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CALDERAS, ECONOMIZADORES Y CALENTADORES DE AIRE[footnoteRef:2] [2: Este resumen corresponde a la versin anterior del libro (Impreso en La Habana, Cuba).]

RESUMEN

EconomizadoresTipos y Desarrollo

En una unidad de generacin de calor, el economizador absorbe el calor del flujo de gas y adiciona calor sensible al agua de alimentacin antes de que el agua entre a la caldera. De esta manera los gases son enfriados y mejora la economa.

La superficie del economizador puede ser justificada solo donde puede absorber calor a bajos costos en comparacin con otros tipos de superficies. La temperatura del agua de alimentacin entrando al economizador es siempre ms baja que la temperatura de saturacin en la caldera. La temperatura de la superficie del economizador es ms baja que la temperatura de la superficie de la caldera, el calor remanente en los gases puede ser absorbido a grandes velocidades y los gases pueden enfriarse a temperaturas ms bajas a la salida de un economizador que si los gases continan a travs de una superficie adicional de la caldera. Por lo tanto, en una unidad de generacin de vapor. Hay usualmente un nivel de la temperatura del gas al cual es econmico para parar la absorcin de calor a travs de superficies a la temperatura de saturacin de la superficie y comienza la absorcin de calor en un economizador.

Donde no se utilizan los precalentadores de aire, la temperatura del gas del economizador se prepara para hacer un balance econmico entre el costo de la superficie del economizador y el ahorro en el costo del combustible. Donde los precalentadores de aire son utilizados la temperatura del gas llevado al economizador se determina por los requerimientos de la temperatura del gas que entra al precalentador de aire, el cual puede ser suficiente para calentar el aire lo necesario para secar el combustible o para mejorar el rendimiento de la combustin.

La superficie suficiente es instalada en el economizador para absorber suficiente calor econmicamente que lleva a las temperaturas deseadas de los gases de salida. La cantidad de superficie puede variar con la temperatura del agua de alimentacin. El agua de alimentacin puede ser desairada, con un desaerador por encima de 212 F para minimizar fugas de aire en el sistema.

CLCULOS

La evaluacin del rendimiento de una caldera para un conjunto de condiciones dadas es complicada. Uno de los principales problemas en el diseo de una caldera es alcanzar una interrelacin entre los tres factores principales: Temperatura del gas. Superficie. Prdidas.

La superficie puede disponerse en una variedad infinita de arreglos, cada una afecta el valor de las temperaturas y las prdidas, no slo utilizando ecuaciones combinando las tres que han sido desarrolladas. Una aproximacin prctica, basada en muchas mediciones es necesario un buen establecimiento y uso de los arreglos de superficies bajo ciertas condiciones.

As, en la superficie de conveccin de una caldera los tubos se disponen en bancos para la porcin de la caldera, el recalentador, el economizador, y el calentador de aire tubular. Una gama bastante estrecha de dimetros de tubo tiene que establecerse como una buen prctica para estos componentes.

Sin embargo, incluso dentro de lmites finitos de la variedad de arreglos de superficie se acepta como una buena prctica, hay aun muchas posibles permutaciones y combinaciones que permiten el uso de superficies en una frmula completa. El problema debe ser aproximada en dos pasos:1. Para establecer cierto flujo msico de gases, por ensayo y error computacional, la verdadera relacin de superficie y temperatura de gota y aumento de temperatura deseado.2. Establecer las prdidas (presin de la gota) requerida para este flujo msico de gas sobre esta superficie.

La relacin de la temperatura de gas del fluido caliente (HF, hotter fluid), aumento de temperatura del fluido fro (CF, colder fluid), y superficie (S) estn dados en la ecuacin general:

Donde: Coeficiente global de transferencia de calor,

Superficie Total, Diferencia entre las temperaturas del fluido caliente y el fluido frio, Peso del fluido caliente, Temperatura del fluido caliente (HF) entrando al tubo del banco, Temperatura del fluido caliente (HF) saliendo del tubo del banco, Capacidad calorfica del fluido caliente, Peso del fluido fro, Temperatura del fluido fro (CF) entrando al tubo del banco, Temperatura del fluido fro (CF) entrando al tubo del banco, Capacidad calorfica del fluido fro,

