Hornos Metalurgicos Transferencia de Calor 5 de Mayo

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” “Facultad de Ingeniería Quíica !

"etalurgia” Escuela Académico Profesional de Ingeniería Metalúrgica

MONOGRAFIA “Transferencia de calor !orno de Tratamiento térmico en lec"o #uidi$ado #u idi$ado%% PRE&ENTA'O POR

WILDER RONALD, BRONCANO OBREGÓN A&E&OR

Ing. LUIS ERNESTO LUNA QUITO !uac"o( ma)o *+,PER.

/ni0ersidad Nacional 1osé Faustino &2nc"e$ 3arri4n

TRAN&FEREN3IA TRAN&FEREN3IA 'E 'E 3A5OR 3A5OR EN !ORNO PARA PARA TRA TRATAMIENTO TERMI3O TERMI3O EN 5E3!O 5E3!O F5/I'I6A'O

DEDICATORIA A Dios, quien está presente en mi camino, tomándolo en cuenta en cada paso que doy; quien me guía, protege y ayuda siempre a no aportarme de la verdad.

*



7


TRAN&FEREN3IA TRAN&FEREN3IA 'E 'E 3A5OR 3A5OR EN !ORNO PARA PARA TRA TRATAMIENTO TERMI3O TERMI3O EN 5E3!O 5E3!O F5/I'I6A'O AGRADECIMIENTO Son muchas las personas que han ha n formado parte de mi vida profesional p rofesional a las que les encantaría agradecerles su amistad, consejos, apoyo, ánimo y compañía en los momentos más difíciles d ifíciles de mi vida. Algunas están aquí conmigo y otras en mis recuerdos y en mi cora!n, cora!n , sin importar en donde est"n quiero darles las gracias por formar parte de mí, por todo lo que me han #rindado y por todas sus #endiciones.

RESUMEN $os tratamientos t"rmicos no modifican la composici!n química pero si modifican la estructura y constituci!n. %ste tipo de tratamiento ha adquirido valor en la industria, puesto que se necesitan metales con mayores resistencias a los desgastes y a la tensi!n. Sin em#argo, la gran mayoría de los tratamientos t"rmicos incluyen la inmersi!n de las pieas en #años de sales fundidas, al vacío, y atmosfera controlada. %n los cuales la radiaci!n no calienta toda la superficie a la misma velocidad. %s por esto que se han desarrollado procesos alternativos para que la realiaci!n de los tratamientos t"rmicos sea más eficiente. &na de las nuevas alternativas involucra el uso de lechos o cama fluidiados como medios de e'tracci!n del calor de las pieas metálicas. %n este proceso se aprovecha el alto coeficiente de transf transfere erenci nciaa de calor calor que presen presenta ta en medio medio fluidi fluidiado ado,, de manera manera que la inmers inmersi!n i!n de lecho lecho

8


TRAN&FEREN3IA TRAN&FEREN3IA 'E 'E 3A5OR 3A5OR EN !ORNO PARA PARA TRA TRATAMIENTO TERMI3O TERMI3O EN 5E3!O 5E3!O F5/I'I6A'O fluidiado transfiere el calor de forma simultánea en toda el área de#ido al contacto con las partículas de al(mina flotando a la temperatura. %n general, general, el calor suele fluir fluir del gas hacia la partícula partícula por convecci!n, convecci!n, el coeficiente coeficiente de transferencia de calor dependerá del r"gimen de flujo en los espacios que rodean a las partículas.

INDICE DEDICATORIA9999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999ii AGRADECIMIENTO 99999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999iii RESUMEN9999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999i0 INTRODUCCION9999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999:

I. II.

MARCO TEORICO9999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999;

CAPITULO I99999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999; TRANSFERENCIA DE CALOR EN LECHO FLUIDIZADO9999999999999999999999999999999999; 1.1 1.1.

ANT ANTECED ECEDEN ENTE TES S HIST STO ORICOS ICOS999999999999999999999999999999999999999999999999999999999;

1.2. 1.2.

TRANSF TRANSFERE ERENCI NCIA A DE CALOR CALOR EN UN LECHO LECHO FLUIDI FLUIDIZAD ZADO O9999999999999999<

1.3. 1.3.

TRANSF TRANSFERE ERENCI NCIA A DE CALO CALOR R DEL DEL LECH LECHO O A LA SUPERF SUPERFIC ICIE. IE.9999999999,+

1.4. 1.4.

