𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 82.23 𝐿𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝐷=

1.066 0.85963

= 1.24

0.7 ∙ 15.33 𝑘𝑃𝑎 𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 0.066 101.32 𝑘𝑃𝑎 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑉𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 = 777.4 𝐿𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑘𝑔 𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎

𝐷𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 =

𝑄 = 1.1633


0.066 1.066

𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.85963 𝑚3 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ∙ 1.24 = 0.0768

𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎

1 𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 ∙ 1.24 = 1.1633 3 1.066 𝑚 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎

𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑘𝐽 𝑘𝐽 ∙ 1.0061 + 0.0768 3 ∙ 1.886 𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 °𝐶 𝑚 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 °𝐶

426


𝑄 = 1.3152

𝑉𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = (1.3152)−1

𝑉𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 =

𝑘𝐽 𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 °𝐶

𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 °𝐶 2371.1 𝑘𝐽 𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 ∙ = 1802.8 𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑘𝐽 𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ⁄ °𝐶

1.1338 𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 3 ⁄ 𝑚𝑖𝑛 = 920.72 𝑚 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ∙ 2.22°𝐶 𝑚𝑖𝑛

1802.8 𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 ∙ °𝐶 ∙

Ejercicio 12.2.3 La temperatura ambiente es 80 °F (26.7°C) y 65% de humedad relativa. Se secan 50000 pies tablares de roble cuyo peso es 145000 lb (65760 kg). La tasa de secado es 4% por día. La primera fase de secado es 100°F (37.8°C) y 80 % de humedad relativa. La caída de temperatura es de 6°F (3.33°C). Calcular: a) el flujo volumétrico de aire de secado (m3N/min). b) La energía de evaporación o calor de venteo (kW). c) La tasa de secado por minuto (kg vapor/min). Solución: 𝑇̇𝑠𝑒𝑐𝑎𝑑𝑜 =

0.04 𝑙𝑏 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 145000 𝑙𝑏𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎 1 𝑑í𝑎 1 ℎ𝑜𝑟𝑎 1 𝑘𝑔 ∙ ∙ ∙ ∙ = 1 𝑙𝑏𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎 ∙ 𝑑í𝑎 1 24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 60 𝑚𝑖𝑛 2.205 𝑙𝑏 𝑇̇𝑠𝑒𝑐𝑎𝑑𝑜 = 1.83

𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑖𝑛

Se sigue el mismo procedimiento de los problemas previos. 𝜔 = 0.0322

𝐾𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝐾𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜

𝐷=

𝑉𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 0.040 𝑚3

𝑉𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 = 0.776 𝑚3

1 + 0.0322 𝑘𝑔𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 1.265 3 0.816 𝑚 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎

427



0.0322 1.0322

∙ 1.265 = 0.0394

𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎

𝐷𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 =

ℎ𝑓𝑔 = 2414.3

𝑄 = 1.225

1 1.0322

∙ 1.265 = 1.225

𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎

𝑘𝐽 𝑘𝑔

𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑘𝐽 𝑘𝐽 ∙ 1.0061 + 0.0394 3 ∙ 1.886 𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 °𝐶 𝑚 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 °𝐶 𝑄 = 1.307

𝑉𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = (1.307)−1

𝑉̇𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 1847.65

𝑄̇𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒𝑜 = 1.307

𝑘𝐽 𝑚3

𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎

∙ °𝐶

𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 °𝐶 2414.3 𝑘𝐽 𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 ∙ = 1847.65 𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑘𝐽 𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ⁄ °𝐶

𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 1 𝑚3 𝑁𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎⁄ ∙ 1.83 ∙ = 1021.5 𝑚𝑖𝑛 𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑖𝑛 3.31°𝐶 ⁄ °𝐶 𝑘𝐽

𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 ∙ °𝐶

∙ 1021.5

𝑚3 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 1 𝑚𝑖𝑛 ∙ 3.31°𝐶 ∙ = 73.65 𝑘𝑊 𝑚𝑖𝑛 60 𝑠

