instituto politÉcnico nacional€¦ · cq coeficiente que contempla al parámetro de forma y al...
Post on 25-Apr-2020
5 Views
Preview:
TRANSCRIPT
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
“DESARROLLO DE PRECALENTADORES DE AIRE, COMPUESTOS DE TERMOSIFONES BIMETÁLICOS
ALETADOS, PARA APROVECHAR LA ENERGÍA CONTENIDA EN LOS GASES DE ESCAPE DE
CALDERAS INDUSTRIALES.”
T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA DE SISTEMAS ENERGETICOS
PRESENTA EL ING. RICARDO MACIEL REYES
DIRECTOR DE TESIS DR. GEORGIY POLUPAN
MÉXICO, DF. ENERO 2008
SEPI ESIME CULHUACAN CONTENIDO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES
CONTENIDO PAGINA
RELACION DE FIGURAS i RELACION DE TABLAS iv NOMENCLATURA v RESUMEN x ABSTRACT xii INTRODUCCION xiii 1. CAPITULO I.- GENERALIDADES 2
1.1. Calderas tipo tubo de humo 2
1.1.1. Calderas del área metropolitana 4
1.1.2. Contaminantes 5
1.1.2.1. Combustión 7
1.1.2.2. Combustibles 10
1.1.3. Eficiencia Térmica de Calderas Tipo Tubo de Humos 13
1.2. Precalentadores de aire 15
1.2.1. Recuperativos tipo tubular
1.2.2. Recuperativos de placas
16
17 1.2.3. Regenerador rotativo 17
1.3. Precalentadores de aire en base de termosifones
1.3.1. Construcciones de precalentadores de aire con termosifón
1.3.2. Termosifones
1.3.2.1. Termosifón Aletado
1.3.3. Calderas tipo tubo de Humo con precalentador de aire en base de
termosifones bimetálicos.
18
20
23
24
25
2. CAPITULO II.- DESARROLLO DE METODOLOGIA DEL CALCULO GEOMETRICO Y TERMICO
31
2.1. Metodología del cálculo geométrico de los Precalentadores de Aire en 32
SEPI ESIME CULHUACAN CONTENIDO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES
base de Termosifones Bimetalitos
2.2. Metodología del cálculo Térmico de los Precalentadores de Aire en base
de Termosifones Bimetalitos
38
2.3. Programa del cálculo geométrico de los Precalentadores de aire en base
de Termosifones Bimetálicos
51
2.4. Programa del cálculo Térmico de los precalentadores de aire en base de
Termosifones Bimetálicos
59
2.5. Diagrama de flujo 68
3. CAPITULIO III.- CÁLCULO DE PARÁMETROS GEOMÉTRICOS Y TÉRMICOS DE UN PRECALENTADOR DE AIRE EN BASE DE TERMOSIFONES ALETADOS BIMETALITOS PARA UNA CALDERA DE 100 CC.
74
3.1. Cálculo de parámetros geométricos de un precalentador de aire en base
de termosifones aletados bimetalitos para una caldera de 100 CC.
74
3.2. Cálculo de parámetros térmicos de un precalentador de aire en base de
termosifones aletados bimetalitos para una caldera de 100 CC
79
4. CAPITULO IV.- ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS Y LINEA DE
PRECALENTADORES DE AIRE 89
4.1. Análisis geométrico de 3 construcciones de Precalentadores de Aire en
base a Termosifones Bimetálicos Aletados, para Caldera 100 CC
91
4.2. Análisis Térmico de 3 construcciones de Precalentadores de Aire en
base a Termosifones Bimetálicos Aletados, para Caldera 100 CC
94
5. CAPITULO V.- ANALISIS ECONOMICO DE RESULTADOS 5.1. Análisis económico de resultados para definir el comportamiento de los
parámetros del precalentador.
5.2. Análisis Económico.
5.2.1. Costo Total del Equipo
5.2.2. Ahorro de Combustible
5.2.3. Periodo de Recuperación
104
104
105
105
106
107
SEPI ESIME CULHUACAN CONTENIDO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES
CONCLUSIONES 111
RECOMENDACIONES 112
BIBLIOGRAFIA 113
ANEXO 1 120
ANEXO 2 130
ANEXO 3 147
SEPI ESIME CULHUACAN CONTENIDO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES
SEPI ESIME CULHUACAN RELACION DE FIGURAS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES i
RELACION DE FIGURAS
FIGURA TITULO PAGINA
Figura 1.1. Caldera tipo tubos de humo. 2
Figura 1.2. Tipos de corriente en un intercambiador 15
Figura 1.3. Corriente cruzada o perpendicular en un intercambiador. 15
Figura 1.4. Precalentador de aire compacto de termosifones aletados. 19
Figura 1.5. Componentes del precalentador de aire. 21
Figura 1.6. Termosifón cerrado de dos fases. 22
Figura 1.7. Termosifón aletado en un precalentador de aire. 23
Figura 1.8. Vista en corte de caldera Cleaver Brooks 25
Figura 1.9. Instalación del precalentador de aire en la caldera. 26
Figura 1.10 Componentes de la instalación del precalentador de aire. 27
Figura 2.1. Carátula de inicio del programa. 49
Figura 2.2. Primera interfase del programa. 50
Figura 2.3. Mensaje de selección de tipo de caldera y precalentador de aire.
51
Figura 2.4. Diferentes potencias de calderas 51
Figura 2.5. Selección de la potencia de la caldera. 52
Figura 2.6. Diferentes precalentadores. 52
Figura 2.7. Selección de los diferentes precalentadores. 53
Figura 2.8. Resultados geométricos y térmicos del precalentador. 54
Figura 2.9. Resultados finales del cálculo geométrico, térmico del precalentador y número de iteraciones.
55
Figura 2.10. Resultados finales del cálculo geométrico del precalentador. 55
Figura 2.11. Resultados finales del cálculo térmico del precalentador. 56
Figura 2.12. Numero de iteraciones finales. 56
Figura 2.13. Características geométricas del termosifón. 57
Figura 2.14. Propiedades del aire y gases de combustión. 58
Figura 2.15. Propiedades del agua y del combustible. 58
SEPI ESIME CULHUACAN RELACION DE FIGURAS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES ii
Figura 2.16. Coeficiente de conveccion zona gas-aire. 59
Figura 2.17. Coeficiente de conveccion para la ebullición-condensación, y resistencia térmica total
59
Figura 2.18. Interfase calculo de eficiencias de calderas con y sin precalentador.
60
Figura 2.19. Resultados de la interfase calculo de eficiencias de calderas con y sin precalentador.
61
Figura 2.20. Interfase calculo de ahorro del combustible con precalentador
62
Figura 2.21. Resultados de la interfase calculo de ahorro de combustible. 63
Figura 2.22. Interfase calculo de peso y costo del precalentador. 64
Figura 2.23. Resultados de la interfase calculo de peso y costo del precalentador.
65
Figura 2.24. Diagrama de flujo de la primera interfase 66
Figura 2.25. Diagrama de flujo de la segunda interfase 67
Figura 2.26. Diagrama de flujo de la tercera interfase 68
Figura 2.27. Diagrama de flujo de la cuarta interfase 69
Figura 4.1. Equipo # 1, cinco tubos por hilera y cinco hileras. 87
Figura 4.2 Equipo # 14, quince tubos por hilera y quince hileras. 87
Figura 4.3 Equipo # 1, cinco tubos por hilera y cinco hileras. Equipo # 2 s tubos por hilera y siete hileras.
88
Figura 4.4 Equipo # 3, siete tubos por hilera y nueve hileras. 89
Figura 4.5 Calculo geométrico del precalentador, equipo #1 89
Figura 4.6 Calculo geométrico del precalentador, equipo #2 90
Figura 4.7 Calculo geométrico del precalentador, equipo #3 90
Figura 4.8 Calculo térmico del precalentador, equipo #1 92 Figura 4.9 Calculo térmico del precalentador, equipo #2 92 Figura 4.10 Calculo térmico del precalentador, equipo #3 93 Figura 4.11 Grafica de potencia a diferentes temperaturas de entrada 94
del aire y gases para el equipo # 1, carga 100%.
Figura 4.12 Grafica de potencia a diferentes temperaturas de entrada 94 del aire y gases para el equipo # 1, carga 75%
Figura 4.13 Grafica de potencia a diferentes temperaturas de entrada 95 del aire y gases para el equipo # 1, carga 50%.
Figura 4.14 Grafica de potencia a diferentes temperaturas de entrada 95
SEPI ESIME CULHUACAN RELACION DE FIGURAS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES iii
del aire y gases para el equipo # 2, carga 100%.
Figura 4.15 Grafica de potencia a diferentes temperaturas de entrada 96 del aire y gases para el equipo # 2, carga 75%.
Figura 4.16 Grafica de potencia a diferentes temperaturas de entrada 96 del aire y gases para el equipo # 2, carga 50%.
Figura 4.17 Grafica de potencia a diferentes temperaturas de entrada 97 del aire y gases para el equipo # 3, carga 100%.
Figura 4.18 Grafica de potencia a diferentes temperaturas de entrada 97 del aire y gases para el equipo # 3 carga 75%.
Figura 4.19 Grafica de potencia a diferentes temperaturas de entrada 97 del aire y gases para el equipo # 3 carga 50.
Figura 4.20 Potencia calorífica transferida por los precalentadores de 99 aire 1, 2 y 3 para temperaturas de entrada del aire 293 K y gases de 493 K, con carga térmica de la caldera 100%.
Figura 5.1 Potencia calorífica transferida por los precalentadores de 105 aire 1, 2 y 3 para temperaturas de entrada del aire 293 K y gases de 493 K, con carga térmica de caldera100%.
Figura 5.2 Grafica del tiempo de recuperación de la inversión para 106 los equipos 1,2 y 3
SEPI ESIME CULHUACAN RELACION DE TABLAS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES iv
RELACION DE TABLAS
TABLA TITULO PAGINA
Tabla 1.1. Número de calderas por capacidad registradas en la 4
Tabla 1.2. Poder calorífico inferior de combustibles 9
Tabla 3.1. Parámetros tomados de la caldera CC-100 71
Tabla 3.2. Composición del gas natural 71
Tabla 3.3. Parámetros geométricos del termosifón 72
Tabla 3.4. Resultados del dimensionamiento del precalentador. 74
Tabla 3.5. Resultados de superficies de transferencia de calor. 76
Tabla 3.6. Temperaturas finales propuestas. 77
Tabla 3.7. Resultados para el coeficiente de convección en ambas zonas 80
Tabla 4.1 Características geométricas de una línea de 14
precalentadores de aire.
86
Tabla 4.2 Resultados de cálculos geométricos para equipos 1, 2, y 3 91
Tabla 4.3 Resultados de cálculos térmicos para equipos 1, 2, y 3 93
Tabla 5.1 Cálculos de incremento de eficiencia, ahorro de combustible y
tiempo de recuperación
104
SEPI ESIME CULHUACAN NOMENCLATURA
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES v
• NOMENCLATURA
SIMBOLO NOMBRE SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES
a Base del precalentador de aire. ][m
A Área de transferencia de calor. ][ 2m b Altura de una zona (aire, gases) del precalentador de aire. ][m C Profundidad del precalentador de aire ][m
pc Calor específico a presión constante. ]/[ KkgJ °
cC Costo de combustible 3/$ m
qC Coeficiente que contempla al parámetro de forma y al coeficiente de aletado.
zC Coeficiente que contempla la influencia que tiene, en la transferencia de calor, el número de filas de tubos. d Diámetro exterior del tubo. ][m D Diámetro de aletas. ][m E Coeficiente de eficiencia teórica de aleta. f Factor f para cálculo del número de Nusselt.
G Gasto volumétrico de combustible ]/[ 3 sm
RG Gasto volumétrico de combustible con precalentador ]/[ 3 sm
g Aceleración de gravedad. ]/[ 2sm
convh−
Coeficiente promedio de transferencia de calor por convección. ]/[ 2 KmW ° grelh1 Coeficiente de convección relativo promedio en zona de gases. ]/[ 2 KmW ° arelh1 Coeficiente de convección relativo promedio en zona de aire. ]/[ 2 KmW °
ebh Coeficiente de Convección en ebullición. ]/[ 2 KmW °
condensh Coeficiente de convección en condensación. ]/[ 2 KmW °
H Entalpía. ]/[ 3mJ k Coeficiente de conductividad. ]/[ KmW °
pk Coeficiente pk .
L Longitud. ][m
Al Altura de aleta. ][m
´Al Altura relativa de aleta.
*l 5.0))(/( ng ρρσ − .
m Número de átomos de carbono.
gm∗ Flujo másico. ]/[ skg
M Parámetro M , para el coeficiente de eficiencia de aleta.
n Número de átomos de hidrógeno.
SEPI ESIME CULHUACAN NOMENCLATURA
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES vi
SIMBOLO NOMBRE SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES
N Número total de termosifones del intercambiador de calor. N
AN Número de aletas. pAN Número de aletas sin considerar espacios laterales.
iN Número de caloductos en hileras impares.
pN Número de caloductos en hileras pares.
WoN Numero de Wobbe ]/[ 3mJ
Nu Número de Nusselt promedio.
PCI Poder calorífico inferior. ]/[ 3mJ
PCS Poder calorífico superior. ]/[ 3mJ
crP Presión crítica. ]/[ 2mN
Pr Número de Prandtl.
P Presión. ]/[ 2mN
satP Presión de saturación. ]/[ 2mN q Tasa de transferencia de calor. ][W
2q Pérdida de calor por gases de escape. [%]
3q Pérdida de calor por combustión química incompleta. [%]
4q Pérdida mecánica de calor. [%]
5q Pérdida de calor por convección y radiación. [%]
Q Calor transferido. ][W
2Q Calor aprovechado. ]/[ 3mJ
aQ Calor adicional al aire. ]/[ 3mJ
combQ Calor adicional al fluido combustible. ]/[ 3mJ
ecombustiblQ Calor que contiene el combustible. ]/[ 3mJ
gQ Flujo de gases de escape. ]/[ 3 sm
sumQ Calor suministrado. ]/[ 3mJ
r Radio. ][m
R Resistencia térmica. ]/[ WK°
condR Resistencia térmica por conducción. ]/[ WK°
convR Resistencia térmica por convección. ]/[ WK° ∗contR Resistencia de contacto específica.
Re Número de Reynolds.
