CAPITULO N°10
HORNOS
HORNOS INTRODUCION Las aplicaciones aplicaciones comerciales comerciales mas importantes importantes de la transferencia de calor radiante radiante se encuentran en el calculo y diseño de calderas generadoras de vapor y hornos usados en las refinerías de petrleo! La contri"ucin # de varios investigadores a la literatura en pro"lemas de transferencia de calor radiante$ tanto de tipo específico$ como general$ especialmente a%uellas de &! C! &ottel$ han hecho posi"le %ue el diseño de estos hornos se haga a partir de "ases m's fundamentales! (e cuenta ahora con m)todos semitericos para el c'lculo de las secciones radiantes de transferencia de calor! *l propsito de este capítulo es presentar algunos m)todos empíricos y semitericos para el c'lculo de las secciones secc iones radiantes de los hornos$ datos para su uso y e+emplos de su aplicacin! (e indican las limitaciones de estos m)todos y se señala la adapta"ilidad a otro tipo de pro"lemas de transferencia de calor! La ,ig! - muestra una caldera típica de "a+a presin diseñada para generar #.. ... l"/h de vapor a #01 l"/plg#g y 1..2,! 3uesto %ue la temperatura de saturacin a esta presin es 4nicamente de 5.-6,$ se re%uieren 77O, de so"recalentamiento! De"ido a %ue la carga total de so"recalentamiento es solamente alrededor de 18 de la carga total de la caldera$ slo se hace necesario un so"re calentador pe%ueño! *n la caldera mostrada$ el agua se alimenta por gravedad de los tam"ores superiores a los calentadores en el fondo de la pared de agua en los cuatro lados!
,igura -! Caldera de "a+a presin para %uemar car"n pulveri9ado :;adcoc< y =ilco>Company? =ilco>Company?
Hornos para la industria petrolera. *n las operaciones de destilacin atmosf)rica y al vacío de crudos$ @crac
,igura #! &ornotipo ca+a :Lo"o and *vens$ TransactionsBlCh*?
La ,ig! 0 muestra el Horno tipo De Flore %ue tiene seccin transversal circular y emplea tu"os verticales! Todos los tu"os radiantes est'n e%uidistantes de los %uemadores$ asegurando una "uena distri"ucin circunferencial del calor$ pero el flu+o de calor puede variar considera"lemente de la parte inferior de los tu"os a la superior! *ste horno se enciende por la parte inferior y tiene tan poca superficie de conveccin %ue para me+orar la eficiencia t)rmica se emplea pre calentador de aire!
,igura 0! &orno circular De ,lore9! :Lo"o and *vans$ Transactions BICh*?
La ,ig! 5 muestra un Horno tipo !a"a de se!!i#n radiante do$le. Los tu"os de la seccin de conveccin y los de una seccin radiante se emplean para un solo servicio$ mientras %ue la otra seccin radiante se controla independientemente para efectuar otro servicio! La ,ig! 1 muestra un Horno !on $an!o de !on%e!!i#n superior & del tipo de !a"a $ la chimenea est' locali9ada en la parte superior del "anco de conveccin! Una disposicin de este tipo permite ahorros en la o"ra del dueto y chimenea para gases de com"ustin en comparacin con los arreglos de flu+o de @tiro invertido6 %ue tienen los "ancos de conveccin en las ,igs! # y 5!
,igura 5! &orno tipo ca+a de seccin radiante do"le! :Lo"o and *vans$ Transactions BICh*?
,igura1! &orno simple con "anco de conveccin superior! :! =! ellogg Co!?
1. FACTOR'S 'N LA TRANSF'R'NCIA D' CALOR RADIANT' La ecuacin de transferencia de calor puede representarse comoE Q = F A F Aσ ( T-5 − T#5 ) ε
Q = F σ AF ( T-5 − T#5 ) :-.!-?
donde G H flu+o de calor por radiacin solamente hacia A', ;tu/h T- H temperatura de la fuente$ 2R T#H temperatura de la superficie receptora$ 2R F
H factor %ue toma en cuenta la geometría del sistema y las emisividades de cuerpo gris de los cuerpos calientes y fríos$ sin dimensiones AF H superficie efectiva de transferencia de calor del cuerpo receptor o frío$ pies#
.$-K0 × -.−J
σ
H Constante de (tefan;olt9mann$
;tu/:h?:pie#?:2R 5?