Fig. 163. Interior de un Horno de Secado de Madera

428


Programa de Secado Un programa de secado es una serie de temperaturas y humedades relativas que se aplican en varias etapas de secado. En la mayoría de los programas la temperatura es incrementada gradualmente y la humedad es disminuida. El caso particular de la madera de pino es una excepción a la regla: seca a humedad y temperaturas constantes. Las temperaturas son escogidas para satisfacer una tasa de secado económica y sin defectos objetables en la estructura de la madera. Las tensiones que se desarrollan en la madera durante el secado limitan y marcan el programa de tal manera que las tensiones no excedan la resistencia de la madera a ninguna temperatura y contenido de humedad. La siguiente tabla es una recomendación de un programa de secado para maderas duras (Roble rojo) que puede servir como guía. El programa varía para cada tipo de madera. Tabla N° 50 Programa de Secado de Madera

% C. de H. Base Seca

Bulbo Seco °C

Bulbo Húmedo °C

DT °C

Contenido Humedad Equilibrio CHE

Humedad Relativa F

> 50

49

45

4

14.4

80

50 a 40 40 a 35

49 49

43.5 40.5

5.5 8.5

12.1 9.6

72 60

35 a 30 30 a 25 25 a 20 20 a 15 < 15

49 54.5 60 65.5 82.2

35 32 32 37.5 54.5

14 22.5 28 28 27.7

6.5 4.0 2.9 3.2 3.5

40 22 15 18 26

Fuente: Drying and Control of Moisture Content and Dimensional Changes William T. Simpson

429


12.3.

Hornos Deshidratadores

El secado por deshidratación es uno de los métodos más antiguos de conservación de los alimentos. Ya las sociedades primitivas practicaban el secado de la carne y el pescado al sol; hoy en día el secado de alimentos es todavía importante como un método de conservación. Los alimentos secos pueden almacenarse durante largos períodos de tiempo sin que ocurra deterioro. La principal razón para la conservación de los alimentos, a través del secado de los mismos, es impedir que los microorganismos que causan su deterioro y corrupción crezcan y se multipliquen. Del mismo modo, se logra que muchas de las enzimas que promueven cambios no deseados en la composición química de los alimentos no pueden funcionar por la falta de agua. El secado de alimentos implica la eliminación del agua del producto alimenticio. En la mayoría de los casos, el secado se lleva a cabo mediante la vaporización del agua que está contenida en el alimento, y para hacer esto, se debe suministrar el calor latente de vaporización. Hay dos factores importantes del proceso de control que intervienen en el funcionamiento de la unidad de secado: a) La transferencia de calor para proporcionar el calor latente de vaporización necesario. b) La circulación de agua o vapor de agua a través del producto a secarse para separar el agua del producto alimenticio. Los procesos de secado se dividen en tres categorías: 1) Secado por contacto de aire a presión atmosférica. En este proceso el calor se transfiere al producto alimenticio a través de un flujo de aire caliente o contacto con superficies calientes. 430


2) El secado al vacío. En este proceso se aprovecha la particularidad que el agua se evapora a temperaturas menores debido a la presión negativa existente en la cámara de secado. La transferencia de calor en el secado al vacío es generalmente por conducción y a veces por radiación. 3) La liofilización o deshidrocongelación es un proceso en el que se congela el producto y posteriormente se introduce en una cámara de vacío para realizar la separación del agua por sublimación. De esta manera se elimina el agua desde el estado sólido al gaseoso del ambiente sin pasar por el estado líquido.

Fig. 164. Diagrama de Fases del Agua y Formas de Secado

La figura 164 muestra el típico diagrama de fases. La frontera entre el gas y el líquido corre a lo largo del punto triple al punto crítico. El secado regular representa la flecha verde, el secado supercrítico la flecha azul y el secado por congelamiento la flecha roja.