PROPIE PROPIEDAD DADES ES DE TRANS TRANSFER FERENC ENCIA IA DE CALOR CALOR EN EN EL LECH LECHO O FLUID FLUIDIZA IZADO DO..

,+ -


TRAN&FEREN3IA TRAN&FEREN3IA 'E 'E 3A5OR 3A5OR EN !ORNO PARA PARA TRA TRATAMIENTO TERMI3O TERMI3O EN 5E3!O 5E3!O F5/I'I6A'O 1.4.1. 1.4.1. MECAN MECANISM ISMOS OS PRINC PRINCIP IPAL ALES ES DE LA TRANSF TRANSFERE ERENC NCIA IA DE CALOR CALOR ENTRE ENTRE UN LECHO FLUIDIZADO.999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999,, 1.5. 1.5.

VENT VENTA AJAS JAS DE LA LA TRA TRANS NSFE FERE RENC NCIA IA DE CAL CALOR OR..999999999999999999999999999999,*

III.

RESULTADOS999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999,*

IV.

RECOMENDACIONES999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999,;

V. VI.

CONCLUIONES9999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999,< BIBLIOGRAFIA9999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999,=

ANEXOS

I.

INTRODUCCION

%l tratamiento t"rmico en los materiales es uno de los pasos donde se produce una transferencia de calor en donde están asociados los ) modos de transferen transferencia* cia* conducci!n, conducci!n, convecci!n convecci!n y radiaci!n. radiaci!n. $a relevancia de cada uno depende de las características del proceso y su comportamiento en donde la piea sufre transformaciones con la finalidad de mejorar de mejorar las propiedades mecánicas, sin modificar la composici!n química.

:


TRAN&FEREN3IA TRAN&FEREN3IA 'E 'E 3A5OR 3A5OR EN !ORNO PARA PARA TRA TRATAMIENTO TERMI3O TERMI3O EN 5E3!O 5E3!O F5/I'I6A'O &na de las principales ventajas que presenta el lecho de fluidiaci!n es la alta superficie de contacto, lo cual representa una e'celente transferencia de calor. %l alto grado de mecla de las partículas del lecho por acci!n de las #ur#ujas es otro factor que permite una alta conductividad t"rmica.

Obj!"#$%& Obj!"#$ G'()*

•

$a transferencia de calor para tratamientos t"rmicos en lecho fluidiado

+#jetivos %specificos

•

omprender la transferencia de calor para el tratamiento t"rmico en lecho fludiado. Diferenciar entre los diferentes tipos de transferencia de calor para comprender el

•

cam#io de estructura y varia#les influyen en ello. Determinar de manera confia#le cual es el coeficiente de transferencia de calor ente

•

la partícula y el gas.

II.

MARCO TEORICO CAPITULO I

TRANSFERENCIA DE CALOR EN LECHO FLUIDIZADO I.1. .1.

ANTECEDENTES HIS HISTORICOS

;


TRAN&FEREN3IA TRAN&FEREN3IA 'E 'E 3A5OR 3A5OR EN !ORNO PARA PARA TRA TRATAMIENTO TERMI3O TERMI3O EN 5E3!O 5E3!O F5/I'I6A'O $a tecnología de fluidiaci!n no es una tecnología nueva. -a en /01 una patente proponía la tostaci!n de minerales minerales en lecho fluidiado, fluidiado, en donde esta#a presente la transferencia transferencia de calor. %ste tipo de hornos ha reemplaado a los hornos de sales y asu ve es una mejor alternativa que los hornos de atmosfera controlada y hornos al vacio de#ido a su menor tiempo de permanencia. Anteriormente las opciones tradicionales de enfriamiento o temple ha sido el aceite, agua o #año de sal. &n solo horno2proceso puede requerir cualquiera de estos medios %n la actualidad Aceros del 3er( 4ra#aja con la tecnología de fluidiaci!n por la #uena transferencia de calor que se produce en el proceso y apto para el tratamiento t"rmico completo.

I.2. I.2.

TRAN TRANSF SFER EREN ENCI CIA A DE CALO CALOR R EN EN UN UN LEC LECHO HO FLUI FLUIDIZ DIZAD ADO O %n la tecnología de lecho fluidiado, la transferencia de calor en el interior del lecho es muy

rápida, o#teni"ndose por tanto rápidamente temperaturas uniformes en todo el sistema.