Para calderas, economizadores, recalentadores, y calentadores de aire tubulares el fluido caliente es gas y el fluido frio es, respectivamente, mezcla saturada de vapor-agua a temperatura constante, agua al aumento de la temperatura, vapor al aumento de la temperatura, y aire al aumento de la temperatura. La ecuacin (1) puede por lo tanto expresarse como:

Para Superficie de la Caldera

Donde:Coeficiente global de transferencia de calor combinado Coeficiente global de transferencia de calor por radiacin, Coeficiente global de transferencia de calor por conveccin, Superficie total, Diferencia entre las temperaturas del fluido caliente y el fluido frio, Caso I: FLUIDO FRIO EBULLICIN

Temperatura del gas a la entrada del tubo del banco, Temperatura del gas a la salidada del tubo del banco, Temperatura de saturacin del agua de la caldera, Peso del gas, Capacidad calorfica del gas, Diferencia de temperatura del gas de entrada y de salida,

Para Superficie del Economizador

Donde:Coeficiente global de transferencia de calor combinado Coeficiente global de transferencia de calor por radiacin, Coeficiente global de transferencia de calor por conveccin, Superficie total, Peso del gas, Capacidad calorfica del gas, Diferencia de temperatura del gas de entrada y de salida, Diferencia entre las temperaturas del gas y el agua, Caso II: FLUIDO CALIENTE Y FLUIDO FRIO EN FLUJO PARELELOSTEAM its generation and useThe Babcock & Wilcox Company

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Caso III: FLUIDO CALIENTE Y FLUIDO FRIO EN FLUJO A CONTRACORRIENTE

Temperatura del gas a la entrada del tubo del banco, Temperatura del gas a la salida del tubo del banco, Temperatura de entrada del agua de alimentacin, Temperatura de salida del agua de alimentacin,

Balance de Energa para el Economizador

Donde: Peso del gas, Capacidad calorfica del gas, Diferencia de temperatura del gas de entrada y de salida, Peso del agua de alimentacin entrando al economizador, Capacidad calorfica del agua de alimentacin al economizador, Aumento de temperatura a travs del economizador,

Para Superficie del Recalentador

Donde: Superficie total, Peso del gas, Capacidad calorfica del gas, Diferencia de temperatura del gas de entrada y de salida, Diferencia entre las temperaturas del gas y el agua, Coeficiente global de transferencia de calor Coeficiente global de transferencia de calor por radiacin, Coeficiente global de transferencia de calor por conveccin, Coeficiente global de transferencia de la pelcula de vapor, Diferencia entre las temperaturas del gas y el agua, Caso II: FLUIDO CALIENTE Y FLUIDO FRIO EN FLUJO PARELELOSTEAM its generation and useThe Babcock & Wilcox Company

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Caso III: FLUIDO CALIENTE Y FLUIDO FRIO EN FLUJO A CONTRACORRIENTE

Temperatura del gas a la entrada del tubo del banco, Temperatura del gas a la salida del tubo del banco, Temperatura del vapor entrando al recalentador, Temperatura del vapor saliendo del recalentador,

Balance de Energa para el Recalentador

Donde: Peso del gas, Capacidad calorfica del gas, Diferencia de temperatura del gas de entrada y de salida, Peso del vapor a travs del recalentador, Capacidad calorfica del vapor a travs del recalentador, Aumento de temperatura del vapor a travs del recalentador,

La superficie de un recalentador, determinada de arriba, se reducir algo cuando se considera que se toma del calor radiante de la masa del gas acercndose a travs de una cavidad o del horno, donde el banco puede ver el gas. Porque la temperatura relativamente baja involucrado sin tener en cuenta la radiacin trasera del banco de la masa de gas saliente.

Para Superficie del Calentador de Aire

Donde: Superficie total, Peso del gas, Capacidad calorfica del gas, Diferencia de temperatura del gas de entrada y de salida, Diferencia entre las temperaturas del gas y el agua, Coeficiente global de transferencia de calor Coeficiente de transferencia radiacin (agua en tubos), Coeficiente de transferencia por conveccin (pelcula gas), Coeficiente de transferencia por conveccin (pelcula aire), Diferencia entre las temperaturas del gas y el aire, Caso II: FLUIDO CALIENTE Y FLUIDO FRIO EN FLUJO PARELELOSTEAM its generation and useThe Babcock & Wilcox Company