SEPI ESIME CULHUACAN NOMENCLATURA
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES vii
S Paso. ][m
t Tiempo. ][s
T Temperatura. ][],[ CK °°
u Velocidad. ]/[ sm
U Energía Interna ]/[ 3mJ
V Volumen real. ]/[ 33 mm 0V Volumen teórico. ]/[ 33 mm
1x Distancia entre termosifones. ][m
X Parámetro de forma de banco de tubos. py Espacio inferior o superior entre aleta y superficie del precalentador. ][m
lZ Número de hileras.
Letras griegas α Coeficiente de exceso de aire. γ Coeficiente para el cálculo del coeficiente de convección.
δ Espesor. ][m
1δ Espesor en la base de aleta. ][m
2δ Espesor en el filo de la aleta. ][m
TΔ Diferencia de temperatura. ][],[ CK °°
maxTΔ Diferencia de temperatura máxima. ][],[ CK °°
minTΔ Diferencia de temperatura mínima. ][],[ CK °°
mlTΔ Diferencia de temperatura media logarítmica. ][],[ CK °°
RGΔ Ahorro de Gasto volumétrico de combustible. ]/[ 3 sm
calderaη Eficiencia de la caldera. [%]
λ Conductividad del fluido. ]/[ KmW °
Aμ Coeficiente de ensanchamiento de la aleta.
ν Viscosidad cinemática. ]/[ 2 sm ρ Densidad. ]/[ 3mkg SIMBOLO
NOMBRE
SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES
lρ Densidad de líquido. ]/[ 3mkg
SEPI ESIME CULHUACAN NOMENCLATURA
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES viii
nρ Densidad de vapor. ]/[ 3mkg
τ Contenido de humedad de combustible gaseoso. ]/[ 3mkg
σ Tensión superficial. ]/[ mN
lσ Paso longitudinal relativo.
tσ Paso normal relativo.
Aψ Coeficiente de aletado.
Eψ Coeficiente de corrección para el coeficiente de eficiencia de aleta.
ϕ thX .
ω Difusividad térmica. ]/[ 2 sm
Subíndices
SIMBOLO NOMBRE SIMBOLO NOMBRE
1 Interior. INT Intercambiador de calor.
2 Exterior. l Longitudinal.
a Aire. lam Laminar.
ga / Zona de aire o zona de gases. max Máxima.
ac Acero. min Mínima.
al Aluminio. ML Mínima libre.
amb Ambiente. o Ocupada.
A Aletas. p Pares.
cond Conducción. r Radial.
condens Condensación. s Salida.
cont Contacto. sup Superficial.
e Entrada. T Tubo.
ev Zona de evaporación. t Transversal.
ext Exterior. term Termosifón.
f Fluido. TOT Total.
g Gases producto de la combustión. caltTOT , Total termosifón
i Impares. tur Turbulento.
∞ Condiciones de corriente libre.
SEPI ESIME CULHUACAN NOMENCLATURA
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES ix
SEPI ESIME CULHUACAN RESUMEN
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES x
RESUMEN
El objetivo del presente trabajo es desarrollar precalentadores de aire, compuestos
de termosifones bimetálicos aletados, para aprovechar la energía contenida en los
gases de escape de calderas industriales. El proceso comprendió el desarrollo de
la metodología del diseño geométrico, térmico y económico de una línea de 14
precalentadores de aire para utilizarse en calderas industriales desde 10 CC hasta
800 CC , un ejemplo de aplicación para una caldera de 100 CC, y el desarrollo de
un programa de cómputo.
El procedimiento de la metodología del diseño geométrico, térmico y económico
del precalentador, considera las siguientes herramientas: geometría y
trigonometría para el diseño geométrico, las ecuaciones fundamentales de
transferencia de calor, balances de energía, modelos empíricos de coeficientes de
convección, mecánica de fluidos, propiedades físicas y químicas del aire, gases de
combustión, aluminio y acero inoxidable para el diseño térmico, y costos de
materiales utilizados en la fabricación de los precalentadores, para el diseño
económico.
El programa de cómputo se genero en el lenguaje de programación Visual Basic 6
y permite realizar el diseño geométrico, diseño térmico, y diseño económico de
una línea de 14 precalentadores de aire compactos, para utilizarse en calderas
industriales desde 10 CC hasta 800 CC, utilizando la metodología anteriormente
mencionada. Se incluye un ejemplo de cálculo geométrico, térmico y económico
de un precalentador de aire para una caldera industrial de 100 CC.
Mediante el empleo del programa de cómputo, fue posible obtener las diferentes
variables geométricas, térmicas y económicas para una línea de 14
configuraciones de precalentadores de aire, que satisfacen las condiciones de
operación de calderas industriales y el diseño de los precalentadores de aire
SEPI ESIME CULHUACAN RESUMEN
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES xi
compactos. También fue posible definir la relación existente entre las diferentes
temperaturas de entrada del aire y gases de combustión al precalentador y la
cantidad de calor transferido, temperaturas de salida del aire y gases de
combustión, coeficientes de transferencia de calor por convección, etc.
Se obtiene una disminución en la temperatura de salida de los gases de la
combustión en la caldera industrial con precalentador, lo que origina una mayor
eficiencia en la caldera, disminuyendo el gasto de combustible, por lo que crea un
ahorro económico y menor contaminación ambiental.
SEPI ESIME CULHUACAN ABSTRACT
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES xii
ABSTRACT
The objective of the present work is to develop precalentadores of air, made up of
boilers bimetallic aletados, to take advantage of the energy contained in the gases
of escape of industrial boilers. The process understood the development of the
methodology of the geometric, thermal and economic design of a line of 14
precalentadores of air to be used in industrial boilers from 10 DC up to 800 DC, an
application example for a boiler of 100 DC, and the development of a computation
program.
The procedure of the methodology of the geometric, thermal and economic design
of the precalentador, considers the following tools: geometry and trigonometry for
the geometric design, the fundamental equations of transfer of heat, energy
balances, empiric models of convection coefficients, mechanics of fluids, physical
and chemical properties of the air, combustion gases, aluminum and stainless steel
for the thermal design, and costs of materials used in the production of the
precalentadores, for the economic design.
The computation program you generates in the language of Visual programming
Basic 6 and he/she allows to carry out the geometric design, I design thermal, and
economic design of a line of 14 compact precalentadores of air, to be used in
industrial boilers from 10 DC up to 800 DC, using the previously mentioned
methodology. An example of geometric, thermal and economic calculation of a
precalentador of air is included for an industrial boiler of 100 DC.
By means of the employment of the computation program, it was possible to obtain
the different geometric, thermal and economic variables for a line of 14
configurations of precalentadores of air that you/they satisfy the conditions of
operation of industrial boilers and the design of the compact precalentadores of air.
It was also possible to define the existent relationship between the different
SEPI ESIME CULHUACAN ABSTRACT
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES xiii
temperatures of entrance of the air and combustion gases to the precalentador and
the quantity of transferred heat, temperatures of exit of the air and combustion
gases, coefficients of transfer of heat for convection, etc.
A decrease is obtained in the temperature of exit of the gases of the combustion in
the industrial boiler with precalentador, what originates a bigger efficiency in the
boiler, diminishing the expense of fuel, for what believes a saving economic and
smaller environmental contamination.
SEPI ESIME CULHUACAN INTRODUCCION
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES xiv
INTRODUCCION En la mayoría de empresas se expone que hay conciencia sobre el uso
eficiente de la energía y la disminución de contaminación ambiental, pero también
es frecuente que carezcan de tecnología, personal técnico o equipo para instalar
métodos de ahorro de energéticos y disminución de contaminación. El presente
trabajo tiene como objetivo el desarrollo de precalentadores de aire, compuestos
de termosifones bimetálicos aletados, para aprovechar la energía contenida en los
gases de escape de calderas industriales, ubicadas en la zona metropolitana del
Distrito Federal; donde la mayor cantidad es de 100 CC, son equipos con un alto
consumo de combustible, y sus elevados costos así como la problemática de la
contaminación ambiental, nos han llevado a buscar métodos que permiten el uso
racional y eficiente de la energía, cuya temperatura de los gases de escape son
mayores a 150°C. Para recuperar esta energía se utilizan precalentadores de calor
convencionales pero se tiene el inconveniente de que sus dimensiones son
extremadamente grandes. Para solucionar este problema se pueden desarrollar
precalentadores de aire en base de termosifones bimetálicos aletados para
aprovechar energía de gases de escape de calderas industriales altamente
eficientes, los cuales recuperan la energía de desecho de las calderas, se
recomienda utilizar combustible gaseosos, como el gas natural ya que disminuye
los óxidos de azufre en los productos de combustión. En la actualidad existe una
gran variedad de metodologías de cálculo y diseño de intercambiadores de calor
convencionales. Para el diseño de precalentadores de calor en base a
termosifones aletados bimetálicos, no existen estándares que sean del dominio
público. Este trabajo propone el procedimiento de cálculo de los intercambiadores
de calor en base a termosifones aletados con la finalidad de aprovechar al máximo
el calor contenido por los gases de la combustión en calderas industriales, para de
esta forma, incrementar su eficiencia y por consecuencia reducir el consumo de
combustible y sus emisiones contaminantes utilizando como combustible gas
natural.
El contenido del presente trabajo esta estructurado de la siguiente forma:
SEPI ESIME CULHUACAN INTRODUCCION
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES xv
En el capitulo uno se presentan las características de las calderas industriales tipo
tubos de humo, localizadas en la zona metropolitana del Distrito Federal, así como
las características de los diferentes combustibles mencionando ventajas y
desventajas. Por otra parte, se indica el procedimiento de calculo de la eficiencia
térmica de una caldera industrial y como se puede incrementar esta, con el uso de
precalentadores de aire convencionales y compactos, se indican algunos
antecedentes de los precalentadores de aire compuestos de termosifones, su
principio de operación, sus ventajas con respecto a los precalentadores de calor
convencionales y finalmente, la descripción de un termosifón y termosifón aletado,
describiendo la construcción de una línea de 14 precalentadores de aire en base
de termosifones para calderas industriales de 10 CC hasta 800 CC.
En el capítulo dos se muestra el desarrollo de la metodología de diseño de
precalentadores de aire compactos, la cuál incluye, tanto el diseño geométrico y
térmico, del precalentador. El conjunto de ecuaciones de transferencia de calor y
modelos matemáticos, los criterios de diseño y los factores a considerar
conforman la metodología.
La descripción del programa de cómputo, sus etapas de funcionamiento y su
diagrama de flujo, así como un manual de usuario del programa de cálculo.
En el capitulo 3, se muestra un ejemplo de calculo de parámetros geométricos y
térmicos de un precalentador de aire en base de termosifones aletados
bimetalicos para una caldera industrial de 100 CC
En el capítulo cuatro se presenta el diseño geométrico de una línea de 14
precalentadores de aire, para utilizarse en calderas industriales de 10 CC hasta
800 CC. Después se realiza un análisis de resultados geométricos y térmicos,
para la selección de la configuración óptima de tres precalentadores de aire, para
ser utilizado en una caldera industrial de 100 CC.
SEPI ESIME CULHUACAN INTRODUCCION
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES xvi
En el capitulo cinco se realiza el análisis económico para la selección de la
configuración óptima de tres precalentadores de aire, donde se determina el costo
del equipo, el ahorro de combustible y beneficio económico.
Finalmente, se presentan las conclusiones y recomendaciones del presente
trabajo.
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 1
En el capitulo uno se presentan las características de las calderas industriales tipo tubos de humo, localizadas en la zona metropolitana del Distrito Federal, así como las características de los diferentes combustibles mencionando ventajas y desventajas. Por otra parte, se indica el procedimiento de calculo de la eficiencia térmica de una caldera industrial y como se puede incrementar esta, con el uso de precalentadores de aire convencionales y compactos.
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 2
1 GENERALIDADES 1.1 Calderas tipo tubo de humo Las calderas son equipos tubulares calentados directamente y convierten la
energía del combustible en calor latente de vaporización, y son usadas en la
industria, el comercio y el hogar, son tan diversas en tamaño, capacidad y
prestaciones. Las calderas industriales existen en diseños distintos según las
prestaciones. Los procesos esenciales en una caldera son:
El ingreso de agua se hace por la válvula al cuerpo principal de la caldera, donde
se establece un nivel indicado por el tubo de nivel situado encima de la válvula. El
vapor producido se recoge en el domo de vapor, y sale regulado por la válvula.
Esta disposición es muy elemental y no resulta apropiada para producir cantidades
considerables de vapor, o con altas presiones y temperaturas.
Figura. 1.1 Caldera tipo tubos de humo [22].
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 3
En las calderas modernas se reemplaza el calentamiento directo del cuerpo
cilíndrico principal por calentamiento de tubos, con lo que se consigue mayor
superficie de intercambio de calor, lo que mejora el rendimiento del calentamiento.
En el diseño si los tubos están insertos en el cuerpo cilíndrico principal y el humo
circula por su interior, son llamadas calderas de tubos de humo o también de
tubos de fuego, como algunas calderas de locomotoras a vapor, el calentador
doméstico es un ejemplo, con uno o varios tubos de humo.
Si en el diseño el agua circula por el interior de los tubos, se denomina caldera de
tubos de agua.
Las calderas de tubos de humo pueden operar a presiones de hasta 1850 psig
(120 atm) pero por lo general suelen operar a presiones menores de 1000 psig
[7]. Se adaptan bien a los servicios de recuperación de calor a partir de corrientes
de gases a presión. Pueden manejar corrientes que ensucian mucho, ya que la
limpieza del lado interno de los tubos de humo se puede hacer sin mayores
dificultades, en tanto que la limpieza del lado externo de los tubos en las calderas
de tubos de agua siempre es problemática. Por lo general suelen ser más
económicas que las de tubos de agua considerando el costo por unidad de peso,
especialmente en las unidades de menor tamaño. La elección entre el tipo de
caldera de tubos de agua y de tubos de humo depende de la presión del vapor
generado, que a su vez depende del uso al que estará
destinado. Las calderas de tubos de humo se usan principalmente para generar
agua caliente o vapor saturado. Cuando el vapor tiene presiones que exceden las
600 a 700 psig (40 a 47 atmósferas manométricas) el espesor de los tubos de
humo es mucho mayor que el de los tubos de agua, por razones estructurales.
En los tipos de tubos de humo el tubo debe soportar una presión desde afuera
hacia dentro mientras que en los tubos de agua la presión actúa desde adentro
hacia fuera, lo que requiere menor espesor de pared.
En consecuencia, el costo de la caldera aumenta significativamente, y las calderas
de tubos de humo se hacen antieconómicas para servicios de alta presión.