Salida de gases Entrada de petróleo
Techo
Superfcie de calentamiento por convección Pared de reractarios del banco de convección Bóveda del horno Pared de reractario
VisorSuperfcie de tubos Salida de petróleo
de calor radiante
Localización Piso Pared divisora de quemadoresdel horno del piso
,igura ! &orno para calentamiento de petrleo con "anco de conveccin superior provisto con secciones radiantes de encendido independiente! :! =! ellogg Co!?
Re!eptor de !alor. *l receptor usual de calor para los hornos industriales se compone de m4ltiples tu"os dispuestos so"re las paredes$ techo y piso del horno o locali9ados centralmente en la c'mara de com"ustin!
&otte ha propuesto un desarrollo racional %ue ahora se usa casi e>clusivamente!
,igura K! *valuacin del factor de efectividad
7.M − A-
.
α A $ directo
=
α directo
α Total
=
=
− A#. − A0.
7.M 7.M − N-
.
α N $ directo
α
α A $ directo
− N#. − N 0. − N 5. 7.M
+ α B $ directo + !!!α N $ directo N
= α directo + α directo :-$ .. − αdirecto ?
a se di+o %ue los elementos del horno se mane+an me+or individualmente y al evaluar la superficie efectiva o @e>puesta6 de las hileras de tu"os$ se hace la suposicin de %ue la fuente de calor es un plano radiante paralelo a la hilera de tu"os!
(ulli)inha presentado un m)todo para evaluar la superficie efectiva de transferencia de calor radiante para varios tipos de tu"os de calderas! 3ara tu"os con escorias de cual%uier tipo$ la superficie efectiva es
( α Acp ) c = Acpα Fc F F e ε
:-.!#? dondeE
Acp
α
y
son como hasta ahora con los suscritos %ue indican la condicin de escoria
F c H factor de conductividad$ adimensional
F e Hfactor de escoria$ adimensional
F
ε
H factor de emisividad$ adimensional Los valores pr'cticos de ,$ son -!.. para tu"os lisos y aleteados$ .!K. para placas de metal ancladas en los tu"os$ y .!00 para "lo%ues de metal anclados en refractarios! *l factor de escoria variar' desde .! a .!7 o -!. para calderas "ien operadas! Cuando los
tu"os est'n limpios$ ,$ es$ por supuesto$ -!.! De una recopilacin de prue"as en calderas$ el factor de escoria parece %ue ordinariamente es .!J a .!7!
Fuente de !alor. *l calor de un horno se provee primariamente por una reaccin de com"ustin y por el calor sensi"le del aire de com"ustin si )ste ha sido precalentado!
,igura J! Radiacin entre un plano y una o m's hileras de tu"os paralelas al plano! :Cortesia de &ottel?
Considere por el momento un horno en el cual se %uema un com"usti"le gaseoso mediante %uemadores %ue producen flamas no luminosas! Las 4nicas fuentes primarias
de radiacin son los productos de com"ustin y )stos se supone %ue tienen temperatura uniforme!
La lon*itud de la tra&e!toria +edia, pies$ es la profundidad promedio de la capa de gases de com"ustin en todas direcciones para cada uno de los puntos de la superficie circundante del horno y se usa en lugar de la medida c4"ica del volumen! 3ara la transferencia de calor a un cuerpo negro$ uno usaría la ecuacinE
TG 5 T b 5 Qb = .$-K0FbA ε G ÷ − aG -..÷ -..
AbF :-.!0?
Qb Hcarga o transferencia de calor al cuerpo negro por radiacin del gas$ ;tu/h
AbF H'rea efectiva de transferencia de calor del cuerpo negro$ pies#
aG Ha"sorsividad del gas a T "$ adimensional
F bA Hfactor para considerar la geometría del sistema con un cuerpo negro receptor$ adimendional T G Htemperatura del gas$ 2R
T b Htemperatura del cuerpo negro$ 2R ε G
Hemisividad del gas a TP$ adimensional ε G
3r'cticamente$ αP puede reempla9arse por evaluada a T "! Cuando est'n presentes dos constituyentes radiantes$ & #O y CO#$ la ecuacin puede escri"irse entonces despreciando el factor de correccin para interferencia entre mol)culas disímiles E 5 TG T G ε c + εW ) Qb = .$-K5F b ( ε c + ε W ) T − ( ÷ ÷ T -.. -.. G
b
5
F
Ab :-.!5?