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Caso III: FLUIDO CALIENTE Y FLUIDO FRIO EN FLUJO A CONTRACORRIENTE

Temperatura del gas a la entrada del tubo del banco, Temperatura del gas a la salida del tubo del banco, Temperatura del aire entrando al calentador de aire, Temperatura del aire saliendo del calentador de aire,

Balance de Energa para el Calentador de Aire

Donde: Peso del gas, Capacidad calorfica del gas, Diferencia de temperatura del gas de entrada y de salida, Peso del aire a travs del calentador de aire, Capacidad calorfica del aire a travs del calentador de aire, Aumento de temperatura del aire a travs del calentador de aire,

Flujo Msico Establecido para una Buena Prctica

De muchas experiencias se conoce que para un conjunto de condiciones, tales como combustible (cantidad a quemar y caractersticas) y las prdidas totales admisibles, las superficies (caldera, recalentador, economizador o calentador de aire) se arreglan como tubos de un dimetro apropiado dispuestos en un banco y espaciados (en ambas direcciones) dentro de una gama bastante limitada. La longitud del tubo es generalmente determinada por la localizacin del tambor o calentador. En problemas de trasferencia de calor y de flujo de fluidos es esencial conocer los lmites establecidos para una buena prctica del flujo msico. Con el dimetro del tubo, el espacio y la longitud establecidos, el ancho del banco se basa en una aceptable velocidad o flujo msico del fluido (gas, aire, agua) entrando, en el cual el rea de flujo libre es un facto, dado que:Flujo msico del fluido circulandoDonde: Peso del fluido circulando ( para gas) rea libre de flujo, ( para gas)

El fondo del banco o el nmero de filas se limita frecuentemente por la circunferencia utilizable de los tambores o calentadores a los cuales se conectan los tubos. Otras consideraciones, tal como las mximas distancias para una limpieza efectiva para sopladores de holln, algunas veces limita la profundidad del banco. En cualquier caso, ya que es necesario comenzar con un arreglo e tubo, la experiencia permitir una seleccin tentativa del peso y la altura de la superficie receptora y el dimetro del tubo de este banco para un flujo msico dado de los gases a la entrada. Teniendo esto seleccionar un arreglo especfico de superficie es posible calculando la cantidad total de superficie requerida para la cada de temperatura deseado para el uso de la ecuacin general (2).

Superficie y Cada de la Temperatura del GasComo un ejemplo de una manipulacin de la ecuacin (2) para la relacin de la cada de las temperaturas del gas y superficie, un caso simple de superficie de caldera utilizada para enfriar los gases de combustin. La ecuacin (2) puede reescribirse:

Superficie total, , en el banco, a ser determinadas.Profundidad del banco, nmero de columnasa ser determinadas.Determinar la superficie total, , requiere enfriar los gases a la temperatura deseada, como se nota arriba, es necesario establecer determinadas condiciones, la experiencia ha mostrado ser bastante aplicable al caso seleccionado. Para este ejemplo las condiciones conocidas y asumidas son: Gas natural, . gas de combustin (del combustible quemado con 115% de aire total, humedad en el combustible gaseoso 11%) (Cada de temperatura deseada) Temperatura del gas entrando al banco Temperatura del gas saliendo del banco Temperatura de saturacin del agua de la caldera a Diferencia ente la temperatura de saturacin y el gas.Tubos y arreglos en el banco: OD, en lnea.Longitud Arreglo en el banco de ancho (incluye carriles laterales)Promedio de lados de espaciamiento Promedio de lados posteriores Nmero de pasos en lnea Suma de los dimetros del tubo rea del gas de flujo libre a travs del banco, (establecido de arriba)

Clculos para determinar en la ecuacin (6)

Superficie de una fila de tubos

(Para 11% de humedad)

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacin (6)

De los valores calculados de la superficie, , es evidente que para las condiciones asumidas del ejemplo, 11 lneas de tubos sern requeridas en el bango para tener la cada de temperatura deseada.

Para tubos del banco poco profundos de 2,4 y 6 filas (con tubos en lnea) los valores de pueden disminuir a 25, 10 y 5%, respectivamente. Ninguna disminucin en se requiere para el tubo del banco de 10 filas o ms. Cuando un banco poco profundo se indica por el valor inicial calculado de , el valor de puede ser ajustado apropiadamente y el nuevo valor resultante de puede ser utilizado en un nuevo clculo de la superficie.