431


La Energía Térmica en el Secado por Aire se Denomina Calor de Vaporización La energía que debe ser suministrada para vaporizar el agua a cualquier temperatura, depende de esta temperatura. La cantidad de energía requerida por kg de agua se denomina calor latente de vaporización, si es de un líquido, o calor latente de sublimación, si es de un sólido. El calor latente de vaporización también se denomina entalpía de vaporización, la cual se halla tabulada en tablas de vapor de textos de termodinámica. La carga de evaporación es la demanda mínima de energía para el secado, pero esta energía, para ser transferida a un sólido en una forma práctica, debe usar un medio, por ejemplo, aire caliente (secado convectivo), una pared o superficie caliente (de contacto o de secado de conducción), o mediante la absorción de radiación electromagnética (infrarrojo, radiofrecuencia o secado por microondas). Los procesos de suministro de calor típicamente consumen mucha más energía que simplemente el calor latente de evaporación.

Fig. 165. Esquema Deshidratador de Túnel Continuo

432


La energía requerida para una convección continua (aire caliente) haciendo uso de un intercambiador de calor del aire de entrada (excluyendo las pérdidas del calentador) está dado por: 𝑄̇𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝑚̇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝐶𝑝 𝑎𝑖𝑟𝑒 (𝑇𝑠𝑒𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 − 𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 )

(12.3.1)

Este calor debe suplir el calor para la evaporación, el calor sensible de los productos que se secan y las pérdidas del secador por paredes. 𝑄̇𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 = ∆𝑚̇𝑣 ∙ ℎ𝑓𝑔 + 𝑚̇𝑠 𝐶𝑝 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 ∙ ∆𝑇 + 𝑄̇𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠

(12.3.2)

Ejemplo 12.3.1: Estimar la cantidad de agua a eliminar y la energía necesaria para secar 30 kg/hora de ciruelo con una humedad del 88.6% (masa de agua/masa de ciruelo húmedo) hasta el 2%. Cp(ciruelo) = 2.32 kJ/kg °C, desde una temperatura de 20°C hasta 55°C. Suponer un 50 % de pérdidas. Solución: 1°. Se halla la cantidad de agua a eliminar: % 𝐶. 𝑑𝑒 𝐻𝑖 . = 88.6 = 𝑤1 =

88.6 𝑘𝑔𝑎𝑔𝑢𝑎 88.6 𝑘𝑔𝑎𝑔𝑢𝑎 = (100 − 88.6)𝑘𝑔𝑐𝑟𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 + 88.6 𝑘𝑔𝑎𝑔𝑢𝑎 100 𝑘𝑔 𝑐𝑖𝑟𝑢𝑙𝑒𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 1 𝑚̇𝑠𝑒𝑐𝑜

=

88.6 11.4

= 7.772

y

𝑤2 =

𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 2 𝑚̇𝑠𝑒𝑐𝑜

=

2 98

= 0.0204

𝑚̇ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜 = 𝑚̇𝑠𝑒𝑐𝑜 + 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 1

Entonces la cantidad de agua a eliminar es: 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 1 − 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 2 7.772 𝑚̇𝑠𝑒𝑐𝑜 − 0.0204 𝑚̇𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 = = 0.88832 𝑚̇ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜 𝑚̇𝑠𝑒𝑐𝑜 + 7.772 𝑚̇𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑘𝑔 𝑐𝑖𝑟𝑢𝑒𝑙𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 =

0.88832 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 30 𝑘𝑔 𝑐𝑖𝑟𝑢𝑒𝑙𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜 26.65 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∙ = 𝑘𝑔 𝑐𝑖𝑟𝑢𝑒𝑙𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜 ℎ ℎ

433


2°. Se halla el calor sensible para elevar la temperatura del ciruelo húmedo desde 20°C hasta 55°C. 𝑄̇𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 =

30 𝑘𝑔 𝑐𝑖𝑟𝑢𝑒𝑙𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜 1 ℎ 2.32𝑘𝐽 ∙ (55 − 20)°𝐶 = 0.68 𝑘𝑊 ℎ 3600 𝑠 𝑘𝑔 °𝐶

3°. Se determina la entalpía de vaporización del agua a la temperatura de 55°C (ℎ𝑓𝑔 = 2370.7 𝑘𝐽/𝑘𝑔) en tablas de vapor y se calcula el calor latente de vaporización: 𝑄̇𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 =

26.65 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 2370.7 𝑘𝐽 1ℎ ∙ ∙ = 17.55 𝑘𝑊 ℎ 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 3600 𝑠

