2. 2
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 3
Clasificación
De acuerdo con la disposición de los tubos
dentro de la cámara de fuego, los hornos
pueden clasificarse:
• a) hornos verticales
• b) hornos horizontales
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 4
Vista de hornos
• Horno cilindrico
vertical
• Horno horizontal tipo
caja
Figura 7.1 Vista de hornos vertical y horizontal
tipo caja.
3. 3
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 5
Transferencia de calor en un horno
El calor, que se libera por la combustión de un
material combustible, se transfiere a un
fluido que circula dentro de tubos colocados
a lo largo de las paredes del horno y el
techo por:
• Radiación directa
• Convección
• Además, una parte del calor se refleja en las
paredes de los refractarios
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 6
Zonas de un Horno
4. 4
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 7
Zonas de Radiación y Convección
Existen dos zonas bien diferenciadas (por el
mecanismo de transferencia de calor):
• Zona de radiación: en la zona de radiación
los valores típicos de Q/A son alrededor de
50 KW/m2.
• Zona de convección: en la zona de
convección se recupera calor de los gases
que salen de la zona de radiación.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 8
Vistas zona de radiación y convección
5. 5
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 9
Tubos en la zona de radiación
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 10
Banco de escudo (shield)
También se suele identificar una tercera zona:
• El banco de escudo o de choque (shield)
Esta zona corresponde a la primeras dos filas
de tubos de la sección de convección, y que
cuando “ven” a la cámara de combustión,
reciben una significativa cantidad de calor
por radiación. No emplear tubos aletados
para esta zona.
6. 6
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 11
Combustión
La combustión se realiza con aire como fuente
de oxígeno. Para asegurar la combustión
completa del combustible se suele emplear
aire en exceso:
• 10% de exceso para combustibles gaseosos
• 15 a 20% de exceso para combustibles
líquidos
• 20% o más para combustibles sólidos
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 12
Quemadores
7. 7
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 13
Modelos teóricos de Hornos
Los modelos matemáticos que se aplican para el
cálculo de un horno son:
• tanque agitado o mezcla perfecta
• flujo pistón
El modelo de tanque agitado es el más simple y puede
aplicarse para evaluar el funcionamiento de varios
tipos de hornos.
Cuando la relación altura diámetro (H/D) del horno es
grande, conviene emplear el modelo de flujo pistón.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 14
Modelo de Tanque Agitado
Nosotros solo vamos a aplicar el modelo de tanque
agitado. El modelo define tres zonas:
• 1) la zona de gases que representa la llama y los
gases de combustión
• 2) la zona receptora de calor que representa a los
tubos
• 3) la zona receptora de calor que representa a los
refractarios
8. 8
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 15
Modelo de Tanque Agitado:
Analogía eléctrica
Tr
Rr
Rr-1 Rg-r
Tg
Rg-1R1
T1
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 16
Modelo de Tanque Agitado:
Suposiciones
El modelo supone:
• La temperatura de los gases (Tg) es un valor
promedio
• El plano que representa a los tubos se considera
como una superficie gris a una temperatura T1.
• La superficie de refractarios es adiabática a la
radiación y se encuentra a una temperatura Tr.
• Las pérdidas de calor por radiación a través de las
paredes y aperturas del horno son despreciables.
• Los refractarios se comportan como una superficie
re-radiante que refleja y emite a igual velocidad que
la recibe.
9. 9
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 17
Flujo de calor
• El flujo neto de calor por radiación y
convección desde los gases de combustión
hacia el receptor de calor están dados por
(ec. 7.1):
( ) ( ) ).(TTAhTTh
A
Q
gc,cgr,g 1711
4
1
4
1 −+−= − σ
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 18
Modelo de Tanque Agitado:
Resistencia Equivalente
• El coeficiente total de transferencia de calor, hg-1,r
tiene en cuenta las dificultades que aparecen por la
geometría del horno, incluyendo las reflexiones
múltiples sobre todas las superficies y la absorción
y re-radiación de los refractarios. Se evalúa como:
).(
RRR
R
h
rrgg
r,g 27
11
1
1
11
1
1
−−−
−
+
+
+
=
( )
1
11
1
1,1
1
,
1,1
1
1
1
1
1
1
1
ε
ε
ε
ε
ε
−
=
−=
=
=
−−
−
−
−
−
−
A
R
FA
R
A
R
A
R
rgrr
r
rgge
rg
gg
g
10. 10
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 19
Modelo de Tanque Agitado:
Coeficiente global de transferencia
• Despreciando las diferencias entre emisividades del gas y las
distintas superficies, y siendo εg la emisividad promedio del
gas, evaluada a una longitud del rayo igual a la longitud
promedio del rayo para toda la cámara de combustión del
horno (para cálculos aproximados se pueden tomar la
emisividad de los tubos (ε1) igual a 0.85 y la emisividad de los
gases (εg) igual a 0.3 como valores típicos), hg-1,r resulta:
( )
).(
F
A
A
A
h
gr
g
r
g
r,g 47
1
1
1
1
1
1
1
1
11
1
1
−
+
+
+
−
=
−
−
ε
ε
ε
ε
ε
Evaluación Simplificada de Hornos
Método de Wimpress
11. 11
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 21
Diseño de Hornos
• El diseño de un horno por métodos rigurosos parece quedar
fuera del alcance de la mayoría de los ingenieros de procesos.