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 4
1.1.1 Calderas del área metropolitana De acuerdo al estudio de mercado realizado `por la (SMA) en el área
metropolitana, a calderas, calentadores, y generadores de vapor, donde se indica
la capacidad en CC, la cantidad, y el tipo de combustible utilizado, se presenta la
siguiente tabla 1.1 Tabla 1.1 Número de calderas por capacidad registradas en la (SMA)
TIPO DE COMBUSTIBLES
TIPO CAPACIDAD CC CANTIDAD CANTIDAD
% GAS NATURAL
GAS L.P. DIESEL GASOLEO NR
≤ 10 33 7.45 25 8 12 3 0.68 3 15 10 2.26 1 6 3 16 5 1.13 1 4 18 2 0.45 2 20 10 4.29 11 8 21 1 0.23 1 25 2 0.45 2 29 1 0.23 1 30 17 3.84 1 5 11 33 8 1.81 5 3 35 1 0.23 1 37 1 0.23 1 40 43 9.71 4 13 26 47 1 0.23 1 48 2 0.45 1 1 50 10 2.26 3 6 1 60 43 9.71 3 13 26 1 64 1 0.23 1 69 1 0.23 1 70 1 0.23 1 80 14 3.16 3 9 2 90 5 1.13 4 1 95 1 0.23 1 100 66 14.9 11 10 40 5 110 1 0.23 1 120 1 0.23 1 125 11 2.48 1 2 6 2 135 1 0.23 1 142 1 0.23 1 149 1 0.23 1 150 25 5.64 3 6 14 2 153 3 0.68 3
*170 1 0.23 1 175 1 0.23 1 180 4 0.90 3 1 200 31 7.00 8 11 9 3 250 16 3.61 7 2 4 3
*263 1 0.23 1 275 1 0.23 1 300 19 4.29 7 4 8 350 2 0.45 2 377 1 0.23 1 400 5 1.13 1 1 3 500 7 1.58 3 2 1 1
CALDERAS CALENTADORES,
GENERADORES DE VAPOR,
INTERCAMBIADORES DE CALOR
502 1 0.23 1
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 5
600 8 1.81 2 3 3 700 4 0.90 4 800 1 0.23 1
1000 2 0.45 2 3854 1 0.23 1 5112 1 0.23 1 6390 1 0.23 1
TOTAL 443 100 78 135 206 23 1
* HORNOS Se observa en la tabla anterior que la mayor cantidad de calderas es igual a 66
para una capacidad de 100 CC, utilizando como combustible, 11 gas natural, 10
gas L.P, 40 diesel, y 5 asoleo.
1.1.2 Contaminantes El principal contaminante del combustible líquido es el azufre. No solo es un
contaminante muy perjudicial cuando se emite como anhídrido sulfuroso en los
gases de combustión, sino que perjudica el horno. El anhídrido sulfuroso es
convertido en la atmósfera en anhídrido sulfúrico, que es el principal causante de
la lluvia ácida, un fenómeno sumamente destructivo para la ecología.
En la actualidad se tiende a usar combustibles gaseosos por su menor cantidad de
impurezas. El gas natural se puede considerar integrado casi exclusivamente por
metano, que se quema totalmente para dar agua y anhídrido carbónico. Si se usa
un combustible liquido o impurificado con otros elementos se corre el peligro de
incluir cantidades significativas de sustancias contaminantes en los gases de la
chimenea.
Un contaminante muy peligroso que no forma parte del combustible sino que se
produce durante la combustión es el monóxido de carbono. En un horno bien
diseñado y correctamente operado se puede disminuir la emisión de monóxido de
carbono al mínimo, usando un exceso de aire con respecto a la cantidad teórica.
La reacción de oxidación del monóxido de carbono para dar dióxido de carbono se
ve favorecida por la presencia de una abundante cantidad de oxígeno, que se
obtiene mediante un exceso de aire.
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 6
Otros contaminantes riesgosos y prohibidos por muchas legislaciones ambientales
son los óxidos de nitrógeno, que producen ácido nítrico en la atmósfera. Los
óxidos de nitrógeno se suelen simbolizar con la fórmula química NOx donde x es
un real igual a 1, 1.5 o 2.5. La mayor parte de las leyes de protección ambiental
limitan las emisiones de monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno. En un horno
bien diseñado y operado pueden estar en niveles de 150 a 300 ppm en volumen
de CO y de 30 a 80 ppm en peso de NOx.
Algunas legislaciones prohíben la emisión de gases con un contenido de NOx
mayor de 9 ppm en volumen.
En la actualidad los hornos no se construyen con paredes de refractario. El típico
horno con paredes de refractario ha pasado a ser cosa que sólo se observa en
instalaciones muy grandes, pero la mayor parte de las calderas pequeñas y
medianas se construyen con paredes metálicas. En este tipo de horno las paredes
metálicas tienen una membrana fina también metálica soldada a una distancia
muy pequeña y por la parte interna de la chapa más gruesa que actúa como
respaldo y le da solidez estructural al conjunto. En el espacio que queda entre la
membrana y la chapa se hace circular agua, que se precalienta antes de entrar a
la caldera. De este modo se enfrían las paredes del horno, y se recupera el calor
que en las paredes revestidas con refractario lo atraviesa y se pierde en el
exterior. Un horno construido con paredes metálicas de membrana enfriada con
agua tiene todas las paredes, techo y piso revestidos con metal, es decir, no tiene
refractario. De este modo la expansión del conjunto es uniforme, y la llama queda
completamente incluida en una caja cerrada con una sola entrada y una sola
salida: la chimenea. Todo el conjunto es prácticamente hermético, cosa difícil o
imposible de lograr con el revestimiento refractario.
Este sistema además de ser más racional y aprovechar mejor el calor tiene otras
ventajas. El refractario tiende a deteriorarse con el tiempo. Por efecto de las
dilataciones y contracciones térmicas se quiebra, pierde capacidad aislante y se
debilita, de modo que periódicamente es necesario parar con el objeto de hacer
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 7
reparaciones, que no son baratas desde el punto de vista del costo de parada ni
del costo de reparación.
En cambio una pared metálica de membrana enfriada con agua no requiere
reparaciones ya que es prácticamente inalterable. Los arranques en frío son
mucho más rápidos debido a que no existe la inercia térmica del refractario. Por
otra parte, también tiene influencia en el nivel de emisiones contaminantes,
particularmente en el nivel de NOx. En un horno de gas natural, el exceso de aire
típico es del orden del 5 al 15% operando a presiones moderadas, del orden de 30
a 40 pulgadas de agua, y con alta recirculación de los humos. Esto permite
bajar considerablemente las emisiones de óxidos de nitrógeno y monóxido de
carbono. Pero la mayor parte de los óxidos de nitrógeno se forman en una zona de
la llama bastante cercana al quemador. Si el horno está revestido con refractario,
la irradiación que este produce levanta la temperatura de esa zona de la llama y
esto aumenta la proporción de óxidos de nitrógeno [7].
1.1.2.1 Combustión La combustión es una reacción de oxidación muy rápida que libera gran cantidad
de calor. Por lo general siempre ocurre a presión constante. La cantidad de
energía liberada es [12].
Q dU PdVδ = +
( ) ( )
2 1
si P=cte.
V 0 Q=
H U PV
dH d U PV dU d PV dU PdV VdP
dU PdV dH VdP Q dH VdP
dP dH
Q H H
δ
δ
= +
= + = + = + +
⇒ + = − ⇒ = −
= ∴
= −
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 8
Donde: 1H = entalpía de los elementos o sustancias antes de la reacción, y 2H =
entalpía de los elementos o sustancias después de la reacción. Llamando HΔ a la
diferencia de entalpías, 2 1H H HΔ = − Si 0HΔ < la reacción libera calor (es
exotérmica), si 0HΔ > la reacción consume calor, es endotérmica. La reacción
química de combustión completa de una sustancia genérica compuesta por
carbono e hidrógeno se puede representar por la siguiente ecuación [13].
2 2 24
4 2m nm n nC H O mCO H O+⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ → +⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ ⎠ ⎝ ⎠
Esta relación demuestra que un mol de metano requiere dos moles de oxígeno
para la combustión completa produciendo un mol de dióxido de carbono y dos
moles de vapor de agua, a menos que supongamos que los productos gaseosos
de la combustión se enfrían hasta la temperatura ambiente, en cuyo caso el agua
será líquida.
El oxígeno necesario para liberar el calor del combustible generalmente proviene
del aire y representa aproximadamente el 21% de la atmósfera normal, 79% de
gases inertes en su mayoría nitrógeno.
El concepto de combustión significa la oxidación del combustible con el aire, ya
sea oxígeno u otros oxidantes con desprendimiento considerable de calor. Para
diferencia de la combustión de otros fenómenos de oxidación debemos agregar
que durante la combustión esta se realiza extremadamente rápida y se caracteriza
por el mecanismo de reacción en cadena.
El objetivo de la combustión en la mayoría de los casos, es la obtención de
energía calorífica para su uso directo o indirecto en diferentes procesos. En
algunas ocasiones la combustión se puede utilizar para obtener gases residuales
con determinada composición.
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 9
El Calor de combustión o Poder calorífico de un combustible se denomina al calor
que produce la combustión de la unidad de masa del combustible al quemarse
totalmente. Normalmente los combustibles que se usan contienen hidrógeno, que
al quemarse produce agua. Si el agua producida está como vapor al medirse el
poder calorífico, se los denomina poder calorífico inferior: PCI (o en inglés LHV) y
si está como líquido se lo llama poder calorífico superior: PCS, o en inglés HHV.
Este último es mayor que el otro porque el vapor al condensarse entrega una
cantidad de calor dada por el calor latente de condensación, algo mas de 600
Kcal./Kg. En la gran mayoría de los casos de interés práctico las temperaturas son
tan altas que no se puede condensar vapor y se usa el poder calorífico inferior.
Damos una tabla con los calores de combustión de algunos combustibles usuales
[11]. Tabla 1.2 Poder calorífico inferior de combustibles
De acuerdo como se realice la combustión de un combustible para obtener gas
residual o productos de la combustión, podemos hablar de la combustión completa
o incompleta.
En la combustión completa, todo el carbono se transforma en dióxido de carbono,
y todo el hidrógeno forma agua, de tal manera que el gas residual o productos de
la combustión no debe contener ningún compuesto combustible.
En una combustión incompleta, el gas residual o productos de la combustión se
caracterizan por su contenido de monóxido de carbono, e hidrógeno, y en
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 10
ocasiones puede contener otros compuestos combustibles, sustancias del gas que
no reaccionan y productos parcialmente oxidados.
Económicamente lo ideal sería que los combustibles se quemaran con la cantidad
de aire que se requiere para una oxidación estequiométrica. Esto se conoce como
combustión teórica. Pero en la práctica no se puede lograr el contacto ideal entre
combustible y aire, por lo tanto para asegurar una combustión completa es
necesario quemar un exceso de aire, con respecto a la cantidad teórica necesaria.
Debido a que el exceso de aire utilizado para una combustión completa se
necesita calentar, en la realidad se trata de quemar con la mínima cantidad de
exceso de aire [5].
La determinación de la combustión completa o incompleta, la podemos definir con
ayuda del coeficiente de consumo de aire, el cual indica la relación del volumen de
aire utilizado para una combustión real con respecto al volumen teórico de aire.
Si el coeficiente es mayor que uno la combustión es completa, si el coeficiente es
igual a uno la combustión es teórica o estequiométrica y si el coeficiente es menor
que uno la combustión es incompleta.
La combustión incompleta presente la mayoría de los casos un inconveniente
debido a que represente una serie de pérdidas de calor en el combustible que sale
junto con los productos de la combustión sin haber sufrido una oxidación
completa. Se produce en monóxido de carbono que es un gas tóxico y en el caso
de los hidrocarburos se puede formar cenizas que son peligrosas [5].
1.1.2.2 Combustibles
Los combustibles usados pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos. El tipo de
combustible depende en gran medida del consumo y de la disponibilidad en el
lugar. También condicionan la elección las disposiciones estatales referentes a
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 11
niveles y calidades tolerables de contaminación emitida por los gases de
combustión.
Los combustibles sólidos naturales son los carbones, la leña y los residuos tales
como astillas de madera, cáscara de girasol, etc. Se puede intentar una
clasificación de los carbones, según el grado de mineralización alcanzada en el
proceso natural que genera el carbón, llamado carbonización. Se los suele
clasificar a grandes rasgos en cinco tipos. A pesar de ello es difícil establecer los
límites que separan una clase de otra, debido a que no es una clasificación
basada en una escala cuantitativa sino en propiedades más o menos difíciles de
precisar. Los cinco tipos son, de mayor a menor antigüedad: la turba, el lignito,
la hulla, la antracita y el grafito. Este último no se usa como combustible debido a
que tiene mas valor como material para la fabricación de electrodos y otros usos
diversos. La calidad (medida desde el punto de vista de su poder calorífico) de
estos tipos de carbón aumenta a medida que avanzamos en su antigüedad; así la
turba tiene un bajo poder calorífico (similar al de la madera), siendo mayor el del
lignito, y así sucesivamente. De todos los tipos de carbón natural se puede
obtener el coque o carbón artificial, que no es muy usado como combustible sino
en metalurgia del hierro [15].
Los combustibles líquidos se obtienen a partir del petróleo. Este es una mezcla de
muchos hidrocarburos cuya composición depende de su origen. Los procesos de
rectificación y refinación separan estos hidrocarburos en fracciones o cortes que
tienen nombres de uso cotidiano tales como nafta o gasolina, fuel oil, etc.
Las naftas por lo general no se usan como combustible industrial debido a su
costo. El gas oil es un corte de la destilación del petróleo situado por su curva de
puntos de ebullición entre el keroseno y los aceites lubricantes. Es un combustible
de mejor calidad que el fuel oil. Se denomina fuel oil a la fracción más liviana de
los cortes pesados situados en la cola de la destilación directa. Se trata de un
producto bastante viscoso, de baja calidad por su mayor contenido de azufre y
difícil de manejar debido a su elevada viscosidad.