4° Se calcula el calor perdido: 𝑄̇𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 = 0.5 𝑄̇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.5(𝑄̇𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 + 𝑄̇𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 + 𝑄̇𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 ) 𝑄̇𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑄̇𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 + 𝑄̇𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 = (0.68 + 17.55)𝑘𝑊 = 18.23𝑘𝑊 𝑄̇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.68 𝑘𝑊 + 17.55 𝑘𝑊 + 18.23𝑘𝑊 = 36.46 𝑘𝑊

5° Se calcula el flujo másico de aire necesario para el horno deshidratador: 𝑚̇𝑎𝑖𝑟𝑒 =

𝑘𝐽 36.46 ⁄𝑠 ∙ 3600𝑠⁄1 ℎ 𝑄̇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑘𝑔 = = 3724.08 𝑎𝑖𝑟𝑒⁄ℎ 𝑘𝐽 𝐶𝑝 𝑎𝑖𝑟𝑒 (𝑇𝑠𝑒𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 − 𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 ) 1.007 ∙ (55 − 20)°𝐶 𝑘𝑔 °𝐶

Ejemplo 12.3.2. Un alimento que contiene 80% de agua y Cp = 3.8 kJ/kg °C se seca a 86°C hasta que alcanza un contenido de humedad de 10%. Si la temperatura inicial del alimento es 21°C, calcular la cantidad de energía térmica requerida por unidad de peso del material original, para el secado en la ciudad de La Paz. Ignorar las pérdidas. Solución: 1°. Se halla la presión atmosférica de la ciudad de La Paz en función de la altura (3650 m.s.n.m.) 𝑃𝑎𝑡𝑚 = 𝑃𝑜 𝑒

(−ℎ⁄ℎ ) 𝑜

= 101.325 𝑘𝑃𝑎 ∙ 𝑒 (

3.65⁄ ) 7

= 60.15 𝑘𝑃𝑎.

(12.3.3)

434


2°. Con esta presión se busca en tablas la temperatura de saturación 86°C y la entalpía de vaporización 2292.5 kJ/kg 𝑤1 =

0.8 𝑘𝑔𝑎𝑔𝑢𝑎 0.2 𝑘𝑔𝑠𝑒𝑐𝑜

=4=

𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 1 𝑚𝑠

𝑤2 =

0.1 𝑘𝑔𝑎𝑔𝑢𝑎 0.9 𝑘𝑔𝑠𝑒𝑐𝑜

= 0.111 =

𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 2 𝑚𝑠

𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 1 − 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 2 4𝑚𝑠 − 0.1111𝑚𝑠 𝑘𝑔𝑎𝑔𝑢𝑎 = = 0.778 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 4𝑚𝑠 + 𝑚𝑠 𝐾𝑔 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜

Un kg original de alimento húmedo debe perder 0.778 kg de agua. El calor requerido para secar 1 kg de alimento húmedo será: La energía necesaria para llegar a los 86°C más la entalpía de vaporización para evaporar el agua: 𝑄𝑠𝑒𝑐𝑎𝑑𝑜 = 1 𝑘𝑔 𝑎. ℎ.

12.4.

3.8 𝑘𝐽 2292.5 𝑘𝐽 (86 − 21)°𝐶 + 0.778 𝑘𝑔 𝐻2 𝑂 ∙ = 2030.57 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑎. ℎ. °𝐶 𝑘𝑔 𝐻2 𝑂

Hornos Eléctricos y Estufas34

Los hornos industriales de resistencias son aquellos en que la energía requerida para su calentamiento es de tipo eléctrico y procede de la resistencia óhmica directa de las piezas, o de resistencias eléctricas dispuestas en el horno, que se calientan por efecto Joule y ceden calor a la carga por las diversas formas de transmisión de calor (figura 166).