Esto se debe a que todavía existen muchos factores dados por
la experiencia, correlaciones empíricas y el arte en la
fabricación de los mismos que no están disponibles para el
diseñador.
• Otro problema reside en que la dificultad para desarrollar una
teoría unificada y probada para representar en forma rigurosa
el funcionamiento de los hornos. Algunos modelos
simplificados son aplicables en la zona de radiación del horno
y han dado origen a varios métodos aproximadados de diseño
y evaluación, que pueden ser aplicados en forma sencilla y
con cierto grado de confiabilidad.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 22
Otras Consideraciones de Diseño
• Además de los factores mencionados, hay muchos
otros que son muy importantes en la evaluación de
un horno y que deben, al menos, ser tenidos en
cuenta.
• Por ejemplo, podemos mencionar los flujos de calor
permitidos, las relaciones entre los picos y los
valores promedios de los flujos de calor, el arreglo
de los tubos en el horno, el volumen de los gases
de combustión, el tamaño y ubicación de los
quemadores.
12. 12
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 23
Método Simplificado
• Lo que aquí se presenta es un procedimiento
relativamente simple que puede ser usado para
calcular los flujos de transferencia de calor y la
eficiencia para un amplio rango de hornos. La
experiencia muestra que los resultados obtenidos
son aceptables como para cumplir las demandas
desde el punto de vista de la ingeniería.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 24
Método de Wimpress
• El método de diseño sugerido a
continuación es el desarrollado por Norman
Wimpress, (“Generalized Method Predicts
Fired-Heater Performance”, Chemical
Engineering May 22, 1978) .
13. 13
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 25
Método de Wimpress:
Etapas del diseño
• Diseño de la sección de radiación
• Evaluación de la superficie plana equivalente
• Cálculo del factor de intercambio
• Cálculo de la transferencia de calor por convección
en la zona de radiación
• Temperaturas en distintas zonas del horno
• Balance de calor
• Diseño de la zona de convección
• Radiación sobre el banco de escudo
• Diseño de la chimenea (pérdidas de carga, tiro)
Diseño de la Sección de Radiación
14. 14
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 27
Transferencia de calor por Radiación
• La transferencia de calor por radiación para un cuerpo negro
es descripta por la ecuación de Stefan-Boltzmann.
• En el caso de la transferencia de calor por radiación entre dos
superficies reales a las temperaturas Ta y Tb, será:
).()T-T(FA=q b
4
a
4
r
67σ
• A es el área de una de las superficies,
• F es el factor de intercambio que depende del área relativa,
del arreglo de las superficies, y de la emisividad y absortividad
de cada una.
• Para la transferencia de calor dentro de un horno,
generalmente se elige como base de cálculo la superficie
receptora de calor (superficie fría) o “superficie plana
equivalente”.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 28
Zona de radiación: Superficie plana
equivalente
• La distribución de tubos en forma paralela a las paredes del
horno es el diseño de absorción de calor que más
comúnmente se utiliza.
• La parte de la radiación de los gases calientes que incide
directamente sobre los tubos es absorbida, mientras que el
remanente pasa de largo.
• Si los tubos están frente a una pared de refractarios, la
energía que pasa a entre los tubos es re-irradiado hacia atrás
y nuevamente una parte de esta energía es absorbida por los
tubos, y un remanente otra ves pasa de largo.
15. 15
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 29
Superficie plana equivalente
• Esta complicada situación se representa
expresando el área del tubo como una superficie
plana (fría) equivalente Acp.