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 12
Los combustibles gaseosos provienen casi exclusivamente de pozos naturales,
aunque en lugares ricos en carbón también se pueden obtener por gasificación de
la hulla. Este no es el caso de Argentina, que es un país rico en gas natural y
pobre en carbón. Su composición varía con el origen, pero siempre contiene los
hidrocarburos más livianos, nitrógeno, vapor de agua, muy poco azufre y trazas de
otros elementos. En lo sucesivo hablaremos del gas como sinónimo de gas de
pozo, es decir proveniente de yacimientos. El gas se suele clasificar en gas natural
y gas licuado de petróleo (GLP). También se clasifican en base al número de
Wobbe, que es un valor dimensional que se define como sigue [11].
aWo
c
N PCS ρρ
=
Donde: PCS = poder calorífico superior (calor de reacción de la combustión); aρ =
densidad del aire; cρ = densidad del combustible. El número de Wobbe depende de
las unidades usadas para PCS y tiene sus mismas unidades, dado que el cociente
de densidades es adimensional. Si PCS se expresa en MJ/m3 se obtienen los
siguientes valores.
. Para gas combustible sintético: 20 <oWN < 30.
. Para gas natural: 40 < oWN < 55.
. Para GLP: 75 < oWN < 90.
El gas natural es una mezcla gaseosa en condiciones normales de presión y
temperatura. No tiene olor ni color, y por lo general se encuentra en forma natural
mezclado con otros hidrocarburos fósiles. Al momento de su extracción el gas
natural contiene impurezas como agua, acido sulfhídrico, dióxido de carbono y
nitrógeno tienen que ser removidos antes en su transporte y comercialización.
El gas natural comercial está compuesto en un 95% o más de metano y el 5%
restante de una mezcla de etano, propano y otros componentes más pesados.
Como medida de seguridad en la regularización se estipula que los distribuidores
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 13
deberán adicionar un odorizante al gas natural para que se pueda percibir su
presencia en caso de posibles fugas durante su manejo y distribución.
Dentro de las ventajas de utilizar gas natural como combustible, tenemos las
siguientes:
Tiene combustión muy limpia, no emite cenizas ni partículas sólidas a la
atmósfera, genera una reducida emisión de óxidos de nitrógeno, monóxido de
carbono, bióxido de carbono y virtualmente no genera dióxidos de azufre.
Contribuye a abatir eficazmente el efecto invernadero.
El seguro de transportar, es más ligero que el aire, no es corrosivo, tiene un precio
competitivo comparado con el que otros combustibles, es abundante. Todas estas
características le dan una mayor ventaja respecto a otros combustibles fósiles
como el carbón y líquidos como el combustóleo [5].
1.1.3 Eficiencia Térmica de Calderas Tipo Tubo de Humos La eficiencia de combustible a vapor es una medida de la eficiencia total de la
caldera. Esta considera la eficiencia del intercambiador de calor así como las
pérdidas de convección y radiación. En la presente metodología se utiliza el
método de pérdidas de calor para el cálculo de la eficiencia total, que se prescribe
por el Código de Prueba de Potencia de ASME, PTC 4.1, con la ventaja, que para
fines prácticos, las pérdidas de calor existentes, se obtienen de tablas y/o gráficas
de fabricantes, a excepción de las pérdidas de los gases de combustión, ya que
son las únicas que se determinan, siendo éstas las mas representativas.
El método de cálculo de la eficiencia está basado en la consideración de todas las
pérdidas de calor de la caldera, es decir, consiste en restar del 100 por ciento, el
total en porcentaje de las pérdidas de calor por radiación y convección. El valor
resultante es la eficiencia de combustible a vapor de la caldera. Como primer paso
en la estimación de la eficiencia, es necesario determinar el poder calorífico del
combustible mediante la ecuación 1.1
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 14
[ ]∑+++= )()()()(01.0 2222 nmncmHCOSH HCHQHQCOQSHQPCI (1.1)
Donde:
∑ )( nmncm HCHQ Es la sumatoria del producto del PCI por el porcentaje del
hidrocarburo que compone al gas natural
)( 22SHQ SH , )(COQCO , )( 22 HQH Son los productos de los PCI por los porcentajes de
anhídrido sulfúrico, monóxido de carbono e hidrógeno respectivamente.
Posteriormente, el calor suministrado a la caldera se determina mediante la
siguiente ecuación:
ecombustiblacombsum QQQPCIQ −++= (1.2)
Donde:
aQ , combQ Son calores adicionales al aire y al fluido combustible respectivamente.
ecombustiblQ Es la cantidad de calor que trae el combustible.
El siguiente paso, es determinar las pérdidas de calor. Las pérdidas de calor 3q
pérdida de calor por combustión química incompleta, 4q pérdida mecánica de
calor y 5q pérdida de calor por convección y radiación se obtienen de las tablas
correspondientes, éstas dependen de la capacidad de la caldera. La pérdida de
calor por gases de escape 2q , se determina mediante la siguiente ecuación:
22
( ) friog a
sum sum
H HQqQ Q
α−= = (1.3)
Donde:
gH y fríoaH Son las entalpías de los gases producto de la combustión y del aire
respectivamente, ]/[ 3mKJ .
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 15
Y finalmente, la eficiencia de la caldera esta determinada por la siguiente
ecuación:
5432100 qqqqcaldera −−−−=η (1.4)
Al realizar el cálculo térmico y obtener la eficiencia de la caldera se observa que la
pérdida de calor más considerable es la debida a la existente en los gases de
combustión que escapan a la atmósfera, por lo que se justifica el empleo de un
precalentador de aire para incrementar la eficiencia térmica de la caldera [34].
1.2 Precalentadores de aire Un Precalentador de aire es un intercambiador de calor se puede describir, como
un equipo en el que dos corrientes a distintas temperaturas que fluyen sin
mezclarse con el objeto de enfriar una de ellas o calentar la otra o ambas cosas a
la vez. Al realizar un balance térmico en una caldera, se nota que la pérdida de
calor más considerable es la debida al existente en los gases de escape.
Para recuperar el calor pueden emplearse los precalentadores de aire. El
precalentador de aire sirve para reducir la temperatura de salida de los gases de
combustión transmitiendo su calor sensible, que se perdería, al aire que ha de
alimentar la combustión, que es obligado a atravesar el precalentador por medio
de un ventilador de tiro forzado. La disposición de las corrientes en el
intercambiador puede ser en contracorriente o corrientes opuestas. En cambio si
ambas corrientes tienen el mismo sentido se trata de corrientes paralelas o
equicorrientes de acuerdo a la siguiente figura [1.2].
Figura. 1.2 Tipos de corriente en un intercambiador [7].
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 16
También se presenta una situación en la que ambas corrientes se cruzan en
ángulo recto. En ese caso se habla de corrientes cruzadas o perpendiculares. Esta
disposición se da con mayor frecuencia en el intercambio de calor de gases con
líquido, como vemos a continuación.
Figura. 1.3 Corriente cruzada o perpendicular en un intercambiador [7].
El intercambiador de calor es uno de los equipos industriales más frecuentes.
Prácticamente no existe industria en la que no se encuentre un intercambiador de
calor, debido a que la operación de enfriamiento o calentamiento es inherente a
todo proceso que maneje energía en cualquiera de sus formas.
Existe mucha variación de diseños en los equipos de intercambio de calor. En
ciertas ramas de la industria se han desarrollado intercambiadores muy
especializados para ciertas aplicaciones puntuales.
En general, los intercambiadores de calor se pueden clasificar como
regeneradores (rotativo) o recuperadores (tipo tubular, placas). El término
regenerador, se aplica al tipo de intercambiador de calor de flujo periódico, ya que
este término ha sido aplicado durante mucho tiempo a las unidades de este tipo
empleadas para altos hornos y hornos de acero, mientras que el término
recuperador se aplica a unidades por las cuales el flujo es continuo [15].
1.2.1 Recuperativos tipo tubular En los calentadores de tipo tubular, los tubos se colocan verticalmente y se
mandrilan en las placas tubulares superior e inferior, para la mejor distribución del
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 17
aire, la anchura del calentador de aire se hace que corresponda con la del hogar,
la separación entre tubos viene a ser igual al diámetro de los mismos o algo
menos. Los gases calientes circulan por el interior de los tubos en sentido opuesto
al del aire. Los paneles, al menos en un lado del calentador, son desmontables de
modo que los tubos queden accesibles y puedan desmontarse. Se puede invertir
el flujo de los gases de combustión hacia el fondo del calentador donde se coloca
una tolva para hollín en la parte inferior del mismo.
En la dirección de los conductos de aire se colocan unas mamparas para que el
aire cambiara su dirección.
1.2.2 Recuperativos de placas Los calentadores de aire de placas se construyen de modo que el aire absorbe el
calor de los gases de combustión al ser lanzado a través del calentador a gran
velocidad y barriendo una placa cuya cara opuesta es recorrida por los gases de
combustión. La transmisión de calor, por tanto, se lleva a cabo por conducción.
En el calentador de placas el aire se inyecta por los pasos entre placas, por la
parte inferior y llega a la superior con varios cambios de dirección y atravesando
varias veces el calentador en dirección perpendicular a la corriente descendente
de los gases de combustión. Cada par de placas tiene bordes soldados para
hermeticidad y son fáciles de desmontar y limpiar. El barrido de los gases suele
hacer innecesarios los sopladores de hollín. Este tipo de calentador de aire ha
sido muy popular, pero se usan más los calentadores tubulares, porque son más
fáciles de montar y tienen un menor costo.
1.2.3 Regenerador rotativo Los calentadores de tipo regenerativo se basan en otro principio y tienen distinta
forma que los anteriores. Hay un rotor movido por un pequeño motor de 3 o 4
H.P. con engranaje de reducción, el rotor gira a tres revoluciones
aproximadamente por minuto y consume normalmente 1. 5 caballos de vapor.
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 18
Tiene un cojinete superior de guía y de empuje. El extremo inferior del árbol lleva
otro cojinete de guía, ambos cojinetes son de bolas y sumergidos en aceite. Se
tiene un sector por encima y por debajo del rotor que es fijo y separa las secciones
de humos y de aire. El rotor lleva varias empaquetaduras radiales que rozan
contra las placas de fondo y de techo e impiden la entrada de los gases de
combustión en el sector del aire. Éstos nuevos cierres han disminuido los escapes
de aire para la misma diferencia de presión entre las cámaras de gases de
combustión y aire en la mitad, de modo que las mismas condiciones de
funcionamiento las fugas de este calentador no son mayores llena que en los tipo
tubular y de placas.
Los elementos del rotor son planchas con grandes ondulaciones entre hojas
onduladas, siendo perpendiculares ambas ondulaciones. Este tipo de calentador
de aire se construye en la actualidad para instalaciones a muy baja temperatura.
El funcionamiento normal, es que los gases de combustión del hogar ascienden a
través de la parte del rotor a el destinada y calienta las placas, al girar el rotor esta
sección pasa a la zona de aire y entregue el calor almacenado al aire que hace de
refrigerante. Una comparación indica que un palmo de altura en el calentador
regenerativo equivaldría a 12 palmos en cualquiera de los otros dos tipos. Es
evidente que en las grandes instalaciones, donde el espacio es un factor de
importancia, se prefiere el calentador regenerativo. Puesto que los elementos del
rotor son calentados y enfriados continuamente, se puede trabajar con una
temperatura de 540 °C, mientras que en los calentadores el límite es de 430 a 450
°C [15].
El uso de estas construcciones de Precalentadores de aire tradicionales son muy
grandes y necesitan de un gran espacio por lo que no se usan en calderas
industriales, por lo cual se requiere una construcción mas compacta de
Precalentadores para este tipo de calderas.
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 19
1.3 Precalentadores de aire en base de termosifones Los intercambiadores de calor compuestos por termosifones inmediatamente
ofrecen la más grande ventaja en términos de reducción de tamaño. Sin embargo,
hay factores adicionales que alientan el uso de éstos intercambiadores de calor.
Algunos de éstos son:
No tienen partes en movimiento o requerimientos de energía adicional, lo que
implica muy alta confiabilidad.
Las corrientes de fluidos de alta y baja temperatura están completamente
separadas, eliminando la contaminación cruzada.
Se pueden diseñar para ser completamente reversibles, el calor se puede
transferir en ambas direcciones si se requiere.
El calor transferido se puede controlar ajustando el ángulo de inclinación.
El diseño es redundante. Si un termosifón falla, el intercambiador de calor sigue
aún operacional.
Los precalentadores de aire compactos compuestos de termosifones aletados,
cuentan con dos zonas, la zona inferior es llamada zona de ebullición, a través de
la cual, fluyen los gases calientes producto de la combustión de gas natural (flecha
negra); La zona superior es llamada zona de condensación, a través de la cual,
fluye el aire que se suministrara a la combustión (flecha blanca), como se observa
en la figura . Los gases calientes a temperaturas mayores de 423 °K (150 °C),
fluyen a través de la zona de ebullición, transfiriendo el calor desde dicha zona
hacia la zona de condensación a través de los tubos termosifones. El aire a
temperatura ambiente, fluye en sentido contrario a través de la zona de
condensación absorbiendo el calor disipado por los termosifones.
A la salida del intercambiador de calor, los gases producto de la combustión a
menor temperatura, son dirigidos por medio de tubería hacia la chimenea y
posteriormente al medio ambiente, mientras que el aire calentado se introduce al
interior de la cámara de combustión de la caldera. Una vez que se realiza la
combustión, los gases resultantes, fluyen a través de los pasos de la caldera
transfiriendo el calor contenido en los mismos, y fluyen hacia el exterior, pasando
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 20
por la parte de condensación del intercambiador de calor y posteriormente a la
chimenea, completándose así el ciclo abierto.
La eficiencia térmica tanto de turbinas de vapor como de turbinas de gas en
centrales eléctricas puede ser enormemente incrementada si el calor es extraído
de los gases calientes que abandonan la caldera de vapor o la turbina de gas y
añadido al aire siendo suministrado al horno o la cámara de combustión [3].
Figura 1.4 Precalentador de aire compacto de termosifones aletados [20].
1.3.1 Construcciones de precalentadores de aire con termosifón El precalentador de aire que se propone, básicamente consta con dos secciones.
A través de la sección inferior circulan los gases producto de la combustión,
mientras que, en la zona superior circula el aire de entrada a la caldera. Cabe
recordar que el tipo de flujo del precalentador de aire es en contra flujo. Los
Altura
Profundidad
Ancho
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 21
componentes principales del precalentador de aire son mostrados en la figura 1.5
y se describen a continuación.