34

http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion1.HornosIndustriales.2006.pdf

435


Fig. 166. Hornos de Resistencias

Si en un conductor circula electricidad, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido al choque que sufren los electrones con las moléculas del conductor por el que circulan elevando la temperatura del mismo; este efecto es conocido como efecto Joule en honor a su descubridor, el físico británico James Prescott Joule. Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la celda o de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su recorrido atravesar la intrincada red de átomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética (velocidad) que es cedida en forma de calor. Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica, depende directamente del 436


cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente: 𝑄 = 𝐼2 ∙ 𝑅 ∙ 𝑡

Donde:

𝑄

(12.4.1)

es la energía calorífica

𝐼 es

la corriente que circula

𝑡 es

el tiempo

𝑅 es

la resistencia eléctrica

Así, la potencia disipada por efecto Joule será: 𝑃 = 𝑅 ∙ 𝐼2 =

Donde:

𝑉2 𝑅

(12.4.2)

𝑉 es la diferencia de potencial entre los extremos de la resistencia.

Para diseñar el Horno Eléctrico se debe calcular la potencia requerida con el mismo procedimiento utilizado para determinar la potencia necesaria para calentar un ambiente (Capítulo 8). También se debe conocer la tensión con que se va a alimentar el horno. Conociendo la potencia deseada (vatios) y el voltaje que está disponible, se puede calcular la corriente y resistencia requerida usando las ecuaciones (12.4.1) y (12.4.2). Mientras el elemento de calefacción coincida con la resistencia calculada, la elección del elemento eléctricamente está bien; sin embargo, la vida útil del elemento será determinado por otras características tales como el medio ambiente, (es decir, temperatura y composición química del aire o medio dentro del horno), y carga de superficie. En muchos casos es posible que no se pueda conseguir la totalidad de las características del 437


calefactor en un rango aceptable, en tal caso se deberá re-calcular la resistencia, posiblemente utilizando un voltaje más bajo o cualquier otro medio para obtener un mejor desempeño de la misma. La fórmula (12.4.2) proporciona un método para determinar la resistencia del elemento de calentamiento. Una vez hallada la resistencia, se debe determinar el grueso y la longitud del elemento. Generalmente, este es un proceso iterativo donde se elige un elemento, se calcula su longitud y finalmente se determina el tamaño físico para conocer si cabe en el espacio disponible. Si es necesario, se aumenta o disminuye el tamaño para alargar o acortar el elemento y se debe comprobar nuevamente si la resistencia cumple con las ecuaciones propuestas. La resistencia por unidad de la longitud de una sección transversal dada se puede calcular o buscar en tablas proporcionadas por los fabricantes de resistencia o bien se la puede calcular conociendo la resistividad del material. 𝑅=

Donde:

𝜌∙𝑙 𝐴

𝜌 es

la resistividad en (Ω m)

𝑙 es

la longitud de la resistencia (m)

𝐴 es

el área de la sección de la resistencia (m2)

(12.4.3)

La limitación operacional fundamental de cualquier elemento de calentamiento eléctrico es la temperatura máxima de superficie (TMS). La temperatura superficial máxima se alcanza ya sea cuando el elemento básico comienza a descomponerse (cambio de fase) o cuando empieza la reacción del material de elemento con la atmósfera del horno que hace que la vida útil del elemento se acorte. En general, las limitaciones de los elementos se dan en términos de la TMS en un ambiente específico. 438


Puesto que un elemento de calentamiento eléctrico transfiere calor por convección y radiación al interior del horno y a la carga, la temperatura de superficie del elemento es siempre mayor que la del horno o proceso de temperatura durante el calentamiento y absorbe porciones de la curva de cocción. Para compensar las pérdidas de calor a otras zonas del horno, es importante que la TMS del elemento para una aplicación específica sea siempre más alta que la temperatura máxima del horno o proceso. La diferencia puede variar desde unos pocos grados a varios cientos de grados, dependiendo de los requisitos de potencia del horno y el diseño o tamaño del elemento. La potencia máxima que puede disponerse en el interior de un horno con resistencias metálicas depende de la temperatura máxima y de la disposición que se adopte para las mismas. La gráfica de la figura 167 muestra dicha potencia máxima para cuatro disposiciones típicas:

Fig. 167. Potencia Específica Máxima en Hornos

439


(a) Alambre arrollado en espiral o pletina ondulada sobre ranuras. (b) Alambre arrollado en espiral sobre tubos cerámicos. (c) Alambre ondulado y dispuesto verticalmente con soportes de gancho. (d) Pletina ondulada y dispuesta verticalmente con soportes de gancho. Si se conoce la potencia del horno, se puede determinar la superficie mínima requerida para instalar las resistencias. Si es posible, se dispondrán únicamente en las paredes laterales del horno, pero si es necesario, se puede ampliar a otras superficies (bóveda, solera, puerta, etc.) hasta conseguir la superficie requerida. Tabla N° 51 Resistividades Eléctricas de Diferentes Aleaciones

440


Fuente: http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion1.HornosIndustriales.2006.pdf

Carga Superficial: La carga superficial es la relación entre la potencia desarrollada por la resistencia en kW y la superficie radiante de esta resistencia en m2. Factor de Resistencia a la Temperatura K: Es un factor que afecta la propiedad de la resistencia en función de la temperatura y está dada por la relación de las resistividades a la temperatura de operación y a la temperatura ambiente: 𝐾=

𝜌2(𝑇°𝐶) 𝜌1(20°𝐶)

(12.4.4)

Ejercicio 12.4.1: En un horno de 220 V se utiliza una resistencia de alambre de 5.5 mm de diámetro y 77 m de largo con una carga específica de 10 kW/m2. Hallar la potencia obtenida y la intensidad de corriente. 441


Solución:

Se parte de la igualdad que 𝑄̇𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑎 = 𝑃𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎

𝑃⁄ = 10 𝑘𝑊⁄ 𝐴 𝑚2

𝑃𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 =

10 𝑘𝑊 𝑚2

∙ 𝜋∅𝐿 =

10𝑘𝑊 𝑚2

∙ 𝜋 ∙ 0.0055𝑚 ∙ 77𝑚 =

13.3𝑘𝑊

𝑃=

𝑉2 𝑅

𝑅=

𝑉2 2202 = = 3.64Ω 𝑃 13304.6

𝑃 13300𝑊 𝐼=√ =√ = 60.5 𝐴 𝑅 3.64Ω

Ejemplo 12.4.2: El horno de la figura requiere una potencia calórica de 200 kW y debe alcanzar una temperatura de 1100°C con una tensión de 380 V. Las dimensiones son 3.2m x 1m x 1m. Hallar las características de la resistencia de alambre o pletina. Solución: 1°. Si la temperatura del horno debe ser de 1100°C, la TMS de la resistencia debe ser mayor, por tanto, se escogerá una resistencia de Fe-Cr-Al que alcanza temperaturas hasta 1400 °C. Se escogerá el tipo 22-6 PM cuya resistividad eléctrica a 20°C es 𝜌1(20°𝐶) = 145 𝜇Ω𝑐𝑚 y coeficiente de resistividad a 1100°C es 𝐾 = 1.04 de tabla N° 49. Re-calculando: Además:

𝜌2(1100°𝐶) = 1.04 ∙ 145𝜇Ω𝑐𝑚 = 150.8𝜇Ω𝑐𝑚 𝐾=

𝑅𝑇°𝐶 𝑅20°𝐶

(12.4.5)

442


2°. Se determina la resistencia a la temperatura dada y la resistencia a temperatura ambiente: 𝑅1100°𝐶 = 𝑉 2 /𝑃 =

𝑅20°𝐶 =

(380 𝑉)2 = 0.722 Ω 200000𝑊

0.722Ω = 0.694Ω 1.04

3° De la gráfica de la figura 167 se halla que la carga superficial para la pletina a 1100°C es 30 kW/m2. Con este dato y la potencia requerida se halla la superficie radiante: 𝑃 𝑘𝑊 = 30 2 𝐴 𝑚

𝐴=

200𝑘𝑊 = 6.67𝑚2 30 𝑘𝑊⁄𝑚2

4° Se escoge un diámetro de alambre estándar de la siguiente tabla: Tabla N° 52 Tabla estandarizada de Calibres de Alambre

Calibre de Alambre SWG

Ø (mm)

4 6 10 12 14 16 18 20 22 24

6.00 5.00 3.00 2.50 2.00 1.50 1.20 1.00 0.80 0.60

443


Tómese el calibre SWG 4, cuyo diámetro es 6 mm, con el cual se calculará la longitud de la resistencia: 𝐴 =𝜋∙∅∙𝐿