dondeE
( ε c + εW ) τ G Hemisividad del gas a TP
pCO#
ε c
Hemisividad del CO#
L y TP
p H #O
ε W
Hemisividad del &#. ( ε c + ε W ) T b
L y TP
Hemisividad :sustituida por a"sorsividad?
pCO
ε c
#
H emisividad del CO #
L y T "
p H #O
ε W
H emisividad del &#. L y T " (e notar' %ue adem's del factor de correccin %ue de"ería introducirse para tomar en cuenta la interferenciaQ *g"erts ha encontrado %ue la emisividad del vapor de agua es una funcin de su presin parcial! &otte ha determinado valores de L para hornos de diversas formas geom)tricas$ y la Ta"la - presenta un "os%ue+o 4til de estos valores! TB;LB -! LONPITUD *DIB D* LB TRB*CTORIB RBDIBNT* *N BRIB( ,ORB( D* PB( Relaciones dimensionales Longitud media L$ pies &ornos rectangulares -! ---##! --5 0! -#1 5! -00
a a a a a
# / 0 0 volumen del horno$ pies 0
--0 -#5 --α -#J -α
&ornos Cilíndricos 1! d×d ! d×#d a ;anco de tu"os
-$. × la menor dimensin -$5 × la menor dimensin -$J × la menor dimensin #/0diametro
d×αd
-×diametro ( pies )
= .$ 5!T − .$ 1LK "#
Como en las secciones convencionales $ plg *n el diseño de hornos industriales el t)rmino tasa se usa sinnimamente con el t)rmino flu+o t)rmico de los capítulos anteriores$ y no se consideran coeficientes de película individuales! *s conveniente tener gr'ficas %ue den los valores del flu+o t)rmico por radiacin de calor %c y %S como funciones de p L y T! donde 5
T %c = .$-K0ε c G ÷ a pCO & T -.. 5 T G %$ = .$-K0ε $ ÷ a pH O & T -.. 5 T G %b = .$-K0ε b ÷ & ε b = -!.. -.. #
#
*n el inserto se da la correccin por interferencia en porciento$ y la emisividad corregida es igual a ( %c + %$ ) T − ( %c + %$ ) T -.. − 8 ε G
=
G
( %b ) T − ( %b ) T G
'
'
-..
:-.!1? *n muchos casos simples de transferencia de calor radiante de gases a cuerpos no negros$ no necesitan introducirse complicaciones de factores de 'ngulo y la tasa de transferencia de calor puede calcularse simplemente porE Q -.. − 8 % = = ε ' ( %c + %$ ) T − ( %c + %$ ) T G ' A -.. :-.!?
Super-i!ies en%ol%entes. La funcin %ue +uega la pared de refractario$ "vedas y piso de un horno en la transferencia de calor del gas a la superficie fría$ es a menudo difícil de visuali9ar! La masa del gas radia en todas las direcciones! La emisividad del gas evaluada a partir de p y L$ como ya di+imos$ es direccional en cuanto a %ue denota la radiacin %ue incide en cierto punto de la superficie fría en el envolvente del horno! Toda esta radiacin se dirige desde varias secciones de la masa de gas hacia ese punto en particular! (in em"argo$ varias secciones de la masa del gas tam"i)n radian en otras direcciones! La masa de gas es "astante transparente a la re radiacin :aun m's %ue a la refle>in puesto %ue las características espectrales de la re radiacin dependen de las características de la superficie del refractario?Q por lo %ue el punto de la superficie fría reci"e m's radiacin %ue la %ue sería evaluada a partir de la emisividad del gas! *l refractario se comporta en manera similar a un reflector colocado de una fuente luminosa!
,igura7! Radia!i#n de$ida al $i#ido de !ar$ono. /Cortesia de
Hottel
,igura -.! Radiacion de"ida al vapor de agua :cortesía de &ottel?
La evaluacin cuantitativa rigurosa de los efectos de la superficie del refractario es muy difícil y escapa al rango de practica"ilidad en muchos pro"lemas de ingeniería! &ottel ha desarrollado una ecuacin para el factor de intercam"io totalE -
F
ε
=
( -/ ε F ) + ( -/ ε ' ) − :-.!K? ε '
en la cual
ε F
es la emisividad de la superficie fría$ y
es la emi(ividad efectiva de la
ε G
cavidad del horno :la %ue ser' mayor %ue si cual%uier porcin del envolvente no est' fría?! La emisividad efectiva del horno es una funcin de la emisividad del gas y de la ra9n :y arreglo relativo? del refractario a la superficie fría! *l factor total de intercam"io puede o"tenerse a partir de las emisividades del horno y de la superficie fría usando una ecuacin del tipo (tefan;olt9mann para calcular la transferencia de calor radiante!