• La misma es igual al número de tubos multiplicada
por la longitud expuesta y por la distancia entre
centros de los tubos.
• Puesto que el banco de tubos no absorbe toda la
energía radiada hacia la superficie plana fría, se
debe aplicar un factor de eficiencia de la absorción,
α.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 30
Superficie plana equivalente:
Factor de absorción
• Los valores de α han sido
desarrollados y publicados
por Hottel (“Chemical
Engineering Handbook”) en
función del arreglo y del
espaciamiento entre tubos.
• La Figura 7.3 da los
valores de α para los
arreglos de tubos más
comúnmente usado en los
hornos de proceso.
Figura 7.3 Factor de absorción
16. 16
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 31
Calor transferido por radiación
• El producto de α Acp, se denomina área del plano
frío equivalente, y representa el área de un plano
que tiene la misma capacidad de absorción que el
banco real de tubos.
• La ecuación para calcular el calor transferido a los
tubos por radiación se convierte en (ec. 7.7):
).()T-T(FA=q t
4
g
4
cpRr 77ασ
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 32
Radiación de los gases
• El gas en la caja de fuego es poco radiante, porque
normalmente los únicos componentes del gas de
combustión que contribuyen en forma significativa a
la emisión de radiación son el CO2 y el H2O.
• La cantidad de componentes radiantes pueden ser
expresados por un término simple, que es:
“la presión parcial del CO2 más la del H2O
multiplicados por la longitud media del rayo [3]”.
17. 17
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 33
Presión parcial de CO2
• La Figura 7.4
muestra la presión
parcial P, en función
del exceso de aire
para los
combustibles más
comunes
Figura 7.4 Presión parcial de CO2 en
función del exceso de aire.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 34
Longitud media de radiación
• La longitud media de la radiación L, se puede
calcular en función del volumen total de la caja de
fuego comprendido dentro de la línea entre centros
de tubos (V) y el área envolvente total de la caja de
fuego (Ae).
).(AV/3.6=L e 87
18. 18
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 35
Emisividad del gas
• La emisividad del gas es
función de la temperatura
del gas y de la superficie
absorbente.
• No obstante, debido al
reducido efecto de la
temperatura de la pared del
tubo, la emisividad del gas
puede ser correlacionada
como una función del
producto P.L y de la
temperatura del gas (Figura
7.5). Figura 7.5 Emisividad del gas
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 36
Factor de Intercambio
• El factor de intercambio tiene en cuenta la radiación reflejada
por los refractarios. (La energía que incide sobre los
refractarios es reflejada de vuelta hacia los tubos, donde ésta
tiene una segunda oportunidad de ser absorbida).
• Un horno que tenga una gran cantidad de refractarios
expuesta transferirá mayor cantidad de calor por unidad de
superficie de tubo que uno cuyas paredes está cubiertas por
tubos.
• Lobo y Evans correlacionaron este efecto relacionando el área
de refractario expuesta y el área equivalente total de la
superficie fría.
19. 19
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 37
Determinación del Factor de Intercambio
• La Figura 7.6 relaciona el
área de la superficie fría y el
área total envuelta por la caja
de fuego, lo cual simplifica
los cálculos. También tiene
en cuenta que los tubos
propiamente dichos no son
superficies absorbentes
perfectas. Tales curvas están
basadas en una absorción de
la superficie del tubo igual a
0.9, lo cual es un valor típico
para superficies metálicas
oxidadas.
Figura 7.6 Factor de intercambio.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 38
Convección en la zona de radiación
• Aunque la radiación es el mecanismo principal por
el cual se transfiere calor en la zona de radiación, la
convección en dicha zona no puede ser
despreciada.
).()T-T(Ah=q tgtcc
97
20. 20
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 39
Convección en la zona de radiación:
Simplificaciones
• Dado que la transferencia de calor por convección
en la zona de radiación no es significativa y además
no puede calcularse exactamente, se pueden hacer
algunas simplificaciones.
• Para hornos comunes:
hc en la zona de radiación es alrededor de 10 Kcal/hr.m2.°K
At es alrededor de dos veces α Acp
F es aproximadamente 0.57.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 40
Calor Total Transferido de
en la zona de Radiación
• El calor total transferido en la sección de radiación
será la suma del calor transferido por radiación más
el calor transferido por convección:
).()T-T(35+)T-T(=
FA
q
tgt
4
g
4
cp
R
127σ
α
21. 21
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 41
Calor Total Transferido de en la zona de
Radiación: Consideraciones
• La ecuación (7.12) sólo se
aplica a los tubos en la
sección de radiación. No
es válida para la evaluar la
radiación en la zona de
convección.