𝐿=

𝐴 𝜋∙∅

=

6.67𝑚2 𝜋∙0.006𝑚

= 353.85 𝑚

También se pueden hacer arrollamientos a partir de la siguiente relación:

De la figura del horno en el ejercicio 12.4.2 se observa que éste presenta 4 piezas de resistencia. Si el largo del horno es 3.2 m, se puede asumir que cada pieza puede tener un largo de 8 m, lo cual hace un total de 32 m de arrollamiento. Con este dato se hallará el diámetro del arrollamiento: 𝐷=

𝐿 ∙ 𝑑 ∙ 1000 − 𝜋𝑥𝑑 353.85 ∙ 6 ∙ 1000 − 𝜋 ∙ 32000 ∙ 6 = = 15.12𝑚𝑚 ≈ 16 𝑚𝑚 𝜋𝑥 𝜋 ∙ 32000

444


445


446


ANEXOS

447


448


Anexo 1. Entalpías sustancias inorgánicas a temperatura estándar 25oC. (Continúa)

Sustancia H3PO4(aq) PCl3(l) PCl3(g) PCl5(g) PCl5(s)

Entalpía de formación Energía Libre de formación Entropía ∆Hf0, kJ/mol ∆Gf0, kJ/mol S0, J/(K·mol) -277.4 -1018.7 ---319.7 -272.3 217.18 -287.0 -267.8 311.78 -374.9 -305.0 364.6 -443.5 -----

Potasio K(s) K(g) K+(aq) KOH(s) KOH(aq) KF(s) KCl(s) KBr(s) KI(s) KClO3(s) KClO4(s) K2S(s) K2S(aq)

0 89.24 -252.38 -424.76 -482.37 -567.27 -436.75 -393.80 -327.90 -397.73 -432.75 -380.7 -471.5

0 60.59 -283.27 -379.08 -440.50 -537.75 -409.14 -380.66 -324.89 -296.25 -303.09 -364.0 -480.7

64.18 160.34 102.5 78.9 91.6 66.57 82.59 95.90 106.32 143.1 151.0 105 190.4

0 -910.94

0 -856.64

18.83 41.84

0 105.58 -31.05 -100.37 -15.98 -127.7 -61.58 -61.84 50.38 -124.39

0 77.11 -11.20 -96.90 -26.86 -109.79 -54.12 -66.19 25.52 -33.41

42.55 72.68 121.3 107.1 155.2 96.2 129.3 115.5 184.1 140.92

Silicio Si(s) SiO2(s,α)

Plata Ag(s) Ag+(aq) Ag2O(s) AgBr(s) AgBr(aq) AgCl(s) AgCl(aq) AgI(s) AgI(aq) AgNO3(s)

449


Anexo 1. Entalpías sustancias inorgánicas a temperatura estándar 25oC. (Continuación)

Sustancia

Entalpía de formación Energía Libre de formación Entropía ∆Hf0, kJ/mol ∆Gf0, kJ/mol S0, J/(K·mol)

Sodio Na(s) Na(g) Na+(aq) NaOH(s) NaOH(aq) NaCl(s) NaBr(s) NaI(s)

0 107.32 -240.12 -425.61 -470.11 -411.15 -361.06 -287.78

0 76.76 -261.91 -379.49 -419.15 -384.12 -348.98 -286.06

51.21 153.71 59.0 64.46 48.1 72.13 86.82 98.53

0 0.33 33.1 -296.83 -395.72 -813.99 -909.27 -909.27 -20.63 -39.7 -1209

0 0.1 85.8 -300.19 -371.06 -690.00 -744.53 -744.53 -33.56 -27.83 -1105.3

31.80 32.6 -14.6 248.22 256.76 156.90 20.1 20.1 205.79 121 291.82

0 -2.09 -285.8 -580.7

0 0.13 -256.9 -519.6

51.55 44.14 56.5 52.3

0 -153.89 -348.28

0 -147.06 -318.30

41.63 -112.1 43.64

Sulfuro S (s, rómbico) S (s,monoclinico) S2–(aq) SO2(g) SO3(g) H2SO4(l) H2SO4(aq) SO42–(aq) H2S(g) H2S(aq) SF6(g)