Banco de tubos
Base Inferior y superior
Paredes laterales
Pared intermedia
Aislante
Acabado exterior
El banco de tubos del precalentador de aire consta de termosifones bimetálicos
aletados dispuestos en forma escalonada. El tubo interior es de acero al carbono
designación AISI 1040, el cuál, es un acero al carbono medio con menos de 1
% de manganeso, es fácil de maquinar y resistente a altas presiones. El tubo
exterior aletado es de aluminio, el cuál, tiene una alta conductividad comparado
con el acero, es poco denso con buena resistencia a la corrosión, lo que reduce el
peso total del precalentador de aire. El fluido de trabajo dentro del termosifón es
agua destilada con un volumen equivalente al 25 % del volumen interno del
termosifón. Los termosifones no cuentan con estructura capilar.
Las bases inferior y superior del precalentador de aire cuentan con orificios que
permiten un asentamiento total de los termosifones, lo que evita su movimiento
axial o normal. Son fabricadas de acero AISI 1117, cuya presencia de azufre
mejora su maquinabilidad.
Las paredes laterales, frontal y posterior son de acero AISI 1117, son
relativamente fácil de maquinar y resistentes a impactos. La pared intermedia que
separa las zonas superior (aire) e inferior (gases) es de aluminio y cuenta con orificios y ranuras que permiten el montaje de los termosifones, como si se
insertara un tornillo. Debido a la alta ductilidad del aluminio, se presenta una
pequeña deformación, lo que facilita colocar los tubos en su posición correcta.
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 22
Con la finalidad de evitar las pérdidas de calor a través de las paredes del
precalentador de aire, éstas se recubren de una colchoneta aislante RW 4300 con
recubrimiento de mallas metálicas, cuya temperatura de servicio es de 508
°K (235 °C). Además del aislamiento, se coloca un recubrimiento de aluminio para
darle una apariencia adecuada.
Figura 1.5 Componentes del precalentador de aire [3].
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 23
1.3.2 Termosifones El termosifón cerrado es un recipiente asistido por gravedad (Ver figura 1.6). La
sección del condensador esta localizada por encima del evaporador, de manera
que el condensado es regresado por gravedad.
El calor es suministrado en la sección del evaporador, donde se encuentra el
líquido saturado, transformando al fluido de trabajo en vapor. El vapor asciende,
por la existencia de una diferencia de presión existente y se conduce a lo largo de
la sección adiabática, hacia la sección del condensador, en donde, el vapor se
condensa, entrega su calor latente y regresa al evaporador en forma de una
película de líquido descendiente, debido al efecto de la fuerza de gravedad. El
ciclo se repite continuamente mientras la fuente de calor permanezca constante.
La operación del termosifón es sensible al volumen ocupado del fluido de trabajo.
Para termosifones sin estructura capilar, se ha demostrado experimentalmente
que el flujo máximo de transferencia de calor se incrementa con la cantidad de
fluido de trabajo por encima de un cierto valor. Algunas veces se incluye una
estructura capilar en el diseño de termosifones para evitar la inundación y mejorar
el contacto entre la pared y el líquido.
Figura 1.6. Termosifón cerrado de dos fases [56].
Calor de salida
Flujo de vapor
Flujo de líquido
Recipiente
Calor de entrada
Sección del condensador
GravedadSección adiabática
Sección del evaporador
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 24
1.3.2.1 Termosifón Aletado Estos termosifones, los cuáles, se emplearán para el diseño del precalentador de
aire, tienen las siguientes características:
Operan con agua como fluido de trabajo con un 25 % de su volumen interior, lo
que permite una excelente operación en rangos de temperatura de 30 °C hasta
235 °C, se conforman de tubos bimetálicos. La parte interna del tubo bimetálico es
hecha de acero, cuyo grosor soporta presiones internas hasta 70 atm (7.1 2/ mMN ) y temperaturas del metal hasta 300 C° . La parte externa del tubo
bimetálico es hecha del aluminio, el tubo de aluminio cuenta con aletas redondas
transversales con el objetivo de aumentar la superficie de transferencia de calor.
Los termosifones tienen una capacidad de transferencia de calor de (0.7 - 1) KW
[20]. En el proceso de manufactura del tubo bimetálico aletado se obtuvo un
excelente contacto mecánico entre los tubos de acero y de aluminio, con un
resistencia específica de contacto de 4105.2 −X [45], [50].
Figura 1.7. Termosifón aletado en un intercambiador de calor del tipo gas-gas. 1. Tubo de acero; 2. Tubo aletado de aluminio; 3. Zona de ebullición; 4. Zona de transporte; 5. Zona
de condensación; 6. Extremo para llenado del termosifón [20].
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 25
1.3.3 Calderas tipo tubo de Humo con precalentador de aire en base de termosifones bimetálicos Las calderas son de construcción horizontal de tubos de humo, con tubos y
desviadores tan bien dispuestos e instalados que los productos de combustión
deben pasar a lo largo de la caldera cuatro veces antes de la descarga. El diseño
de cuatro pasos (figura 1.8), proporciona velocidades de gases altas y bajas
temperaturas en chimenea para garantizar la máxima eficiencia.
La figura muestra como los gases son obligados para fluir por los cuatro pasos en
el orden indicado. El aire de combustión entra al quemador a través del Apagador
Ajustable. El ventilador lo fuerza por aperturas hasta el difusor dentro de la cámara
de combustión la cual constituye el Paso (1). Desviadores en (A) permiten a los
gases pasar al frente de la caldera sólo por el Paso (2); aquí el plato (B) permite a
los gases viajar al reverso de la caldera por el Paso (3). Desde el cabezal posterior
los gases son forzados a través del Paso (4) a la chimenea.
La combustión es iniciada y completada en el tubo de humo principal o cámara de
combustión. Un ventilador centrífugo fuerza a los gases de combustión a viajar
cada vez más hacia arriba a través de los sucesivos pasos a la chimenea. La
cantidad de aire de combustión es controlada de inmediato por un motor. Este
mismo motor, por medio de un disco de leva, controla la válvula de gas la cuál
mide el combustible para ajustar la carga demandada. El combustible y el aire son
de esta forma suministrados para la combustión más eficiente en todas las cargas.
El diseño de la caldera permite un acceso completo a los tubos de la caldera y
horno para la facilidad de mantenimiento. La superficie de calefacción de la
caldera es de /kWm 0.047 2 [22]. La buena localización del horno por debajo del
nivel de agua permite la apropiada circulación. El horno por debajo proporciona el
margen de seguridad adicional entre el horno y nivel de agua
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 26
Diseños de quemadores avanzados proporcionan máximas eficiencias de
combustión. Además, la caldera cuenta con quemadores de gas multipuertos
altamente radiantes diseñados para altas velocidades de gases y una mezcla
completa de combustible / aire, obteniendo una eficiencia de combustión máxima.
Los quemadores están disponibles para el quemado de gas natural [40].
Figura 1.8. Vista en corte de caldera [22]
(4)
(3)
(A)
(1)
(2)
(B)
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 27
Para el diseño de la instalación del precalentador de aire, es necesario conocer las
dimensiones de la caldera, las cuales, se muestran en la figura 1.10. Los factores
a considerar para la ubicación del precalentador son:
No limitar o impedir las labores de mantenimiento
No limitar la actividad cotidiana de operación
Evitar el empleo de codos y accesorios que aumenten la caída de presión
Al evaluar estos factores, se diseña la instalación que se muestra en la vista lateral
de la figura 1.9, donde se puede observar que el precalentador de aire esta
colocado con una inclinación de 30° con respecto a la horizontal, con la finalidad
de reducir las pérdidas aerodinámicas.
La instalación cuenta con 2 soportes de ángulo estructural de ¾ como se muestra
en la figura 1.10. La instalación de la entrada de aire esta compuesta básicamente
por 3 ductos. El primer tubo (8), es un tubo de acero de sección circular a la
entrada y sección rectangular a la salida. Este tubo es fijado al precalentador
mediante 8 tornillos de ½” de diámetro. Entre las juntas de cada ensamble, existe
un empaque que evita la entrada de aire frío al interior de la tubería. El segundo
tubo (5), también es fijado al precalentador de aire y las secciones transversales a
la entrada y salida son rectangulares y variables. El tercer tubo es de sección
transversal rectangular y uniforme, éste permite transportar el aire calentado hasta
el impulsor del ventilador para después introducirlo a la cámara de combustión.
La instalación a la salida de los gases de escape cuenta con 2 ductos. El primero
(6) esta fijado a la base del tubo de chimenea de la caldera por el extremo de
entrada, mientras que, a la salida esta fijado al precalentador de aire, es de
sección circular a la entrada y rectangular a la salida, como se muestra en la figura
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 28
1.10. Las dimensiones del segundo tubo (10) son iguales a la del tubo (6), y la
salida de los gases son guiados de forma vertical hacia el tubo de la chimenea
(11), los gases enfriados se descargan a través de este tubo hacia el medio
ambiente.
Figura 1.9 Instalación del precalentador de aire en la caldera [3].
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 29
Figura 1.10 Componentes de la instalación del precalentador de aire [3].
CAPITULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 30
Los ductos son de acero galvanizado comercial calibre 20 y además, con la
finalidad de reducir las pérdidas de calor y evitar temperaturas superficiales altas,
que son peligrosas para los operadores, los ductos de aire (1) y (3), así como, el
ducto de gases (6), están recubiertos por un aislante térmico en forma de rollo con
recubrimiento de aluminio reforzado con hilos de fibra de vidrio, lo que le da un
acabado superficial adecuado. La temperatura de servicio del aislante es de 443 K
(170 °C) [3].
Como se menciono anteriormente, la instalación del precalentador de aire esta
dispuesta de tal forma que permite el acceso al interior de la caldera con sólo
desacoplar el tubo de aire (1) y (3).
En los siguientes capítulos se desarrolla una metodología de cálculo y diseño
geométrico, térmico y económico de una línea de 14 precalentadores de aire en
base de termosifones bimetalitos, para utilizarse en calderas industriales desde 15
CC hasta 800 CC.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 31
En el capítulo dos se muestra el desarrollo de la metodología de diseño de precalentadores de
aire, la cuál incluye, tanto el diseño geométrico, térmico, y económico del precalentador. El conjunto de ecuaciones de transferencia de calor, los criterios de diseño y los factores a
considerar conforman la metodología. La descripción del programa de cómputo, sus etapas de funcionamiento y su diagrama de
flujo, así como un manual de usuario del programa de cálculo.
En el capítulo dos se muestra el desarrollo de la metodología de diseño de precalentadores de aire, la cuál incluye, tanto el diseño geométrico y térmico del precalentador de aire. El conjunto de ecuaciones de transferencia de calor, los criterios de diseño y los factores a considerar que conforman la metodología. La descripción del programa de cómputo, sus etapas de funcionamiento y su diagrama de flujo, así como un manual de usuario del programa de cálculo.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 32
2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DEL CALCULO GEOMETRICO Y TERMICO. 2.1 Metodología del cálculo geométrico de los Precalentadores de Aire en base de Termosifones Bimetalitos
El dimensionamiento del precalentador de aire consiste en determinar los pasos
longitudinal y transversal, el número de hileras, número de termosifones por
hileras, número de aletas, superficies de transferencia de calor, etc. A
continuación, se presenta la secuencia de cálculo.
Los criterios que se tienen en la presente metodología del cálculo de los
Precalentadores de aire en base de Termosifones Bimetalicos son:
Arreglo escalonado. La presente metodología sólo considera el tipo de arreglo
escalonado.
Distancia entre termosifones. La distancia entre termosifones es de 4 mm, que es
la distancia mínima posible que considera el montaje de los termosifones.
Dimensiones del termosifón. A excepción de su longitud (altura de zona), las
dimensiones de los termosifones permanecen constantes en cualquier diseño.
Número de termosifones en 1ra y última hilera. El número de termosifones de la 1ra
hilera deberá ser igual al número de termosifones de la última hilera.
La altura de zonas. La altura de la zona de aire equivale al 49 % de la altura del
precalentador, el otro 51 % equivale a la zona de gases. Esto con la finalidad de
tener una velocidad aproximada entre ambas zonas.
El ancho del Precalentador es igual a la altura en la zona de los gases.
Los parámetros para el cálculo geométrico son:
Cálculo de las dimensiones del precalentador.
1. Paso normal.
2. Paso longitudinal.
3. Anchuras.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 33
4. Profundidades.
5. Número total de termosifones.
6. Espacio inferior o superior entre aleta y superficie del
intercambiador de calor.
7. Número real de aletas.
Cálculo del área mínima libre.
8. Área transversal.
9. Área transversal ocupada por las aletas.
10. Área transversal ocupada por el tubo.
11. Área máxima ocupada.
12. Área mínima libre.
Cálculo de área total de transferência de calor.
13. Area exterior de aletas en ambas zonas.
14. Area exterior del tubo en ambas zonas.
15. Área total de transferencia de calor en ambas zona.
Cálculo de área total de transferencia de calor del precalentador.
Cálculo de área de contacto.
Cálculo de área interna del termosifón.
Cabe señalar que la metodología de cálculo es la misma para ambas zonas. Dicho
lo anterior, es necesario determinar el paso normal, por lo que se emplea la
siguiente ecuación.
12 xrSt += (2.1)
Donde:
iS = Paso normal
r = Radio exterior de aleta
1x = Distancia entre termosifones
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 34
Si se traza un triangulo equilátero con el paso transversal, y mediante
trigonometría aplicar la ecuación para obtener el paso longitudinal se tiene:
2
12
1 )2/()( SSSl −= (2.2)
Donde:
lS = Paso longitudinal
Mediante el empleo de las ecuaciones 2.3 y 2.4, se obtienen las anchuras y
profundidades respectivamente. Para esto, se debe proponer un determinado
número de termosifones en la 1ra hilera y un determinado número de hileras.
)(2)(2)1( 1xrNSa Ait ++−= (2.3)
)(2)(2)1( 1xrZSc All ++−= (2.4)
También es posible determinar el número total de termosifones, para el
precalentador propuesto, mediante el empleo de la ecuación 2.5
)()( ,, iilppl NZNZN += (2.5)
Donde:
piZ , y ilZ , - Número de hileras pares e impares respectivamente
pN y iN - Numero de termosifones en hileras pares e impares respectivamente
Si se propone la altura para ambas zonas (aire y gases), es necesario dividir esta
longitud entre el paso de la aleta, para determinar el número de aletas por tubo en
una de las zonas a analizar.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 35
A
pA S
bN = (2.6)
Sin embargo, es necesario considerar tanto el espacio ocupado por las aletas
como los dos espacios superior e inferior.