• La relación qR/α Acp F es
función de las
temperaturas del gas y de
la pared del tubo
únicamente
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 42
Temperatura de la pared de los tubos
• La temperatura de la pared del tubo depende de la
temperatura del fluido dentro del tubo y de su
coeficiente de transferencia de calor, de la
resistencia térmica de la pared del tubo y del flujo
de calor total.
• A temperaturas de pared del tubo por debajo de 500
°C, cuando la velocidad de absorción de radiación
es prácticamente insensible a la temperatura de
recepción, comúnmente se puede simplificar
tomando una temperatura igual a la promedio del
fluido más 50°C.
22. 22
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 43
Temperatura de los tubos a altas
temperaturas
• A altas temperaturas se requieren cálculos mucho
más precisos.
• En instalaciones, tales como hornos de pirolisis, con
temperaturas de pared extremadamente altas, es
aconsejable dividir el área receptora en varias
zonas de diferentes temperaturas promedio, y
calcular el calor absorbido en cada zona por
separado.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 44
Temperatura de entrada en la zona de
convección
• Puesto que alrededor del 70% de la radiación a la
zona de convección es recibida por la primera fila
de tubos, se deberá usar la temperatura de pared
promedio de estos tubos para calcular la radiación
en la zona de convección.
23. 23
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 45
Temperaturas dentro del horno:
Consideraciones
• Dependiendo del tipo de horno, también podría llegar a existir
una considerable variación de la temperatura de los gases de
combustión dentro de la cámara de fuego.
• Debido al gran mezclado turbulento que se produce, a la
transparencia del gas radiante, y a los efectos de la radiación
secundaria proveniente de la pared de refractarios expuesta,
es muy difícil tener en cuenta esas variaciones de temperatura
en forma cuantitativa cuando se hacen los cálculos del flujo de
calor.
• En ausencia de barreras físicas entre zonas, lo más simple es
basar todos los cálculos de transferencia de calor en una
única temperatura de radiación efectiva a lo largo de la caja de
fuego.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 46
Balance de calor
• El procedimiento mencionado a continuación
permite calcular la temperatura necesaria en la caja
de fuego para transmitir una cantidad específica de
calor a una sección de radiación específica.
• Para determinar el caudal de combustible requerido
por un horno se debe plantear un balance de calor
alrededor de la caja de fuego.
24. 24
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 47
Ecuación de balance de calor
Calor que ingresa en la sección de radiación:
• calor neto de combustión, qn
• calor sensible del aire de combustión, qa
• calor sensible del combustible y cualquier vapor atomizado, qf.
Calor removido del horno es:
• absorción de los tubos en la zona de radiación, (qR)
• radiación al banco de escudo y tubos de convección, (qs)
• pérdidas de el calor, (qL)
• calor sensible de los gases de combustión, (qg2).
).(q+q+q+q=q+q+q g2LsRfan
137
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 48
Balance de calor: simplificaciones
• Los términos qa y qf son proporcionales a la
cantidad de combustible quemado, pueden ser
expresados como relaciones de qn.
• Las pérdidas qL se toman entre 1 a 3% del calor
neto liberado, dependiendo del diseño del horno y
de la experiencia.
25. 25
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 49
Calor de los gases a la salida
• La fracción de calor liberado, pero que permanece
en los gases de combustión es una función de la
composición del combustible, de la temperatura de
los gases de combustión, y del exceso de aire.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 50
Evaluación del balance de calor
• La ecuación de balance de calor puede arreglarse
para calcular el valor de qn directamente:
).(
q
q
-
q
q
-
q
q
+
q
q
+1
q+q
=q
n
g2
n
L
n
f
n
a
sR
n 147
26. 26
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 51
Calor retenido por los gases de chimenea
• Para combustibles
comunes, la relación
qg/qn puede a partir de
las curvas de la
Figura 7.8.
Figura 7.8 Fracción de calor de los gases de
chimenea
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 52
Temperatura de los gases:
simplificaciones y suposiciones
• Para cerrar el ciclo computacional alrededor de la
zona de radiación, se require evaluar la relación
entre la temperatura efectiva del gas radiante, Tg , y
la temperatura de salida de los gases de
combustión, Tg2.