Estaño Sn(s, blanco) Sn(s, gris) SnO(s) SnO2(s)

Zinc Zn(s) Zn2+(aq) ZnO(s)

450


Anexo 2. Datos Termodinámicos a 25ºC para diferentes sustancias orgánicas (continúa)

Sustancia

Entalpía de combustión ∆Hc0, kJ/mol

Entalpía de formación ∆Hc0, kJ/mol

Energía Libre de formación Entropía ∆Gf0, kJ/mol S0, J/(K∙mol)

-890

-74.81

-50.72

186.26

-1300

226.73

209.20

200.94

-1411 -1560

52.26 -84.68

68.15 -32.82

219.56 229.60

-2058

20.42

62.78

266.6

-2091

53.30

104.45

237.4

-2220

-103.85

-23.49

270.2

-2878

-126.15

-17.03

310.1

-3537

-146.44

-8.20

349

-3268 -3302

49.0 ---

124.3 ---

173.3 ---

-3910 -3953

12.0 ---

113.8 ---

221.0 ---

-3920 -3953

-156.4 ---

26.7 ---

204.4 ---

-5471

-249.9

6.4

358

-726 -764

-238.86 -200.66

-166.27 -161.96

126.8 239.81

-1368 -1409

-277.69 -235.10

-174.78 -168.49

160.7 282.70

-3054

-164.6

-50.42

144.0

Hidrocarbonos CH4(g), metano C2H2(g), acetileno C2H4(g), etileno C2H6(g), etano C3H6(g), propileno C3H6(g), ciclopropano C3H8(g), propano C4H10(g), butano C5H12(g), pentano C6H6(l), benzeno C6H6(g) C7H8(l), toluene C7H8(g) C6H12(l), ciclohexano C6H12(g) C8H18(l), octano

Alcoholes, phenols CH3OH(l), metanol CH3OH(g) C2H5OH(l), etanol C2H5OH(g) C6H5OH(s), phenol

451


Anexo 2. Datos Termodinámicos a 25ºC para diferentes sustancias orgánicas (continuación)

Entalpía de Sustancia combustión ∆Hc0, kJ/mol Aldehidos, ketonas HCHO (g), formaldehidos CH3CHO (l), acetaldehidos CH3CHO (g) CH3COCH3 (l), acetona Carboxyliácidos HCOOH (l), formicácidos CH3COOH (l), aceticácidos CH3COOH (aq) (COOH)2 (s), oxalicácidos C6H5COOH (s), benzoicácidos

Azúcares C6H12O6 (s), glucosa C6H12O6 (aq) C6H12O6 (s), fructosa C12H22O11 (s), sucrosa Nitrogenados CO(NH2)2 (s), úrea C6H5NH2 (l), anilina NH2CH2CO OH(s), glicina CH3NH2 (g), metilamina

Entalpía de formación ∆Hc0, kJ/mol

Energía Libre de formación ∆Gf0, kJ/mol

Entropía S0, J/(K∙mol)

-571

-108.57

-102.53

218.77

-1166 -1192

-192.30 -166.19

-128.12 -128.86

160.2 250.3

-1790

-248.1

-155.4

200

-255

-424.72

-361.35

128.95

-875

-484.5

-389.9

159.8

---

-485.76

-396.46

86.6

-254

-827.2

-697.9

120

-3227

-385.1

-245.3

167.6

-2808 ---

-1268 ---

-910 -917

212 ---

-2810

-1266

---

---

-5645

-2222

-1545

360

-632

-333.51

-197.33

104.60

-3395

31.6

149.1

191.3

-969

-532.9

-373.4

103.51

-1085

-22.97

32.16

243.41

452


Anexo A (1 de 3)

453


Anexo A continuación (2 de 3)

454


Anexo A (3 de 3) Continuación

455


Anexo B

456


Anexo N° C

457


Anexo D

458


Anexo E

459


Anexo 8.3.1

460


BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21.

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