Mecanismos de Transferência de Calor em Caldeiras

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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 
 
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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 
 
 
 
 
 
 
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DIAGRAMA DE FLUJO del subsistema de generación de vapor 
 
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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 
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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 
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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 
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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.