TG 5 T ' Q = .$-K0F ÷ − ÷ -.. -..
5
α
Acp
:-.!J? Tericamente$ el valor promedio indicado de TP de"e usarse en esta frmula y el calculo de grandes hornos de"e llevarse a ca"o de seccin en seccin! Realmente$ a menudo$ es satisfactorio considerar la temperatura de los gases %ue salen de la seccin radiante del horno como la temperatura promedio$ siempre y cuando el grado de tur"ulencia de los gases sea alto!
('TODOS D' DIS'O -! )todo de Lo"o y *vans! *ste m)todo hace uso del factor total de intercam"io 7 y una ecuacin del tipo (tefan;olt9mann! Tiene una "uena "ase terica y se usa e>tensamente en el diseño de hornos para refinerías! Tam"i)n se recomienda para calderas %ue %ueman petrleo o gas! La ecuacin dada previamente para la transferencia de calor radiante a la superficie fría fue
TG 5 T ' Q = .$-K0F ÷ − ÷ -.. -..
5
α
Acp
*cuacin :J? Bdem's$ algo de calor se transferir' por conveccin$ y la transferencia total de calor a la superficie fría esE
TG 5 T ' ∑ Q = .$-K0F -..÷ − -.. ÷
5
α cp
Acp
+ hc A ( TG − Ts )
:-.!7?
A
H superficie total del tu"o$ pies #
Acp H superficie e%uivalente del plano frío$ pies#
F
H factor total de intercam"io$ adimensional
hc H coeficiente de conveccin$ ;tu/h? :pie #? :2,? Q
∑
H calor total transferido a la superficie fría$ ;tu/h
T G H temperatura del gas de com"ustin a la salida de la seccin radiante$ 2R
T ' H temperatura de la superficie del tu"o$ 2R
Acp
α
Hfactor por el cual adimensional
de"e reducirse para o"tener la superficie fría real$
hc *l t)rmino de conveccin puede simplificarse suponiendo %ue
H #!. y %ue para este
#α Acp t)rmino slo B es apro>imadamente
! 3uesto %ue se desea dividir todos los
F
t)rminos por $ se usar' un valor de .!1K en su lugar cuando se considera el t)rmino de conveccin! *ntoncesE
∑Q
TG 5 T ' = .$-K0 ÷ − ÷ α AcpF -.. -..
+ K ( TG − T s )
5
:-.!-.? *sta correlacin se muestra gr'ficamente en la ,ig! -7!-5! Bdem's de la ecuacinanterior para el flu+o de calor$ es necesario un "alance t)rmico para la solucin del pro"lema de a"sorcin de calor! *l "alance t)rmico es
Q = Q F
+ QA + Q( + Qs − Q$ − QG :-.!--?
dondeE GHa la carga total en la seccin radiante$ ;tu/h GB H calor sensi"le so"re .2, en el aire de com"ustin$ ;tu/h G, H calor li"erado por el com"usti"le$ ;tu/h:valor mínimo? GP H calor de los gases de com"ustin %ue salen de la seccin radiante$ ;tu/h GR H calor sensi"le so"re .2, en los gases de com"ustin recirculados$ ;tu/h G( H calor sensi"le so"re .2, en el vapor usado para atomi9acin de com"usti"le$ ;tu/h G=H p)rdida de calor a trav)s de las paredes del horno$ ;tu/h :de - a -.8 de G , dependiendo del tamaño temperatura y construccin del horno$ #8 es un "uen factor de diseño? Como una simplificacin posterior G( puede despreciarse$ y el calor neto li"erado es
Q F
+ QA + Q( − Q$ = Qneto :-.!-#?
*l calor perdido en los gases de com"ustin a su temperatura de salida T P es
QG
= W ( - + G F ) Cav ( TG − 1#. )
donde
= H gasto de com"usti"le$ l"/h
(-+ G ) F
H ra9n de gases %ue a"andonan la seccin radiante a com"usti"le %uemado$ l"/l" GF H ra9n de aire a com"usti"le$ l"/l"
C prom
T G H calor específico promedio de los gases de com"ustin entre ;tu/:l"?: 2,?