<


TRAN&FEREN3IA TRAN&FEREN3IA 'E 'E 3A5OR 3A5OR EN !ORNO PARA PARA TRA TRATAMIENTO TERMI3O TERMI3O EN 5E3!O 5E3!O F5/I'I6A'O $a facilidad del control de la temperatura es la característica que ha conducido el uso de estos sistemas en procesos fuertemente e'ot"rmicos, y a su ve en aquellos en los que es importante un control preciso de la temperatura. FIGURA +1& 4ransferencia 4ransferencia de calor de forma simultanea dentro del $echo 5luidiado

De#ido a la mecla completa y a la gran área de contacto entre el gas y partículas, el calor suele flui luir

del del

gas hacia hacia la partícula por convecci!n. &n uerpo sumergido en un lecho fluidiado a una temperatura diferente a la del lecho e'perimentara una rapide de transferencia de calor varias veces mayor. %sto se da porque normalmente la capa limite que impide la transferencia de calor es penetrada por una sucesi!n de partículas calientes 6o frías7.

$a transferencia de calor dependerá del r"gimen del flujo en los espacios que rodean a las partículas. $a capacidad c apacidad t"rmica es importante en la transferencia de calor. 3or otra parte la temperatura de las partículas esta#lecen la temperatura del gas en los espacios entre las partículas y a su ve la densidad y viscosidad del gas, por lo tanto el comportamiento del lecho está condicionado por la temperatura de la partícula tanto para el caso de lechos fijos y fluidiados.

=


TRAN&FEREN3IA TRAN&FEREN3IA 'E 'E 3A5OR 3A5OR EN !ORNO PARA PARA TRA TRATAMIENTO TERMI3O TERMI3O EN 5E3!O 5E3!O F5/I'I6A'O I.3. I.3.

TRAN TRANSF SFER EREN ENCI CIA A DE DE CALO CALOR R DEL DEL LEC LECHO HO A LA SUPE SUPERF RFIC ICIE. IE. %s necesario considerar la transferencia de calor entre el lecho de partículas y las superficies

que lo contienen, siempre y cuando e'ista una diferencia de temperatura entre ellos %l coefic coeficien iente te de transf transfere erenci nciaa de calor calor entre entre el lecho lecho y una superf superfici iciee inmers inmersa, a, este este conformado por tres componentes que se adicionan a este* . %l comp componen onente te de de convec convecci! ci!n n de la la partí partícul culaa

h pc como resultado de la transferencia

de calor de las partículas que son puestas en contacto con la superficie permaneciendo ahí para despu"s ser reemplaados. 8. %l compo componen nente te de conve convecc cci! i!n n del gas de la inte interr fase fase

h gc , se ha de#ido a que la

trans transfe fere renc ncia ia de calo calorr entre entre la partí partícul culaa y la supe superf rfic icie ie se ve aumen aumenta tada da por por la transferencia de calor por convecci!n del d el gas de la inter fase. ). %l comp compon onen ente te de de radi radiaci aci!n !n hr que corresponde a la transferencia de calor de#ida a la radiaci!n. hbs= h pc + h gc + hr

67

&n cuerpo sumergido en un lecho fluidiado a una temperatura diferente a la del lecho e'per e'perim iment entar araa una rapi rapide de de tran transf sfer erenc encia ia de calo calorr vari varias as veces veces mayo mayorr que la que e'perimentaría e'clusivamente con el gas. I.4.

PROPIED PROPIEDADE ADES S DE DE TRAN TRANSFE SFEREN RENCIA CIA DE CALOR CALOR EN EL LECHO LECHO FLUIDI FLUIDIZAD ZADO. O. &n lecho fluidiado está #ien meclado de#ido a la circulaci!n de partículas generada por

las #ur#ujas que se elevan. 3or 3 or consiguiente, incluso con las reacciones más e 'ot"rmicas.

,+


TRAN&FEREN3IA TRAN&FEREN3IA 'E 'E 3A5OR 3A5OR EN !ORNO PARA PARA TRA TRATAMIENTO TERMI3O TERMI3O EN 5E3!O 5E3!O F5/I'I6A'O 4am#ien, %l área que e'iste entre la particula y el gas de fluidiacion, permite que se esta#ilice a la misma temperatura apro'imadamente. I.4.1. MECANISMOS MECANISMOS PRINCIP PRINCIPALE ALES S DE LA TRANSFEREN TRANSFERENCIA CIA DE CALOR CALOR ENTRE UN LECHO FLUIDIZADO. 1. 3ara las camas de partículas con diámetro menos que 9:: micras y densidad menor que