• Para los hornos tipo caja, que tienen una sección
transversal aproximadamente cuadrada, y no
poseen áreas de refractarios con la incidencia
directa de las llamas, las dos temperaturas pueden
suponerse iguales.
27. 27
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 53
Temperatura de los gases a la salida de
la zona de radiación
(Bridge Wall Temperature)
• En el extremo opuesto de un horno cuya caja de
fuego es alta y angosta, y con quemadores
montados sobre la pared, Tg puede ser de 100 a
150 °C mayor que Tg2.
• En hornos del tipo cilíndrico con los quemadores
ubicados en el fondo, la temperatura tendrá valores
intermedios.
• La magnitud de la diferencia puede ser determinada
empíricamente a partir de la experiencia adquirida
con diseños similares.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 54
Diseño de la zona de convección
• La importancia relativa en el diseño de la zona de convección
en hornos ha ido en ascenso en los últimos años. Una razón
son los altos costos del combustible, lo cual ha resultado en
fijar como blanco una mayor eficiencia de hornos que
anteriormente podían ser justificados económicamente.
• El resultado es que una menor fracción del calor total liberado
se entrega en la zona de radiación y por lo tanto una mayor
carga térmica en la zona de convección.
• Anteriormente la distribución típica de calor era
aproximadamente 50% para la zona de radiación, 20% para la
zona de convección y un 30% de pérdidas, estas relaciones
puede ahora tomar valores de 40%, 50% y 10%
respectivamente.
28. 28
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 55
Zona de Convección
• Al igual que en la sección de radiación, el calor transferido en
la zona de convección incluye calor por radiación y por
convección.
• La base para el cálculo del calor transferido en la zona de
convección toma en cuenta la convección directa, la radiación
de los gases y la radiación de las paredes de refractarios.
• La mayoría de los diseños de hornos en la actualidad
incorporan tubos con superficies extendidas, que por su
variedad, no se puede presentar aquí un procedimiento
específico para calcular los coeficientes de transferencia de
calor.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 56
Caudal total de gases
• Se necesita evaluar la
cantidad de gases de
combustión que circulan a
través del banco de tubos de
la zona de convección, la cual
puede calcularse a partir de
relaciones estequeometricas
que involucran el consumo de
combustible, el poder calorífico
del combustible y el exceso de
aire.
• Para los combustibles más
comunes, se puede aproximar
a partir del calor neto liberado
y del exceso de aire.
Figura 7.9 Masa total de gases de chimenea
29. 29
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 57
Coeficiente de transferencia de calor en
la zona de convección
• El calor transferido en la zona de convección tiene
en cuenta la convección directa, la radiación de los
gases y la radiación de las paredes de refractarios.
• Dado que actualmente la mayoría de los diseños de
hornos incorporan tubos con superficies extendidas
muy variadas, no se puede presentar aquí un
procedimiento específico para calcular los
coeficientes de transferencia de calor, sino calcular
un coeficiente global en función del caudal total de
gases.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 58
Caudal de gases en la zona de convección
• La cantidad de gases de combustión que
circulan a través del banco de tubos de la
zona de convección, puede calcularse a
partir de relaciones estequeometricas que
involucran el consumo de combustible, el
poder calorífico del combustible y el exceso
de aire.
30. 30
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 59
Masa total de gases de chimenea
• En forma simplificada
para los combustibles
más comunes, ela
masa total de gases
de chimenea se
puede estimar a partir
del calor neto
liberado y del exceso
de aire.
Figura 7.9 Masa total de gases de chimenea
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 60
Coeficiente global de transferencia de
calor en la zona de convección:
Consideraciones
• Para un diseño preliminar, la resistencia interna a la
transferencia de calor es lo suficientemente baja como para
que sea satisfactorio una estimación aproximada de la misma.
• La temperatura promedio del gas empleada en esta figura es
la media aritmética de la temperatura del fluido dentro del tubo
más la media logarítmica de temperaturas (MLDT) entre el gas
y el fluido.
• La velocidad másica es la que se obtiene a través de la
mínima sección transversal del banco de tubos.
31. 31
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 61
Evalución del coeficiente global en la
zona de convección
• Para tubos desnudos, La
Figura 7.10 muestra los
coeficientes totales de
transferencia de calor
calculadas a partir de datos
de Schweppe y Torrijos,
suponiendo un arreglo
escalonado de los tubos
(triángulo), temperaturas de
los fluidos, y coeficientes
peliculares del lado de los
tubos.