,igura --! ,lu+o de calor en la seccin radiante
2R y 1#.2R$
,igura -#! ,actor total de intercam"io t)rmico para secciones radiantes!
A (
= AT − α Acp :-.!-0?
A ( Hsuperficie efectiva del refractario$ pies2
AT H 'rea total de las superficies del horno$ pies#
Acp
α
H superficie e%uivalente del plano frío$ pies# 'n la pr'ctica la carga total del horno se calcula como primer paso$ incluyendo el calor sensi"le$ calor de vapori9acin y !ual3uier calor de reaccin! La eficiencia del horno e est' dada porE Q e= ×-.. 8 Q F :-.!-5? inicial del horno :m's un precalentador de aire si se usa?! La cantidad de aire usada en e>ceso depende del tipo de com"usti"le$ tipo de %uemadores$ tiro del horno$ y temperatura del aire de com"ustin! (in em"argo$ en la pr'ctica$ se usan 5.8 de e>ceso de aire al diseñar hornos de tiro natural o inducido$ y #18 de e>ceso de aire en a%uellos de tiro for9ado!
∑
#! )todo de =ilson$ Lu"o y &ottel!6 *ste es un m)todo empírico %ue puede usarse para hornos tipo ca+a alimentados con petrleo o gas de refinería cuando los flu+os de calor se sit4an entre 1 ... y 0. ... ;tu/:h?:pieA? de superficie circunferencial! 0! *cuacin Orro<&udson!6 *sta es una de las primeras ecuaciones empíricas para calcular la a"sorcin de calor en la seccin radiante de una caldera con tu"os de agua! &a sido reempla9ada por e>presiones m's e>actas y es de valor limitado en el diseño! 5! )todo simplificado de =ohlen"erg!6 *ste es un m)todo empírico aun%ue induda"lemente m's confia"le %ue la ecuacin de Orro<&udson para calcular la a"sorcin de calor radiante!
APLICACI4N **3LO-! C'lculo de un horno por el m)todo de Lo"o y *vans! De"e diseñarse un horno para un carga total de 1. ... ... de ;tu/h! La eficiencia total de"e ser K18 :"ase del valor calorífico menor?! (e de"e %uemar petrleo con un valor calorífico mínimo de -K -0. ;tu/l" usando #18 de e>ceso de aire :correspondiendo a -K!55 I" de aire/l" de com"usti"le?$ y el aire se precalienta a 5..2,! *l vapor para atomi9ar el com"usti"le es .!0 l"/l" de com"usti"le! Los tu"os del horno de"en ser de 1 plg! D*$ centrados$ a J8 plg en una sola hilera! La longitud e>puesta de los tu"os de"e ser 0J pies plg! La temperatura promedio del tu"o en la seccin radiante se estima en J..2,! Diseñe la seccin radiante del horno de manera %ue tenga un flu+o promedio de -# ... ;tu/h:pie?! (olucinE Como en todas las soluciones por prue"a y error$ de"e suponerse un punto de partida y luego compro"arse! Con e>periencia$ el valor seleccionado puede estar muy cerca al re%uerido para las condiciones! 3ara propsitos de orientacin$ uno puede estimar el n4mero de tu"os re%ueridos en la seccin radiante suponiendo %ue Q = # × )lu*o promedio = #5 ... Btu α Acp ( h ) ( pie# )
∑Q /
α
Acp F
(i el factor total de intercam"io es .!1K$ H #5 .../.$1K H 5# ...Q de la ,ig! -7!-5 se puede ver %ue con una temperatura de los tu"os de JOO2,$ se re%uerir' una temperatura de - K0.2, en los gases de salida para %ue se efect4e tal flu+o de calor! La carga para enfriar los gases del horno a - K0.2, puede calcularse$ y de esto determinarse el n4mero de tu"os re%ueridos como primera apro>imacin en el diseño! 1.L...7. Q F = = LLLK. ... .$K1 Calor li"erado por el com"usti"le$ ;tu /h LLLK. ... = = 0J7. lb / h -K-0. Cantidad de com"usti"leH
= 0J7. ×- K$ 55 = LK 7.. lb / h Bire re%ueridoH
= 0 J7. × .$ 0 = --K. lb / h
apor de aromati9acinH
Q F = LL LK.... ;tu/h
Q A
= LK7.. × J# Btu / lb
Q' = despreciale ( - --K × .$ 1 × -7.M F ) Btu / h ( sobre L.M F )
= K# #0. ... Btu / h QW = #8 de QF = -00. ... Btu / h Qneto = QF + QA − Q$ = K. 7..... Btu / h Q F
+
QA
Calor en los gases de salida a - K0.2,$ #18 e>ceso de aire$ 5K ;tu/l" de gas$ QG = 5KL ( 0J7. + LK7.. + --K.) = 051..... Q = Qneto − QG
= K.7..... − 051..... = 0L5..... Btu / h ( primera estimacion )
A = 0J$1 pies × π × 1 / -# 'O!5 pies # (uperficie/tu"o$
N t =
0L5..... -#... × 1.$ 5
= L.$-
N4mero estimado de tu"os (uponga . tu"os! *l es%uema de la seccin transversal del horno puede ser como en la ,igura -0!