4000

kg 3

m

, e'cluyendo a los materiales cohesivos finos, el mecanismo más importante

es dependiente de la circulaci!n de las partículas entre el #ul de la cama y la regi!n directamente adyacente a la superficie de la transferencia de calor De#ido a su alta capacidad t"rmica las partículas son capaces de transferir gran cantidad de transferencia de calo. uando las partículas tienen el primer contacto con la superficie de transferencia de calor, ha#rá una gradiente de temperatura local grande. 8. on camas de partícul partículas as grandes2 grandes2dens densas, as, el flujo flujo de gas interst interstici icial al es tur#ul tur#ulent ento, o, al menos en el r"gimen de transici!n.
VENT VENTA AJAS JAS DE LA LA TRAN TRANSF SFER EREN ENCI CIA A DE DE CALO CALOR. R.

,,


TRAN&FEREN3IA TRAN&FEREN3IA 'E 'E 3A5OR 3A5OR EN !ORNO PARA PARA TRA TRATAMIENTO TERMI3O TERMI3O EN 5E3!O 5E3!O F5/I'I6A'O •

$as velocidades de transferencia de calor y masa entre el gas y las partículas son

•

mayores que en otros sistemas meclados. $a capacidad de transferencia de calor entre un lecho fluidiado y un o#jeto inmerso en "l es alta, por lo que los intercam#iadores de calor dentro de d e los lechos fluidiados requieren una superficie de transferencia relativamente #aja.

III.

RESULTADOS

P($b*,) N-+1 &n lecho de silica del tiene la siguiente composici!n granulom"trica* D X"

1/05 +/43

1/25 +/2

$a densidad aparente aparente del lecho es de

+/05 +/10 650

+/305 +/12

kg m

3

y la de las partículas partículas es de

1100

kg 3

m

. Si

se usa aire como agente fluidiante, calcule* a7 $a velocidad minima de fluidiacion. #7 $a porosidad del lecho si se usa un n(mero de fluidiacion de 8,: SOLUCION& Datos* kg kg ρa= 650 3 ; ρ p=1100 3 ; K w =2 m m onsiderar aire a ::= como agente fluidiante. $a viscosidad usada es la dinámica del aire y en las ta#las el valor es de :.:80 cp que tenemos que convertir a g2m>s, ya con la conversi!n queda +.+2101+3 6,% .

,*


TRAN&FEREN3IA TRAN&FEREN3IA 'E 'E 3A5OR 3A5OR EN !ORNO PARA PARA TRA TRATAMIENTO TERMI3O TERMI3O EN 5E3!O 5E3!O F5/I'I6A'O on esa informaci!n calculamos la densidad del fluido ? asumiendo un comportamiento ideal del gas, tam#i"n podemos #uscar el valor en las ta#las de mecánica de fluidos. $a temperatura para poder usarla en la ecuaci!n de los gases ideales tenemos que convertirla a @elvin.

ρ=

PM = RT

( 1 atm )∗(29 g ) mol

0.082

atm∗ L ( 273 + 100 ) K mol∗ K

g l

=0.9481 = 0.9481

kg 3

m

on la informaci!n provista en la ta#la procedemos a determinar el diámetro promedio, para lo cual necesitamos hacer la divisi!n de i2Dpi.

Dp mm i i2Dpi

,09 :,B) :,89

,89 :,8/ :,88

:,09 :,0 :,8)

:,)09 :,8 :,)8

on el cálculo anterior, procedemos a utiliar la ecuaci!n*

Dpm=

1

∆ Xi ∑ DPi

=

1 1.015

=0,985 mm= 0,985 x 10−3 m

on este dato, procedemos a calcular el n(mero de Arquímedes* D p ( ρ ρ p − ρ ) ρg 3

Ar =

μ

2

,7



(

) ∗ )

( 0,985 x 10− m ) ∗ 1100 kg −0.9481 kg 3

3

Ar =

m

(

3

m

−3

0.0217∗10

3

Kg m s

0.9481

kg

m

m

s

∗( 9.81) 3

2

2

Ar =20745.81 y es adimesioal

on los valores valores de

ρa= 650

kg m

3

y

ρ p=1100

lecho

! o =1−

ρ a ρ p

650

= 1−

kg 3

m kg

1100

m

=0.41

3

%ntonces podemos usar la ecuaci!n* Ar

ℜoc = 150

(1−0.41 ) 0.41

3

+

√

1,75 3

0.41

20745.81 ∗√ 20745.81

ℜoc =15.42

omo ℜoc =

Dp " oc ρ μ

entonces

,8

kg m

3

se calcula la porosidad inicial del


TRAN&FEREN3IA TRAN&FEREN3IA 'E 'E 3A5OR 3A5OR EN !ORNO PARA PARA TRA TRATAMIENTO TERMI3O TERMI3O EN 5E3!O 5E3!O F5/I'I6A'O " oc =