Figura 7.10 Coeficiente global de
transferencia de calor.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 62
Area de transferencia de calor de la zona
de convección
• Una vez calculadas las cargas térmicas y los
coeficientes globales de transferencia de
calor en la zona da convección, se puede
calcular la superficie requerida por los
procedimientos convencionales de balance
de calor y calor intercambiado.
• La temperatura de los gases de combustión
a través de esta sección puede estimarse
con la relación del qg/qn y la Figura 7.8.
32. 32
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 63
Banco de escudo
• Hay hornos donde la sección de convección forma
parte de la caja de fuego. Puesto que la sección de
convección tiene varias hileras de tubos de
profundidad, las primeras filas de estos pueden
absorber calor por radiación y representan lo que se
conoce como banco de escudo (shield bank).
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 64
Radiación sobre el banco de escudo
• El término qs (en el balance de calor)
representa el calor por radiación transferido
directamente a los tubos inferiores de la
zona de convección (shield bank).
• Casi todo el calor por radiación se absorbe
en las dos primeras filas de la sección de
convección. Por lo tanto, esta cantidad de
calor puede ser agregada a la obtenida en
los cálculos de la sección de convección.
33. 33
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 65
Diseño de la Chimenea
• La chimenea del horno debe crear la
suficiente succión para arrastrar los gases
de combustión a través de las zonas de
radiación y convección y luego descargarlos
a una altura apropiada.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 66
Pérdida de carga en la zona de
convección
• La pérdida de carga a través de la zona de convección y
chimenea y se expresa en términos de cabeza de velocidad
(en milímetros de agua):
• G representa la velocidad másica en kg/(m2.seg)
• ρg es la densidad del gas en kg/m3. Para la mayoría de las
situaciones y a nivel del mar, la densidad de los gases de
combustión es relativamente insensible a la composición del
combustible y al exceso de aire (ec. 7.16).
• Tg es la temperatura del gas en °K.
).(G0.051=p
g
2
v 157
ρ
).(
T
342
=
g
g
167ρ
34. 34
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 67
Consideraciones sobre la Pérdida de
carga en la zona de convección
• Para bancos de tubos desnudos, la pérdida de carga por
fricción es aproximadamente la mitad de la cabeza de
velocidad por fila.
• Para tubos con superficies extendidas lo mejor es confiar en
los datos de fabricante o bien emplear correlaciones
específicamente desarrolladas para la configuración empleada
en particular.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 68
Pérdidas de carga en la chimenea y los
reguladores (dampers)
• Las pérdidas de carga en la chimenea y los
dampers puede aproximarse a partir de los
valores siguientes:
35. 35
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 69
Tiro de la chimenea
• El tiro o succión de la chimenea depende de
la diferencia de densidades entre los gases
calientes a la salida de la chimenea y el aire
circundante.
• El peso molecular del gas de combustión es
completamente insensible a la composición
del combustible y su valor está alrededor de
28.5 para los combustibles más comunes.
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 70
Tiro cada 100 m de altura
• El tiro por cada 100 m de
altura de chimenea se
puede obtener de la
Figura 7.11.
• Cuando se calcula el tiro
disponible, se debe tener
en cuenta que las
temperaturas de la
chimenea son más bajas
por las pérdidas de calor,
entradas de aire y
circunstancias similares
que se producen.
Figura 7.11 Tiro de la chimenea por cada 100
m, expresado en mm de columna de agua.
36. 36
Alberto Blasetti Copyrigth 1997-2005 71
Consideraciones respecto del tiro
de la chimenea
• El tiro de la chimenea depende de la temperatura de los gases
de combustión y del grado de aislación de la chimenea y
conductos.
• Para una chimenea sin revestimiento, y una temperatura de
gases de combustión de 400 °C, se puede considerar una
reducción mínima de 50 °C.
• Para instalaciones por encima de los 300 m de altura, se debe
tener en cuenta la disminución de la presión atmosférica.
• Presiones atmosféricas más bajas aumentan el volumen de
gas, y por lo tanto la pérdida de carga a través del horno y de
la chimenea. Esto disminuye el tiro debido a la menor
diferencia de densidades.
• Los factores de corrección para la densidad del gas y para el
tiro en la chimenea suelen estar tabulados.