Cmo una ilustracin simple del mtodo utilizado en la superficie establecida para una cada de temperatura deseada, las condiciones asumidas en el ejemplo de arriba fueron: flujo cruzado del gas, tubos en lnea, y gas natural como combustible. Sin embargo, el flujo de gas puede ser longitudinal o parcialmente longitudinal y parcialmente flujo cruzado, y los tubos pueden ser arreglados en un patrn escalonado. El valor de la conductancia combinada , puede ser afectado si otro combustible es utilizado. El efecto en la conductancia de algunos combustibles que general cenizas son en gran parte una materia del diseador. El valor de puede incrementar por mucho un 20% para partes de la superficie que absorben calor.

Determinacin de las Prdidas de Corriente

Una aproximacin a las prdidas de corriente para gases en flujo cruzado a travs del banco de tubos en lnea a nivel del mar, y donde no hay efecto chimenea, puede determinarse de la siguiente ecuacin, parcialmente emprica:

Donde: Corriente diferencial (prdida de corriente), Factor de friccin de la Fig. 32 establecido con el nmero de Reynolds, dimetro del tubo y espacio. Nmero de filas profundas de tubos en el banco. Temperatura del gas entando, Temperatura del gas saliendo, Promedio aproximado de la temperatura del gas, Flujo msico

Para cada elevacin de arriba del nivel, el valor de puede disminuir un 4%. Para tubos de banco poco profundos de 2, 4 y 6 lneas (con tubos en lnea) el valor de podra disminuir alrededor de 12, 3 y 1% respectivamente. Ningn incremento en se requiere para tubos del bando de 10 lneas o ms.

Con flujo de gas vertical (flujo cruzado) el valor de incrementar por el efecto chimenea cuando la salida est debajo de la entrada, y disminuye cuando la salida est por encima de la entrada. Sin embargo, en los tubos del banco de una caldera usual, el efecto total es pequeo, en el orden de a de la altura del tubo del banco.

Para un ejemplo simple de un banco de tubos de una caldera y las condiciones anotadas arriba en el establecimiento de la superficie para la cada de presin, las prdidas de corriente pueden ser determinadas sustituyendo los valores conocidos en la ecuacin 7

SUPERFICIE DEL ECONOMIZADOR

La superficie de un economizador no-vapor para:(a) Temperatura de gas deseada, (b) Aumento deseado de temperatura en el agua, .

Tambin pueden ser determinadas de la ecuacin (2) con , sin embargo, utilizar las frmulas en el Caso II o en el Caso III depende del tipo de arreglo, ya sea en paralelo o en contracorriente. Una determinacin general de la superficie del economizador, sin un ejemplo especfico, puede derivarse de las ecuaciones (2) y (3).

Para la condicin (a), puede ser determinada despus de establecer el valor de para resolver la ecuacin (3) para , ya que . Conociendo el valor de todas las condiciones involucradas, puede entonces establecerse.

Para la condicin (b), puede establecerse de la ecuacin (3), tal que, , la temperatura del gas a la salida es determinada. Los verdaderos valores de y se determinan por ensayos sucesivos hasta que la ecuacin (3) este balanceada. Conociendo el valor de todas las temperaturas involucradas, puede ser establecida.

Despus el dimetro del tubo, arreglo de la superficie, y dimensiones apropiadas del banco para el economizador, prcticamente tienen que ser establecido tentativamente, y conociendo , las superficie de calefaccin , puede ser determinada de la ecuacin (2) para cada una de las dos condiciones (a) o (b) mediante el establecimiento de los valores de y de . Para la condicin (b) el valor de derivada de la Fig. 24 para el combustible especfico y asumiendo el contenido de humedad para estabilizar las temperaturas de entrada y salida del gas.

Las prdidas de corriente a travs de un economizador se calculan de la ecuacin (7) como en el caso del ejemplo de la superficie de la caldera. La cada en la presin del agua de alimentacin a travs de un economizador puede ser calculada de la misma manera (donde el agua es el fluido) que para la cada de presin del vapor a travs del recalentador (ver abajo).

SUPERFICIE DEL RECALENTADOR

En la relacin de la superficie del recalentador, aumento en la temperatura del vapor y cada en la temperatura del gas la conductancia combinada, , en la ecuacin (2) se modifica por la introduccin de un valor para la conductancia de la pelcula de vapor.

