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Análisis de Mecanismos de transferencia de calor en los diagramas Ronmel Dionel Ortiz Coila D.Sc. Higinio Alberto Zuñiga Sanchez Transferencia de Calor 171168 Séptimo UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTILPLANO – FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 2 DIAGRAMA DE FLUJO de generador de vapor tipo serpentín continuo Después del economizador el agua llega al Domo superior, desde allí mediante los tubos de agua accede al domo inferior, donde entra en contacto con la zona de calor. El propósito de este arreglo consiste reducir el volumen de agua y aumentar la superficie que está en contacto con la fuente de calor obteniendo así una trasferencia de calor rápido. El agua de alimentación es presurizada por la bomba de alimentación la cual pasa a través de un acumulador y de un medidor de flujo antes de llegar al generador de vapor. El agua destilada pasa a través de los serpentines del generador de vapor donde a cabo la trasferencia de calor por convección Al salir el vapor del generador circula por la tubería principal que lo transporta hasta llegar a la válvula de aislamiento bloqueable que es una conexión a otras unidades y la válvula de derivación que permite el ingreso de vapor al condensador para tener un ciclo cerrado. En el condensador también hay una trasferencia de calor por convección para condensar el vapor, y de aquí inicia el proceso para generar vapor UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTILPLANO – FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 3 DIAGRAMA DE FLUJO del subsistema de generación de vapor UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTILPLANO – FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 4 Este subsistema constituye el elemento clave para la obtención de una elevada eficiencia energética del generador de vapor (GV). Una mejora en este subsistema presenta una repercusión más significativa sobre la eficiencia de la caldera que en el resto de los subsistemas, lográndose una mejor relación costo- eficiencia. Este subsistema se desarrolla sobre la base de los siguientes aspectos: 1. La operación del quemador en régimen casi continuo. 2. Ajuste constante de la relación aire-combustible. Las principales variables que se controlan en este subsistema son: Presión en el cuerpo del generador de vapor. Flujo de combustible a la entrada del generador de vapor. Nivel en el cuerpo del generador de vapor. Opacidad y temperatura de los gases de escape. Este subsistema está conformado por los siguientes elementos: Quemador con sus diferentes accesorios (bomba de segundo impulso (BSI), regulador de presión, calentador de combustible del quemador (CQ), ventilador de tiro forzado (VTF), clapetas, válvula, etcétera). Sensor-transmisor de presión (PT), ubicado en el cuerpo del generador de vapor. Sensor-transmisor de temperatura (TT), situado en la chimenea (permite medir la temperatura de los gases de escape). Sensor-transmisor de flujo de vapor (FT), situado en la línea de salida del vapor (con el objetivo de conocer el flujo real de vapor que produce la caldera). Sensor-transmisor de presión diferencial (PDT), ubicado en la línea de UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTILPLANO – FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 5 alimentación del combustible (con la finalidad de medir el flujo de combustible que llega al quemador). Sensor-transmisor de opacidad (tonalidad) de los gases producto de la combustión (OT). Sensor de nivel de cuatro posiciones (Mobrey), situado en el cuerpo del generador de vapor (LTC). Elementos que apoyan el funcionamiento del quemador (termostato, presostatos (PS), etcétera). Mecanismos de transferencia de calor en las calderas: De acuerdo con Cengel (2007) el calor es “una forma de energía que se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura”, este a su vez tiene tres mecanismos de transferencia que son la conducción, la convección y la radicación. a) Conducción: Es la transferencia de energía desde un punto de un material hacia otro del mismo o un material contiguo donde las partículas más energéticas de una sustancia hacia las menos energéticas. Este mecanismo de transferencia de calor se describe por medio de la ley de Fourier de la conducción de calor, expresada matemáticamente como: Donde la k es la conductividad térmica (es una medida de la capacidad de un material para conducir calor), A es el área de transferencia de calor, dT/dx es el UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTILPLANO – FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 6 gradiente de temperatura respecto al eje x y el signo negativo asegura que la cantidad de transferencia de calor sea positiva en la dirección x. En una caldera la conducción ocurre en el interior de la caldera debido a la resistencia que se produce entre las paredes de la caldera y el haz de tubos. b) Convección: Es la transferencia de energía entre una superficie sólida y un fluido gaseoso o líquido, es causada por el movimiento o agitación del fluido, que fuerza a las partículas calientes a remplazar continuamente a las enfriadas al contacto con la superficie fría (absorbe el calor). La convección puede ser de dos tipos, natural la cual es causada debido a las diferencias de densidad, que provienen del diferencial de temperatura, o forzada que es causada por medio de fuerzas mecánicas que obligan el movimiento del fluido. Este mecanismo se expresa matemáticamente por la ley de Newton del enfriamiento: Donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección, As es el área superficial donde tiene lugar la transferencia de calor por convección, Ts es la temperatura de la superficie y 𝑇∞ es la temperatura del fluido suficientemente alejado de la superficie. En una caldera la convección se lleva a cabo en la zona de convección, compuesta por deflectores (véase ilustración 3), así como por los gases de combustión hacia el agua alrededor del haz de tubos. c) Radiación: Es la transferencia directa de calor en forma de energía radiante, este tipo de energía es emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas o UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTILPLANO – FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 7 fotones, procedente de la incandescencia del combustible o de las flamas luminosas y de los refractarios, a los tubos o al cuerpo de la caldera. Se expresa matemáticamente mediante la ley de Stefan-Boltzmann como: Donde σ es la constante de Stefan-Boltzmann la cual es igual a 5.67×108 W/m2·K4, As es la superficie donde se lleva a cabo la radiación y Ts es la temperatura de la superficie. La superficie idealizada que emite radiación a esta razón máxima se llama cuerpo negro y la radiación emitida por éste es la radiación del cuerpo negro. La radiación emitida por todas las superficies reales es menor que la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura y se expresa como: Donde ε es la emisividad de la superficie que va desde 0 hasta 1. En una caldera la radiación se lleva a cabo dentro del hogar (cámara de combustión) el cual se comporta como un cuerpo negro debido al hollín que se va a acumulando en sus paredes.
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