2)2/(2))(2(/ AA
pAgap SNb
yδ+−−
= (2.7)
Donde:
pAN - Número de aletas sin considerar espacios laterales
AS - Paso entre aletas
Aδ - Espesor de aleta
gab / - Altura zona de aire o gases según sea el caso
py - espacio inferior o superior entre aleta y superficie del intercambiador de calor
Pero el número real de aletas que considera los dos espacios superior e inferior
es:
1−= pAA NN (2.8)
Debido a que se tienen diferentes superficies de transferencia de calor tanto en la
zona de aire como en la zona de gases, así como también, del interior y el exterior
de cada termosifón, se procede a determinar dichas áreas. El área transversal
tanto en la zona de gases como en la zona de aire tA , es el área total delimitada
por las paredes del precalentador de aire y se calcula mediante la ecuación 2.9
))(( baAt = (2.9)
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 36
También es necesario conocer el área transversal ocupada por las aletas tAA y el
área transversal ocupada por el tubo tTA , con la finalidad de posteriormente
determinar el área mínima libre, mediante las ecuaciones 2.10 y 2.11
respectivamente.
))(2
)(2( AttAdDNA δ−
= (2.10)
)(LDAtT = (2.11)
El área máxima ocupada es el área total transversal ocupada por la cantidad de
termosifones en la 1ra hilera:
itTtAo NAAA )(max, += (2.12)
El área mínima libre, es el área total transversal de la hilera con más termosifones,
normal al flujo de aire o gases, que no esta ocupada por los mismos en el
precalentador de aire y se determina como sigue:
otML AAA max,−= (2.13)
Por otra parte, el área total de transferencia de calor de las aletas y el área total de
transferencia de calor de los tubos en la zona de gases o aire se determinan
mediante las ecuaciones 2.14 y 2.15 respectivamente:
NNDdDA AAA⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+
−= )(
2)( 22
δπ (2.14)
( )[ ]NyNSdA pAAAT )(2)1)(( +−−= δπ (2.15)
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 37
El área total de transferencia de calor en la zona de aire o en la zona de gases
que no es más que la superficie externa de todos los termosifones en alguna de
las zonas antes mencionadas se determina por:
TAgTOT AAA +=, (2.16)
Cuando se tienen tubos bimetálicos, se presenta un tipo de pérdida llamada
pérdida de calor por contacto o resistencia térmica de contacto, el área de
contacto entre los dos tubos, se calcula mediante la siguiente ecuación:
NLDA evcontcont )(π= (2.17)
Las áreas promedio del acero y aluminio para la resistencia térmica por
conducción son calculadas con la ecuación 2.17 con la diferencia de sustituir el
diámetro promedio del acero o aluminio según el caso, sin embargo, por facilidad
de cálculo se considera que evcondevcondevcont AAA )()()( . == . Por otra parte, es
necesario determinar el área interna del termosifón en cada zona para poder
determinar la pérdida de calor dentro del mismo en la zona a analizar, por esto se
tiene:
)()()( //int, NLDA condevtermcondevterm π= (2.18)
Finalmente, el área total de transferencia de calor del precalentador de aire que
incluye tanto el área de la zona de aire como el área de la zona de gases es:
aTOTgTOTINT AAA ,, += (2.19)
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 38
2.2 Metodología del cálculo Térmico de los Precalentadores de Aire en base de Termosifones Bimetalitos Los criterios que se tienen en la presente metodología del cálculo térmico de los
precalentadores de aire son:
Condiciones promedio. El diseño del precalentador se basa en condiciones
promedio para un termosifón.
Dimensiones del termosifón. A excepción de su longitud (altura de zona), las
dimensiones de los termosifones permanecen constantes en cualquier diseño.
Velocidad del flujo en zona de gases. La velocidad que se obtenga en la zona de
gases, deberá estar en un rango de entre (7 – 12) m/s.
Temperatura de gases a la salida. La temperatura de los gases a la salida del
precalentador se establece sea de 383 °K (110 °C), para evitar el punto de rocío
de los gases de combustión, de esta forma, se evitan futuros problemas en el
funcionamiento del precalentador de aire.
La Metodología del diseño Térmico es la siguiente:
1. Obtención de parámetros iniciales
Obtención de las características de los flujos (aire y gases de
combustión) y composición química del combustible.
Selección del termosifón que se empleará para la conformación del
precalentador de aire.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 39
2. Determinación de la temperatura del aire y los gases a la salida del
precalentador.
Cálculo del flujo másico y cantidad de calor transferido en la zona de
gases.
Cálculo del flujo másico y cantidad de calor transferido en la zona de
aire.
3. Determinación de las características del precalentador de aire.
Cálculo de los volúmenes y entalpías del aire y gases producto de la
combustión.
Dimensionamiento de precalentador de aire.
Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección en
ambas zonas (zonas de gases y aire).
Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección en
ebullición.
Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección en
condensación.
Cálculo de la resistencia térmica total.
Cálculo de la diferencia de temperaturas media logarítmico.
Cálculo del calor transferido por el intercambiador (primera
iteración).
En el diseño de precalentadores de aire, es necesario conocer las condiciones a
las que será sometido, es decir, las características de los flujos de la caldera, a la
cuál, se desea diseñar el precalentador de aire, la composición química del
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 40
combustible que utiliza la caldera, así como, las características del termosifón que
se adapte a las condiciones de operación. La información que se tenga sobre las
características de operación, materiales, etc., delimitará las características del
precalentador de aire. Por lo anterior, los “datos de entrada” son la base e inicio en
el diseño de los mismos.
Antes de realizar los cálculos necesarios para el diseño, se procede a obtener las
características de los flujos de combustión, por lo que, es necesario tomar la
lectura directa de los termómetros y manómetros propios de la caldera para la que
se diseñará el precalentador. Durante la toma de lecturas, se debe tener en cuenta
lo siguiente:
La carga de operación de la caldera deberá ser del 100 %
La lectura de la columna del nivel de agua deberá permanecer constante para
garantizar una generación de vapor estable.
Condiciones de combustión estables.
Los parámetros de la caldera que son importantes en el diseño del precalentador
de aire son:
Temperatura de aire para la combustión (Cuarto de calderas)
Temperatura de gases producto de la combustión (en chimenea)
El consumo de combustible
Composición química del combustible
Coeficiente de exceso de aire
Estos parámetros representan las condiciones limites a las cuáles estará operando
el precalentador de aire. Además de ellos, es necesario conocer la composición
química del combustible.
Debido a que la composición química de los combustibles varía de distribuidor en
distribuidor, se requiere definirla para determinar el volumen teórico del aire y el
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 41
volumen real del gas, ya que, éstos a su vez se utilizaran para determinar las
velocidades en las zonas de aire y gases de combustión del precalentador.
Para el Cálculo del Flujo Másico y Calor Transferido en la Zona de Gases.
Como se conocen las 2 temperaturas de entrada del aire y gases, y se suponen
las 2 temperaturas de salida se calcula la temperatura promedio de los gases, que
se empleara en cálculos posteriores, se determina mediante la ecuación 2.20
( )
2,, sgeg
g
TTT
+= (2.20)
Es necesario conocer el flujo másico en la zona de gases, por lo que se emplea la
ecuación 2.21
( 273)273
gg gg
G V Tm
ρ∗ ⋅ ⋅ ⋅ += (2.21)
Posteriormente se determina la cantidad de calor a transferir en la zona de gases
mediante la ecuación 2.22, [2].
)( ,,, sgeggpg TTcmQ −⋅=∗
(2.22)
Cálculo del Flujo Másico y Calor Transferido en la Zona de Aire.
Para la zona de aire es posible determinar la temperatura promedio del aire
mediante la ecuación 2.23
( )2
,, saeaa
TTT
+= (2.23)
Para determinar el flujo másico en la zona de aire se emplea la ecuación 2.24
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 42
0 ( 273)273
aa aa
G V Tm α ρ∗ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ += (2.24)
Y la cantidad de calor a transferir en la zona de aire mediante la ecuación 2.25
)( ,,, easaapa TTcmQ −⋅=∗
(2.25)
El diseño térmico del precalentador implica conocer todas sus características
térmicas de los fluidos, velocidades, superficies de transferencia de calor,
coeficientes de transferencia de calor en sus diferentes zonas, calor total
transferido, etc.
Para el cálculo del Coeficiente de Transferencia de Calor por Convección, el
procedimiento es determinar el coeficiente de convección relativo correspondiente
a la parte externa del banco de tubos se desarrolla de la siguiente forma:
Determinación del coeficiente de convección.
1. Cálculo de la velocidad de los gases
Flujo volumétrico
Velocidad de los gases
2. Cálculo del coeficiente γ
Coeficiente zC
Coeficiente de aletado Aψ
Parámetro de forma X
thX
Coeficiente γ
3. Parámetro de forma qC
4. Coeficiente de convección
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 43
Determinación del coeficiente de convección relativo
5. Cálculo de coeficiente de eficiencia de la aleta E
Altura relativa de la aleta ´Al
Parámetro M
Coeficiente de eficiencia de la aleta E
6. Coeficiente Aμ ,
7. Coeficiente de corrección para el coeficiente de eficiencia Eψ
8. Coeficiente de convección relativo
Como se observa en la secuencia anterior, primero se determina el flujo
volumétrico de los gases:
.273
g gg
G V TQ
⋅= (2.26)
Y debido a que el coeficiente de convección depende de la velocidad y las
propiedades físicas del flujo de gases así como de las características geométricas
del banco de tubos. La velocidad de los gases gu , se calcula con la ecuación 2.27.
gg
ML
Qu
A= (2.27)
Para determinar el coeficiente γ , primero es necesario determinar el coeficiente
zC que contempla la influencia que tiene en la transferencia de calor el número de
filas de tubos lN , para los bancos de tubos con arreglo en línea para cualquier
relación lt σσ / y 82 <≤ lz se determina por la expresión: 72.25.3 03.0 −= lz zC , para
los bancos de tubos con arreglo en cuadro girado y considerando las relaciones
2/ <lt σσ y 8<lz se determina por la expresión: 5.215.3 05.0 −= lz zC , cuando 8≥lz ,
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 44
se tiene que 1=zC , [1]. Además, el coeficiente de aletado para aletas circulares
resulta de:
( )A
AA
AA S
DdDSd
δδψ −+⋅⋅+−⋅⋅⋅
= 122
1 22 (2.28)
Donde:
Aδ = Espesor de aleta
AS = Paso entre aletas
El parámetro de forma del banco de tubos X , que interviene en la ecuación (2.31)
se determina para los bancos de tubos con arreglo escalonado usando la siguiente
ecuación:
226.1−−=
Al
tXψσ
σ (2.29)
Donde t
tt d
S=σ , es el paso normal relativo y
l
ll d
S=σ , es el paso longitudinal
relativo.
La tangente hiperbólica de éste parámetro es:
11
2
2
+−
== −
−
X
X
eethXϕ (2.30)
El coeficiente γ que se emplea en la ecuación 2.33 se determina mediante la
ecuación 2.31
AthX ψγ 005.008.07.0 ++= (2.31)
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 45
El parámetro de forma qC que contempla al parámetro de forma X y al coeficiente
de aletado Aψ se determina por la ecuación 2.32
( ) ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
+⋅−= 014.0
81,136.1
Aq thXC
ψ (2.32)
El coeficiente de convección para los bancos de tubos, con arreglos en línea y
escalonados, con aletas circulares, cuadradas y helicoidales para toda la
superficie de intercambio del lado de gases se obtiene de la siguiente ecuación [1].
33,0Pr13.1 gg
ggqz
gconv
dudk
CCh ⋅⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⋅⋅⋅⋅⋅=
γ
ν (2.33)
Por otro lado, el parámetro M depende del coeficiente de convección de los
gases, coeficiente de conductividad de la aleta y el espesor de la misma como se
observa en la ecuación 2.34
AA
gasconv
khM⋅
=δ2 (2.34)
La altura relativa de la aleta ´Al se determina mediante el empleo de la siguiente
relación:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++=
dD
dDll AA ln054.0191.01´ (2.35)
Para aletas helicoidales y circulares, el coeficiente de eficiencia de la aleta E
depende de los parámetros M y ´Al , para 2´ ≤AMl y 3/ ≤dD se calcula mediante
la siguiente ecuación [25]:
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 46
( )´2
2
´
´ 111
´
´
AMl
Ml
A
A
Mlee
MlMlthE
A
A
⋅⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+
−== (2.36)
Para el caso de aletas de sección transversal constante, el coeficiente Aμ , que
contempla el ensanchamiento a la base, será 1=Aμ , como es el caso del tipo de
aletas que adopta la presente metodología. El coeficiente de corrección para el
coeficiente de eficiencia de la aleta E , que contempla las irregularidades en la
misma se calcula con la ecuación 2.37.
( )[ ]1´211016.01 −+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −−= AE Mlth
dDψ (2.37)
Finalmente, el coeficiente de convección relativo de la superficie externa para una
superficie limpia se calcula usando [1]:
gconv
TOT
gt
EATOT
gAg
rel hAAE
AAh ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅⋅⋅= ψμ1 (2.38)
Donde:
E = Coeficiente de eficiencia de aleta
Aμ = Coeficiente de ensanchamiento de aleta
Eψ = Coeficiente de corrección para el coeficiente de eficiencia de aleta
Este coeficiente es el que directamente se sustituirá más adelante para determinar
las pérdidas por convección en la parte exterior de los termosifones.
Para el cálculo del Coeficiente de Transferencia de Calor por Convección en
Ebullición, en el caso en que se tenga una cantidad de medio de trabajo del 20-50
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 47
% del volumen interno del termosifón, con presión de trabajo de (0.01-1.5) MPa ,
una densidad de flujo de calor de (0.6-110)x104 2/ mW , una longitud de zona de
evaporación (0.25-0.7) m , el diámetro interno del tubo (0.006-0.024) m , el ángulo
entre el eje horizontal y el eje del termosifón entre (5-90º), es posible calcular *l
(es un parámetro adimensional que relaciona tanto la tensión superficial, coma la
diferencia de densidades del fluido de trabajo), como se muestra a continuación
[57]:
5.0
* ( ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=ng
lρρ
σ (2.39)
El coeficiente pk que relaciona a la presión de saturación, con la diferencia de
peso específico del vapor y la tensión superficial a la temperatura de saturación
correspondiente se determina por la siguiente ecuación:
( )( ) 5.0))(( n
satp g
Pkρρσ −
= (2.40)
Y finalmente, se obtiene el coeficiente de transferencia de calor por convección en
ebullición:
( ) 17.0*
54.035.0
5.0
**
)/(Pr*)(
0123.0 ldklql
h pn
eb ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
νρτλ (2.41)
Cálculo del Coeficiente de Transferencia de Calor por Convección en
Condensación.