La superficie total para un recalentador, la ecuacin (2) puede ser expresada como:

Donde:

Conductancia de la pelcula de vapor, Coeficiente global de transferencia de calor por radiacin, Coeficiente global de transferencia de calor por conveccin, Superficie total, Peso del gas, Capacidad calorfica del gas, Diferencia de temperatura del gas de entrada y de salida, Diferencia entre las temperaturas del gas y el agua, Diferencia entre las temperaturas del gas y el agua, Caso II: FLUIDO CALIENTE Y FLUIDO FRIO EN FLUJO PARELELOSTEAM its generation and useThe Babcock & Wilcox Company

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Caso III: FLUIDO CALIENTE Y FLUIDO FRIO EN FLUJO A CONTRACORRIENTE

Temperatura del gas a la entrada del tubo del banco, Temperatura del gas a la salida del tubo del banco, Temperatura del vapor entrando al recalentador, Temperatura del vapor saliendo del recalentador,

Como se nota arriba y se repite por conveniencia, la ecuacin de balance de calor para un recalentador se puede expresar como:

Donde: Peso del gas, Capacidad calorfica del gas, Diferencia de temperatura del gas de entrada y de salida, Peso del vapor a travs del recalentador, Capacidad calorfica del vapor, Temperatura del vapor entrando al recalentador, Temperatura del vapor saliendo del recalentador, Aumento de temperatura del vapor a travs del recalentador,

Para un aumento en la temperatura del vapor, , es posible, despus de encontrar el valor de , y , y el valor de de la ecuacin (4) para determinar la superficie, , de la ecuacin (8) con establecida de la frmula en el Caso II o Caso III, depende si el arreglo es para flujo paralelo o en contracorriente.

La superficie calculada puede reducirse algunas veces (como se muestra a continuacin) cuando se tiene en cuenta la radiacin de la cavidad de la masa del gas aproximndose al banco.

Cmo un ejemplo de la manipulacin de las ecuaciones (8) y (4) para la relacin del aumento de la temperatura del vapor y la superficie en el recalentador, sin considerar por el momento el calor radiante prximo al gas, las siguientes condiciones son seleccionadas:Un recalentador de conveccin del tipo desage, tubo horizontal continuo, en lnea, con flujo de gas hacia arriba a travs del banco y el vapor en flujo a contracorriente. gas de combustinCombustible Gas natural., cada de la temperatura, Temperatura del gas entrando al recalentador Temperatura del gas saliendo del recalentador (no conocida) de vapor a la temperatura de saturacin el recalentador.Temperatura del vapor entrando a la presin de saturacin de Temperatura del de salida del vapor deseada Temperatura promedio del vaporAumento de la temp del vapor a travs del recalentador Diferencia de temp del gas y el vapor,

Tubera y arreglo en el banco OD, en lnea () ID (para que el espesor de la pared permita doblar en de radio) ()Longitud en cada recorrido horizontal ( abarca entre soportes)Dispuestos en establecimiento de de anchoPromedio de lados de espaciamiento Promedio de lados posteriores Nmero de pasos en lnea Suma de los dimetros del tubo rea del flujo libre del gas a travs del banco del tubo, rea del flujo libre del vapor a travs del banco del tubo, Clculos para determinar la superficie, , de la ecuacin (8)

La ecuacin (4) se utiliza para determinar para encontrar el valor de . El valor de , el calo especfico principal del vapor a travs del recalentador es 0.57 (de la Fig. 6 Capitulo 7). Un valor de prueba de puede ser utilizada, y despus, por pruebas sucesivas hasta que la ecuacin (44) est balanceada y los verdaderos valores de y pueda ser determinada.

Sustituyendo valores en la ecuacin (4)(Valores de Prueba)

Tal que,(Valores de Prueba)

Entonces(Caso III)

En la ecuacin (8), . Los valores de y se obtienen como se explica anteriormente para la superficie de la caldera bajo Valores de Derivacin y entrando a la Fig. 25 con y .

Para este ejemplo de recalentador:

Una ecuacin emprica para establecer , la conductancia de la pelcula del vapor, puede expresarse como:

Donde todos los valores ya han sido establecidos, excepto: Viscosidad absoluta del vapor, . Para este ejemplo

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