,igura -0! &orno del e+emplo! *%uivalente de la superficie plana fria BE
= J -#
Distancia centro a centro
plg!
=
Acp
J -# -#
pl+ × 0J$1 = #1$K pies #
por tu"o Total α para una hilera simple$ sostenida por refractarios$ de la ,ig! J! J= # = -$ K 1 Ra9n de centro a centro/D* α Acp # #1$ K × .$ 70K = #1 pies = tubo Acp
α
= L. × #1 = -1.. pies #
(uperficie del refractarioE Ca"e9ales Largueros Toma llamas 3iso y ;veda
A (
= AT − α Acp = -L0J
-1K1 0KK - 1K1 0-0J
#×#.$5×-5$7# -5$7#×0J$1 7$K ×0J$1 #×#.$5×0J$1 BT
A ( Acp
α
=
-L0J -1..
pies# pies# pies# pies# pies#
= -$ .7
Longitud de la trayectoria mediaE
0J$ 1 × #.$ 5L × -5$ 7# = 0 E # E -
Ra9n de dimensiones H = # 0 0 volumen
= # 0 0 0J$1 × #.$5L × -5$7#
= -1 pies
'+isi%idad del *as : B partir del an'lisis del com"usti"le$ cantidad de vapor y de la suposicin de %ue la humedad del aire es de 1.8 a .2,$ las presiones parciales de CO # y &#O en los gases de com"ustin con #18 de e>ceso de aire$ sonE pCO#
= .$-.J5
pH #O
= .$-#5J
pCO# = .$-.J5 ×-1 = -$ L0
pH #O = -$JK
De la ,ig! 7 y -.$ se puede evaluar la emisividad del gas!
( %CO ε G =
#
a pCO + % H O a p H O )
8 correccion a
#
#
#
TG
− ( %CO
a p CO + % H O a p H O )
#
#
( %b ) T − ( %b ) T G
pCO# pCO#
+ pH O
pCO# + p H #O = 0$1L
#
=
.$-.J5 .$#00#
'
= .$ 5L1
#
#
T '
-.. − 8 -..
8 correccion = J8 ( estimado )
( L1.. +-51.. ) − ( L1. +-71. ) -.. − J$. = -.. ÷ 07... − 55.. ε G = .$5J7 ε G
F
,actor total de intercam"io A ( = -$L7 Acp ε G
E
= .$57L
F =,-./
de la figura -#! Compro"acin de la temperatura re%uerida del gas para desarrollar la carga enla superficie supuestaE # α Acp = -1.. pies Q = 0L 5.. ... Btu / h
∑ ∑Q
AcpF
α
supuesto
=
0L5..... -1.. × .$L01
T G
supuesto
= 0J#..
T ' = J..
-LK.M F
re%uerida :a ?H comparado con -K0.2 supuestos :en el ;alance de Calor? *sta prue"a indica %ue se o"tendr' un rendimiento de m's de 0 5.. ... ;tu/h$ ya %ue esta carga enfría los gases a - K0.2,$ mientras %ue el flu+o correspondiente a esta carga podría efectuarse a una temperatura de gas de - K.2,! Realmente estos dos valores est'n muy cercanos$ y no necesita cam"iarse el n4mero de tu"os en el horno$ ya %ue el "alance final de"er' cerrarse alrededor de - K..2, para el horno supuesto! La carga sería de 0K .1.... ;tu/h a esta temperatura de salida$ y F
∑Q
AcpF
α
= 07...
suponiendo %ue no cam"ie :aumentar' poco? $ re%uiriendo un @diferencial6 de temperatura de - 712$ lo %ue es una apro>imacin suficiente! *l flu+o circunferencia- ser'E 0K.1.... × 1.$ 5 = -# #J. Btu / ( h ) ( pie # ) L. $ comparados con el flu+o de -# ... %ue se ha"ía especificado! La diferencia es desprecia"le! *n general$ si la temperatura re%uerida del gas para desarrollar la carga esta"lecida en el "alance de calor es menor %ue la temperatura mostrada en el "alance de calor$ el n4mero supuesto de tu"os es reducido o el flu+o t)rmico ser' mayor %ue el supuesto!