A parte de la evaporación o ebullición, la condensación es el principal proceso
para termosifones bifásicos. Por consiguiente, los números de Nusselt en zona
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 48
laminar y turbulenta así como el coeficiente f se determinan con las ecuaciones
2.42, 2.43 y 2.44 respectivamente [58].
33.0(Re)925.0 −=lamNu (2.42)
33.0(Re)021.0=turNu (2.43)
( )( )3.3/63.0115.1
crs PPf
−= (2.44)
Y para el número de Nusselt promedio se recomienda la ecuación universal 2.45
para cálculos prácticos
( ) ( )[ ] 5.022turlamcondens NufNuNu += (2.45)
Por otra parte, el coeficiente de transferencia de calor por convección en
condensación esta en función de los números de Nusselt promedio, propiedades
termo físicas del vapor de agua y pesos específicos, como se observa en la
ecuación 2.46.
33.0
2
1
)(
))((
⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=
ρρ
ν
λ
n
condenscondens
g
Nuh (2.46)
Para el cálculo de la resistencia térmica total, se tienen diferentes superficies de
transferencia de calor, no es posible utilizar el coeficiente de transferencia de calor
global, tal es el caso de intercambiadores de calor compuestos de termosifones
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 49
aletados, por esta razón, se recomienda utilizar el método de pérdidas de calor
[28].
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++++++=∑
condenscontebcontal
al
ac
accont
condenscondensebebaaggi AA
RAhAhAhAh
R 111111 '
λδ
λδ
(2.47)
Donde:
alac/δ Es el espesor del acero o el aluminio.
alac /λ Es la conductividad térmica del acero o aluminio según el caso.
( )agag Ah //
1 Es la resistencia térmica exterior por convección en la zona de aire o
en la zona de gases. 'contR Es la resistencia térmica específica por contacto entre el tubo de acero y el
aluminio.
( )condensebcondenseb Ah //
1 Es la resistencia térmica interior por convección en la zona de
ebullición o condensación.
La ecuación anterior es cierta si el espesor de las paredes de los tubos de
aluminio y acero son relativamente finos, por lo que se puede decir que el área de
transferencia de calor por conducción a través de la pared de aluminio y el área de
transferencia de calor por conducción a través de la pared de acero son iguales a
la superficie de contacto mecánico entre los tubos de aluminio y acero, es decir:
agAccondag
Alcondagcont AAA /// )()()( == (2.48)
Los valores experimentales obtenidos de '
contR para los tubos bimetálicos
estudiados se encuentran en el rango de ( )W
Km ⋅⋅− −41032 [45] y [50]. Estos valores
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 50
son válidos para la zona de ebullición y para la zona de condensación y se pueden
utilizar para estimar la transferencia de calor del termosifón y los intercambiadores
de calor compuestos por los mismos.
Para cálculo de la diferencia de temperaturas media logarítmica, se tiene en
contraste con el intercambiador de flujo paralelo, la configuración en contra flujo
que mantiene la transferencia de calor entre las partes más calientes de los dos
fluidos en un extremo, así como entre las partes más frías en el otro. Esto se
representa con las ecuaciones 2.49 y 2.50 respectivamente [17].
( )egea TTT ,,min −=Δ (2.49)
( )easg TTT ,,max −=Δ (2.50)
Y la diferencia de temperatura que relaciona estas diferencias de temperatura para
intercambiadores de calor en contra flujo se calcula mediante la ecuación:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ΔΔ
Δ−Δ=Δ
min
max
minmax
lnTT
TTTml
(2.51)
Para el cálculo del calor transferido por el intercambiador.
Una vez determinada la diferencia de temperatura promedio logarítmica, así como
la sumatoria de las resistencias a través del termosifón, sólo falta sustituir dichos
valores en la ecuación 2.52, por lo que resulta [17]:
∑=
Δ=
1ii
ml
RTQ (2.52)
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 51
Si la cantidad de calor transferido calculado mediante esta ecuación corresponde
al calor obtenido originalmente se termina el cálculo, en caso contrario se calculan
las nuevas temperaturas ya que son función del calor, y se repite el cálculo. El
proceso termina cuando el calor transferido sea el mismo.
En la selección de la configuración del diseño de los precalentadores de aire, es
común que se presente una gran variedad de configuraciones que satisfacen las
condiciones de operación, en este caso, es necesario seleccionar la más
adecuada, esto dependerá de la consideración de diseño o factor que sea más
crítico, si se satisfacen sus condiciones, ya no será necesario considerar las
demás. Por esta razón, al diseñar varios precalentadores de aire que satisfacen
las mismas condiciones de operación, se debe realizar un análisis para determinar
cuál es el óptimo para la aplicación dada.
2.3 Programa del cálculo geométrico de los Precalentadores de aire en base de Termosifones Bimetálicos. Mediante el empleo de la computadora, se han facilitado las tareas de diseño de
componentes, equipos, piezas, etc. Anteriormente, se dedicaba un tiempo
considerable en la solución de algoritmos de cálculo complejos, o demasiado
extensos, lo que en la actualidad ya no es deseable. El análisis matemático puede
llevar a cometer equivocaciones de toda índole, siendo necesaria la comprobación
constante de los cálculos. Excepto en los problemas más sencillos, esta tarea se
debe delegar a la computadora.
Por otra parte, Muchas de las empresas a nivel mundial manejan programas de
los fabricantes de intercambiadores de calor, sin embargo, para estudiantes de
universidades, ingenieros y demás investigadores, estos programas tienen un uso
restringido, además de que son muy costosos. Por éstas razones, en la presente
tesis se desarrolló el programa de computo (diseño de precalentadores de aire
compuestos por termosifones), cuyas características se presentan a continuación.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 52
El programa esta escrito en el lenguaje de programación Visual Basic versión 6.0
[14], [18]. Esta diseñado para instalarse y/o distribuirse en cualquier computadora
personal, mediante el uso del archivo ejecutable Setup.exe. El programa se
fundamenta en las expresiones matemáticas y térmicas observadas en la
metodología desarrollada anteriormente, por lo tanto, es muy importante resaltar
que su objetivo se limita a determinar el diseño geométrico, térmico y económico
de precalentadores de aire.
La presentación visual del programa consta de una carátula y 4 interfases como se
describe a continuación:
Con la carátula empieza el programa, consta de un botón para iniciar el programa
de cálculo de acuerdo a la figura 2.1.
Figura. 2.1 Carátula de inicio del programa.
Al apretar el botón inicio del cálculo se abre la primera interfaz del programa de
acuerdo a la figura 2.2.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 53
Figura. 2.2 Primera interfase del programa.
En esta primera interfaz que se presenta al abrir el programa, se muestran los
bloques de cálculo de propiedades físicas, químicas y termodinámicas del agua,
gases y aire de combustión, así como todos los botones de las siguientes
interfases:
Inicio.
Calculo geométrico y térmico.
Calculo de eficiencia.
Calculo de ahorro de combustible.
Calculo del peso y costo del equipo.
En esta interfase se pulsa el botón inicio, donde el programa indica el siguiente
mensaje: “Seleccione en las pestañas superiores, tipo de caldera y tipo de
precalentador”, como se muestra en la figura 2.3.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 54
Figura. 2.3 Mensaje de selección de tipo de caldera y precalentador de aire
Al pulsar la pestaña de Calderas nos indica las diferentes potencias relacionadas
con su gasto volumétrico de combustible al 100 % de carga de acuerdo a la figura
2.4
Figura. 2.4 Diferentes potencias de calderas
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 55
Seleccionamos el tipo de caldera de acuerdo a su potencia como se indica en la
figura 2.5, indicando en una etiqueta, la potencia en la parte superior central.
Figura. 2.5 Selección de la potencia de la caldera.
Ahora se pulsa la pestaña de Tipo de Precalentador donde nos indica las 15
diferentes construcciones de acuerdo a la figura 2.6
Figura. 2.6 Diferentes precalentadores.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 56
Seleccionamos el tipo de precalentador de calor como se indica en la figura 2.7. Y
aparece en una etiqueta en la parte superior derecha.
Figura. 2.7 Selección de los diferentes precalentadores.
Con los datos seleccionados del tipo de caldera y precalentador de aire, se pulsa
el botón “Calculo geométrico y térmico”, con lo que obtenemos los siguientes
resultados, las unidades de las diferentes variables se encuentran en el Sistema
Internacional de Unidades.
Características geométricas del termosifón.
Propiedades del combustible.
Propiedades del fluido del termosifón.
Propiedades de los gases de combustión.
Propiedades del aire de combustión.
Calculo del coeficiente de convención en la zona gas-aire
Calculo del coeficiente de convención en la ebullición y condensación.
Calculo geométrico del precalentador de aire.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 57
Temperaturas de entrada y salida del precalentador de aire.
Este es un proceso iterativo donde se suponen temperaturas de salida de aire y
gases de la combustión, en la iteración en la cual sean iguales las temperaturas
propuestas a las calculadas por el programa, termina el proceso iterativo. El
programa nos muestra un letrero que dice “Se encontraron las temperaturas
finales”, y nos indica el número de iteraciones en obtener los resultados, como se
muestra en la figura 2.8.
Figura. 2.8. Resultados geométricos y térmicos del precalentador.
En la figura 2.9 se presentan los resultados finales del cálculo geométrico y
térmico del precalentador de aire. Se indica el número de iteraciones y en la parte
superior de la interfase, el tipo de caldera y precalentador utilizado.
Se tiene que apretar el botón aceptar del mensaje “Se encontraron las
temperaturas finales”.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 58
Figura. 2.9. Resultados finales del cálculo geométrico, térmico del precalentador y número
de iteraciones. En la figura 2.10 se muestra el bloque de los resultados finales del cálculo
geométrico del precalentador.
Figura. 2.10. Resultados finales del cálculo geométrico del precalentador.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 59
2.4 Programa del cálculo Térmico de los precalentadores de aire en base de Termosifones Bimetálicos.
Para la obtención de los cálculos térmicos el procedimiento es similar al
anteriormente descrito para el cálculo geométrico, se toman únicamente el bloque
que presenta los resultados térmicos, como se indica en la figura 2.11
Figura. 2.11. Resultados finales del cálculo térmico del precalentador.
El programa nos indica en el siguiente bloque el número de iteraciones que
requirió para converger, de acuerdo a la figura 2.12
Figura. 2.12. Numero de iteraciones finales.
Para introducir los datos es muy importante definir los parámetros a partir de los
cuales se iniciará el diseño, ya que de ello dependerá el resultado que se obtenga.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 60
Es necesario aclarar que el programa maneja dos tipos de datos; los datos que se
pueden modificar y los datos variables, como a continuación se presentan.
Datos que permanecen constantes en el diseño de precalentadores de aire:
Diámetro interno del termosifón ][m
Diámetro de contacto entre tubos ][m
Diámetro exterior del tubo exterior ][m
Diámetro exterior de aleta ][m
Espesor de aleta ][m
Paso de aleta ][m
Composición química del combustible
Distancia entre termosifones ][m
Estos datos se presentan en el bloque “Características geométricas del
termosifón”, como se indica en la figura 2.13.
Figura. 2.13. Características geométricas del termosifón.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 61
Por otra parte, los datos variables, es decir, los datos que como usuario, es
posible introducir en el programa y/o modificar son:
Temperatura de aire ambiente [ ]K
Temperatura de gases a la entrada del precalentador [ ]K
Temperatura de gases a la salida del precalentador [ ]K
Coeficiente de exceso de aire
Altura de zona de aire ][m
Altura de zona de gases ][m
Gasto de combustible ]/[ 3 sm
Propiedades del aire, de gases de combustión , vapor*
Aunque estos datos no se introducen directamente en el programa, los toma de
una función de datos a las temperaturas promedio correspondientes, como se
indica a continuación en la figura 2.14, y figura 2.15
Figura. 2.14. Propiedades del aire y gases de combustión.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 62
Figura. 2.15. Propiedades del agua y del combustible.
También se presentan las características térmicas del diseño del precalentador de
aire, como son:
Coeficientes de transferencia de calor, en figura 2.16
Resistencias térmicas, en figura 2.17
Figura. 2.16. Coeficiente de conveccion zona gas-aire.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 63
Figura. 2.17. Coeficiente de conveccion para la ebullición-condensación, y resistencia
térmica total
La segunda interfase del programa se llama “Calculo de eficiencias con y sin
precalentador”, esta interfase inicia con el botón “Calculo de eficiencia” de la
primera interfase, de acuerdo a la figura 2.18
Figura. 2.18. Interfase calculo de eficiencias de calderas con y sin precalentador.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 64
Ya abierta la interfase se pulsa el botón “Calculo de eficiencias” y se obtienen los
resultados, y dos etiquetas donde se muestra nuevamente el tipo de caldera
industrial y el precalentador de aire que se observan en la figura 2.19.
Figura. 2.19. Resultados de la interfase calculo de eficiencias de calderas con y sin
precalentador.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 65
La tercera interfase del programa se llama “Calculo de ahorro del combustible con
precalentador”, esta interfase inicia con el botón “Calculo de ahorro de
combustible” de la primera interfase, de acuerdo a la figura 2.20.
En esta interfase se propone un tiempo de operación de 40 horassemana
, y 48
semanasaño
con lo que obtenemos como resultado 1920 horasaño
.
El costo de gas natural es el vigente en el Distrito Federal en el mes de septiembre
del 2007 y es de 4.26 3
pesosmetro
.
Figura. 2.20 Interfase calculo de ahorro del combustible con precalentador
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 66
Ya abierta la interfase se pulsa el botón “Calculo de ahorro de combustible” y se
obtienen los resultados, y dos etiquetas donde se muestra nuevamente el tipo de
caldera industrial y el precalentador de aire que se observan en la figura 2.21.
.
Figura. 2.21. Resultados de la interfase calculo de ahorro de combustible.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 67
La cuarta interfase del programa se llama “Calculo de peso y costo del
precalentador”, esta interfase inicia con el botón “Calculo del peso y costo del
equipo” de la primera interfase, de acuerdo a la figura 2.22.
En esta interfase para obtener el costo del precalentador de aire, se parte de un
precio de 500.00 pesosmetro
de tubo de termosifón bimetalico aletado, y un precio de
20.00 logpesos
ki ramo de acero negro.
Figura. 2.22. Interfase calculo de peso y costo del precalentador.