ℜoc∗ μ Dp∗ ρ

(15.42 )∗(0.0217∗10−3 kg ) m∗s m " oc = =0.358 s ( 0,985 x 10−3 m )∗0.9481 kg3 m

K w =

" # " oc

" #= 2∗0.358

m m = 0.717 s s

( 0,985 x 10− m)∗0.717 m ∗0.9481 kg 3

Dp " o ρ

ℜo =

μ

s

=

−3

0.0217 ∗10

m

kg m∗ s

3

=30.85

on la siguiente ecuaci!n determinamos entonces la porosidad del lecho

(

!=

)

2 0.21

18 ℜo + 0.36 ℜ0

Ar

( 18 (30.85 )+ 0.36 ( 30.85 ) ) 2

!=

20745.81

=0.51

$a porosidad es de :.9y la velocidad mínima de fluidiacion es igual a :.)9/ m2s PROBLEMA N-+2

,-


TRAN&FEREN3IA TRAN&FEREN3IA 'E 'E 3A5OR 3A5OR EN !ORNO PARA PARA TRA TRATAMIENTO TERMI3O TERMI3O EN 5E3!O 5E3!O F5/I'I6A'O 3or un tu#o de material 6ACSC ):B7 de 8pulg de diametro y

1 p$lg de espesor, circula 2

vapor a 9
de

10

% 2 m & ' . alcular el flujo de calor por la tu#eria por metro de longitud.

FIGURA FIGURA +2* 4u#o de

K =16.6

material

ACSC ):B

Datos* Del

material ACSC ):B d e =d i + 2 e t

% m ( ' T sat =151.86 & '

h =10

% 2

d i =2 ∈ ¿

m ( '

T )=30 & '

*=

T sat −T ) Rcod + R co+

L=1 m

e t = 0.5 ∈¿

=

T sat −T ) e t

+

d e =0.0762 m

1

Am∗k Ae∗h

,:



Area Cnterna del tu#o Area %'terna del tu#o

A i= , ∗d i∗ L

A i= 0.15959 m

A e = , ∗d e∗ L

A e =0.23939 m

Am =

%l área media logarítmica del tu#o

2

2

A e − A i ln

( ) A e

Am =0.1968 m

2

Ai

T sat −T ) %l calor transmitido

et

+

*=289.03011 %

1

Am∗ k Ae∗h

,;



IV.

RECOMENDACIONES

o añadir mucho aire ya que la generaría grandes vol(menes dentro del lecho fluidiado y no se apreciaría la transferencia de calor. ontar con nuestro %33 para no sufrir quemaduras ni mucho menos ser atacados por los rayos &E de la radiaci!n que desprende d esprende de#ido a la transferencia de calor.

$a velocidad dentro del lecho fluidiado depende mucho de la transferencia de calor asi que es recomenda#le que la velocidad este en los parámetros esta#lecidos para dicho tratamiento.

,<



V.

CONCLUIONES

Al aumentar la rapide de enfriamiento en el reactor de $5 se incremente la capacidad de e'tracci!n del calor del medio. Se comprendi! que en un lecho fluidiado la transferencia de calor es de manera simultánea y que penetra dentro del material para el respectivo tratamiento.

Dentro de un lecho 5luidiado ocurre la transferencia de calor por convecci!n y a su ve por radiaci!n, ya que desprende calor en el medio.

,=



VI.

•

•

•

BIBLIOGRAFIA

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*+


TRAN&FEREN3IA TRAN&FEREN3IA 'E 'E 3A5OR 3A5OR EN !ORNO PARA PARA TRA TRATAMIENTO TERMI3O TERMI3O EN 5E3!O 5E3!O F5/I'I6A'O ANEXOS FORMULARIO& 4ransferencia de calor por convecci!n

*,


TRAN&FEREN3IA TRAN&FEREN3IA 'E 'E 3A5OR 3A5OR EN !ORNO PARA PARA TRA TRATAMIENTO TERMI3O TERMI3O EN 5E3!O 5E3!O F5/I'I6A'O F7'!*

&niversidad t"cnica de ororu

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Hornos Metalurgicos Transferencia de Calor 5 de Mayo

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