**3LO#!
C'lculo del rendimiento mediante la ecuacin de Orro<&udson! VGu) porcenta+e de aumento de a"sorcin de calor puede esperarse en la seccin radiante de una caldera cuando el gasto en com"usti"le se aumenta 1.8 W *l cociente inicial de a"sorcin a li"eracin es .!0J$ y el e>ceso de aire se espera %ue aumente de #1 a 5.8 a resultas del aumento en la cantidad del com"usti"le %uemado! (olucinE
Q F # Q F -
C ( #
= -$ 1.
C (G#F
=
G-F
-5. -#1
Q#
Q-
De"e determinarse Q-
Q F -
=
-+ G
F
-+ G
F
(-+ G
C ( F
C (
#K
#K
C (
#K
) ( .$ 0J) = F
C ( -
#K
C (-
G-F
#K
C (-
G-F
=
-5. -#1
#K
C (-
F
.$ 0J G-
C ( # #K
= .$0J
= .$0J
.$ 0J + .$ 0JG-
G#F
E
#K
G-F
== - − .$ 0J = =
- − .$ 0J .$ 0J .$L# .$ 0J
-$ 1C (#K
= -$-# × -$ ##0G
F -
C (#K = -$0K × -$L0
= -$0KG
F -
= #$#0
= -$L0
C (#K
= -$ 1
Q#
=
Q F # = .$0-Q F # - + #$ #0
Q# Q-
=
.$ 0-Q F # .$ 0JQ F -
=
.$ 0- × -$ 1QF .$ 0JQF -
= -$##
*ntonces la a"sorcin de radiacin se aumentar' 4nicamente ##8 para un aumento de 1.8 en el calor li"erado! *n tal caso$ de"en investigarse los efectos de la mayor temperatura de los gases de salida so"re el calentador de tu"os0
**3LO 0! C'lculo del coeficiente de radiacin e%uivalente! *n la seccin de conveccin de un J -#
horno de refinería$ Los tu"os son de 1 plg D* centrados a plg$ espaciados en arreglo triangular e%uil'tero! Los gases de com"ustin en la hilera de tu"os "a+o consideracin est'n a - 1..2,Q la temperatura del tu"o es de 1.2,! Los gases de com"ustin contienen -.!J58 CO # y -#!5J8 & #O por volumen! Calc4lese la transferencia de calor radiante entre el gas y los tu"os en t)rminos de un coeficiente %ue pueda añadirse al coeficiente de transferencia de calor por conveccin! (olucinE ε '
= .$7.
( supuesto )
= .$ 5 ( centro a centro )
− .$ 1LK ( "# ) ( de K en la tabla -)
= .$ 5 ( J$ 1 ) − .$ 1LK ( 1 ) = 0$ 5.. − #$001 = .$1L1 pies p H O = .$-#5J × .$1L1 = .$ .K.5 atm − pies #
pCO = .$-.J5 × .$1L1 = .$.L-- atm − pies #
% H#O a T G %CO# a T a
= -.1. = -K..
% H #O a T ' = -L1
#K1.
0#1
%CO# a T '
= -L.
Q (C A
= .$7 ( #K1. − 0#1)
pCO
#
pCO
#
+ pH O #
=
.$-.J5 .$-.J5 + .$-#5J
= .$5L1
pCO + pH O = .$-0-1 #
#
8correccinH#8 Q (C A
= .$7 × #5#1 × .$7J = #-5.
*l coeficiente e%uivalente de radiacin es$ entonces$ Q (C h= TG − T ' h=
#-5. -1.. − L1.
= #$ 1- Btu / ( h ) ( pies # ) ( M F )
el cual es una parte muy aprecia"le del coeficiente total! 3ara corregir el coeficiente total h$ X h$ por radiacin de las paredes del "anco de conveccin$ se recomienda el uso del m)todo de onrad ya mencionado!