Ya abierta la interfase se pulsa el botón “Calculo del peso y costo del
precalentador” y se obtienen los resultados, dos etiquetas donde se muestra
nuevamente el tipo de caldera industrial y el precalentador de aire que se
observan en la figura 2.23.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 68
Es importante mencionar, que no se deben cerrar las interfases para los cálculos
siguientes, ya que indicara error el programa.
Si se requiere visualizar alguna interfase anterior el procedimiento correcto es
minimizar la interfase actual con el botón superior derecho.
Figura. 2.23. Resultados de la interfase calculo de peso y costo del precalentador.
Con los resultados del peso y costo del precalentador de aire, llegamos al final del
programa. Si requerimos nuevos cálculos tenemos que abrir la primera interfase, y
comenzar nuevamente con la selección de la cadera y el precalentador de aire, en
caso contrario salir del programa pulsando el botón “Fin”.
2.5 Diagrama de flujo.
A continuación se muestra el diagrama de flujo que describe el proceso de cálculo
de la primera interfase del Programa. Puede observarse el cálculo en forma
secuencial con su proceso iterativo y las condiciones que deben cumplirse para
los resultados del cálculo geométrico y térmico del precalentador, de acuerdo a la
figura 2.24.
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 69
INICIO
DATOS DE ENTRADA SUPONER TEMPERATURAS DE SALIDA
CALCULA gm∗
, 1Q en zona de gases
CALCULA am∗
, 1Q en zona de aire
CALCULO DE TEMPERATURA PROMEDIO
CALCULO DE PROPIEDADES FISICAS
CALCULO DE RELACION DE VOLUMENES
CALCULO DE DIMENSIONES GEOMETRICAS.
CALCULO h , R y 2Q
Si 1Q = 2Q No
1,a sT = 2,a sT
Si
VISUALIZAR RESULTADOS
Fin Figura. 2.24. Diagrama de flujo de la primera interfase
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 70
A continuación se muestra el diagrama de flujo que describe el proceso de cálculo
de la segunda interfase del Programa. Puede observarse el cálculo en forma
secuencial y las condiciones que deben cumplirse para los resultados del cálculo
de eficiencia con y sin del precalentador, de acuerdo a la figura 2.25.
INICIO
DATOS DE ENTRADA TEMPERATURAS DE GASES Y AIRE
CALCULA ENTALPIAS zona gases
CALCULA ENTALPIAS zona de aire
CALCULA PERDIDAS DE CALOR POR GASES, 2q
CALCULA PERDIDAS DE CALOR, 3 4, 5,q q q
CALCULA EFICIENCIA S/PRECALENTADOR
CALCULA EFICIENCIA C/PRECALENTADOR
VISUALIZAR RESULTADOS
Figura. 2.25. Diagrama de flujo de la segunda interfase
FIN
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 71
A continuación se muestra el diagrama de flujo que describe el proceso de cálculo
de la tercera interfase del Programa. Puede observarse el cálculo en forma
secuencial y las condiciones que deben cumplirse para los resultados del cálculo
de ahorro de combustible con precalentador, de acuerdo a la figura 2.26.
INICIO
DATOS DE ENTRADA POTENCIA CALORIFICA TRANSFERIDA
TIEMPO DE OPERACIÓN ANUAL COSTO DE COMBUSTIBLE
CALCULA GASTO DE COMBUSTIBLE C/PRECALENTADOR
CALCULA AHORRO DE COMBUSTIBLE
CALCULA AHORRO EN PESOS
VISUALIZAR RESULTADOS
Figura. 2.26. Diagrama de flujo de la tercera interfase
FIN
CAPITULO 2 DESARROLLO DE METODOLOGIA DE CÁLCULO
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 72
A continuación se muestra el diagrama de flujo que describe el proceso de cálculo
de la cuarta interfase del Programa. Puede observarse el cálculo en forma
secuencial y las condiciones que deben cumplirse para los resultados del cálculo
de peso y costo del precalentador, de acuerdo a la figura 2.27.
INICIO
DATOS DE ENTRADA DIMENSIONES DEL PRECALENTADOR
PRECIO DEL TERMOSIFON PRECIO DEL ACERO
CALCULA COSTOS DEL TERMOSIFON
CALCULA COSTOS DE TAPAS DEL PRECALENTADOR
CALCULA COSTOS DE CUBIERTA DEL PRECALENTADOR
CALCULA PESO DEL PRECALENTADOR
CALCULA COSTO TOTAL DEL PRECALENTADOR
VISUALIZAR RESULTADOS
Figura. 2.27. Diagrama de flujo de la cuarta interfase
FIN
CAPITULO 3 CÁLCULO DE PARAMETROS GEOMETRICOS Y TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 73
En el capitulo 3, se muestra un ejemplo de calculo de los parámetros geométricos, térmicos y económicos de un precalentador de aire en base de termosifones aletados bimetálicos para una caldera industrial de 100 CC. El precalentador de aire utilizado en los cálculos es el equipo aire numero 2, que contiene 7 hileras con 6 tubos por hilera. La carga del combustible es del 100 %, con una temperatura de entrada de gases de 493 K, y de aire 303 K.
CAPITULO 3 CÁLCULO DE PARAMETROS GEOMETRICOS Y TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 74
3.- CALCULO DE PARÁMETROS GEOMÉTRICOS Y TÉRMICOS DE UN PRECALENTADOR DE AIRE EN BASE DE TERMOSIFONES ALETADOS BIMETALITOS PARA UNA CALDERA DE 100 CC
Como ejemplo de cálculo, se diseñará el Equipo # 2, 6 Tubos p/Hilera, con 7
hileras, es un intercambiador de calor para recuperar el calor de los gases de
escape de una caldera industrial del tipo horizontal tubos de humo, potencia 100
CC, con gas natural como combustible.
3.1 Calculo de parámetros Geométricos de un precalentador de aire en base de termosifones aletados bimetalitos para una caldera de 100 CC
Como primer paso en el diseño del intercambiador de calor, es necesario obtener
los parámetros de flujo de la caldera, temperatura del vapor, temperatura de los
gases de escape, consumo de combustible, coeficiente de exceso de aire, etc.,
tabla 3.1. Tabla.3.1. Parámetros tomados de la caldera CC-100
La composición química del gas natural se presenta en la tabla 3.2. Tabla 3.2. Composición del gas natural [12].
ELEMENTO PORCENTAJE m n AZUFRE 0.1
HIDROGENO 8.4 OXIGENO 0.0
NITROGENO 0.0 MONOXIDO DE
CARBONO0.0
DIOXIDO DE CARBONO 0.5 ANHIDRICO SULFURICO 0.0
CH4 80.2 1 4 C2H4 2.0 2 4 C2H6 4.5 2 6
PARÁMETRO UNIDADES DATOS Temperatura de aire de entrada C° , )( K° 30, (303)
Flujo de combustible, sm /3 0.0832 Temperatura de los gases de escape C° , )( K° 220, (493)
Coeficiente de exceso de aire - 1.2
CAPITULO 3 CÁLCULO DE PARAMETROS GEOMETRICOS Y TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 75
C3H6 0.6 3 6 C3H8 0.3 3 8 C4H4 3.4 4 4
Las características geométricas de los termosifones se observan en la tabla 3.3.
Tabla 3.3. Parámetros geométricos del termosifón
PARAMETRO VALOR ][m Diámetro interior tubo de acero 20x10-3 Diámetro exterior tubo de acero 25x10-3
Diámetro interior tubo de aluminio 25x10-3 Diámetro exterior tubo de aluminio 28x10-3
Achura de aleta 5x10-4
Paso de aletas 3x10-3
Diámetro exterior aletas 55x10-3
Para el dimensionamiento del precalentador se propone el siguiente equipo:
Equipo # 2, 6 Tubos p/Hilera, 7 Hileras
Altura de zona de aire = 0.253 m
Altura de zona de gases = 0.364 m
Número de tubos en 1ra hilera = 6
Número de hileras = 7
A continuación, es necesario determinar los pasos transversal y longitudinal, por lo
que se emplean las ecuaciones 2.1 y 2.2 respectivamente:
2(0.0275) 0.004 0.06tS m= + =
2 2(0.059) (0.0295) 0.052lS m= − =
Proponiendo 6 termosifones la primera hilera y 7 hileras como profundidad, es
posible determinar la anchura y profundidad del precalentador. Mediante el empleo
de las ecuaciones 2.3 y 2.4, se obtiene:
CAPITULO 3 CÁLCULO DE PARAMETROS GEOMETRICOS Y TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 76
0.06(6 1) 2(0.028) 2(0.004) 0.364a m= − + + =
0.052(7 1) 2(0.028) 2(0.004) 0.376c m= − + + =
Cabe recordar que el arreglo del banco de tubos es escalonado, por lo que se
tienen hileras de termosifones pares e impares, es decir, se tienen 4 hileras de 6
tubos y 3 hileras de 5 tubos, con esta información, es posible determinar el
número total de termosifones del intercambiador con la ecuación 2.5.
4(6) 3(5) 24 15 39N = + = + = Termosifones.
Para determinar el número de aletas sin considerar espacios superior e inferior se
tiene:
0.364 121.33.003
pAN aletas= =
Y los espacios superior e inferior mediante la utilización de la ecuación 2.7.
0.364 (121.33 2)(0.003) 2(0.0005 / 2) 0.0032552
py m− − += =
Pero el número real de aletas que considera los dos espacios superior e inferior es:
121.33 1 120.33AN aletas= − =
Esto quiere decir que es posible tener 120 aletas por termosifón con dos espacios
superior e inferior desde la aleta hasta la pared del intercambiador de 0.003255
m . El mismo procedimiento se realiza para determinar los parámetros antes
calculados en la zona de aire, los resultados se muestran en la siguiente tabla 3.4.
CAPITULO 3 CÁLCULO DE PARAMETROS GEOMETRICOS Y TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 77
Tabla 3.4. Resultados del dimensionamiento del precalentador.
PARAMETRO GASES AIRE UNIDAD Anchura 0.364 0.364 m
Profundidad 0.376 0.376 m Altura 0.364 0.253 m
Paso normal 0.06 0.06 m Paso diagonal 0.052 0.052 m
Numero hileras pares 4 4 - Numero hileras impares 3 3 -
Numero de hileras 7 7 - Numero de aletas 120 83 -
Para la determinación de las superficies de transferencia de calor utilizamos la
ecuación 2.9, 2.10, 2.11 se obtiene el área total transversal de la zona de
ebullición del precalentador de aire:
2(0.364)(0.364) 0.1325tA m= =
20.028120.33*2*( )*(0.0005) 0.001684622tAA m= =
El área máxima transversal ocupada por los termosifones en una hilera que toma
en cuenta tanto aletas como tubo bimetálico es calculada con la ecuación 2.12.
2
max, 234.012)017.000268.0( mA o =+=
Y el área mínima libre se calcula mediante la ecuación 2.13.
20.1325 0.07125 0.06124MLA m= − =
CAPITULO 3 CÁLCULO DE PARAMETROS GEOMETRICOS Y TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 78
El área total de transferencia de calor de las aletas y el área total de transferencia
de calor de los tubos en la zona de gases se determinan mediante las ecuaciones
2.14, 2.15 y 2.16
2 22((0.056) ((0.028) ) 0.056(0.0005) 120.33 39 17.74
2AA mπ⎡ ⎤⎡ ⎤⎡ ⎤−
= + =⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦⎣ ⎦
( ) 2(0.028) (0.003 0.0005)(120.33 1) 2(0.003255) 150 1.045TA mπ= − − + =⎡ ⎤⎣ ⎦
2
, 17.74 1.045 18.78TOT gA m= + =
El área de contacto entre el aluminio y el acero se determina mediante la ecuación
2.17, obteniéndose:
De acuerdo con la consideración se tiene que:
2
.( ) ( ) ( ) 1.114cont ev cond ev cond evA A A m= = =
A continuación se calcula el área que se utilizará para determinar la resistencia
térmica por ebullición dentro del termosifón con la ecuación 2.18:
2
int,( ) (0.02)(0.364)(39) 0.8915term evA mπ= =
Los resultados de las superficies de transferencia de calor en ambas zonas, se
muestran en la tabla 3.5.
2.( ) (0.025)(0.364)(39) 1.114cont evA mπ= =
CAPITULO 3 CÁLCULO DE PARAMETROS GEOMETRICOS Y TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 79
Tabla 3.5. Resultados de superficies de transferencia de calor.
3.2 Calculo de parámetros Térmicos de un precalentador de aire en base de termosifones aletados bimetalitos para una caldera de 100 CC.
Esta información es suficiente para determinar la cantidad de energía que es
posible recuperar de los gases de escape, así como la temperatura final que
alcanzará el aire y los gases de combustión a la salida del precalentador.
Se proponen las temperaturas finales del aire y los gases de combustión como
primera iteración tabla 3.6, se determinan las temperaturas promedio del aire y
gases por ecuaciones 2.20 y 2.23
Tabla 3.6. Temperaturas finales propuestas.
Temperatura final de gases(propuesta) 441.04 K
Temperatura final de aire(propuesta) 386.3K
( )493 441.04467.0K
2gT+
= =
( )303 386.3 344.65K
2aT+
= =
PARAMETRO GASES, ][ 2m AIRE, ][ 2m Área total transversal 0.1325 0.0921
Máxima área transversal de termosifones en una hilera 0.0712 0.0495 Área libre 0.0612 0.0425
Área total exterior 18.74 13.01 Área de contacto (aluminio-acero) 1.114 0.7745
Área interna del termosifón 0.8915 0.619 Área total de precalentador de aire 31.75
CAPITULO 3 CÁLCULO DE PARAMETROS GEOMETRICOS Y TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 80
El flujo másico en la zona de gases, así como el calor a transferir, mediante las
ecuaciones 2.21 y 2.22, respectivamente.
g0.0329183*13.74*467.0m = 0.77379
273Kgs
=
0.0329183*13.74*467.0*1094.68(493 441.04)Q = 44013
273W−
=
Con la determinación del calor a transferir por el intercambiador, es posible pasar
a la etapa del diseño térmico del precalentador, por lo que, es necesario
determinar los volúmenes de los flujos de aire y gases de combustión, así como,
las entalpías.
Como primer paso en el cálculo del coeficiente de convección, se obtendrá el flujo
volumétrico de los gases de escape, así como la velocidad a través del banco de
tubos. Mediante las ecuaciones 2.26 y 2.27 respectivamente se obtiene:
30.03291833*13.74*466.9 0.7735
273gmQs
= =
y la velocidad para la temperatura promedio de 466.9 K.
0.7735 12.680.06124g
mus
= =
Por otra parte, como 8lZ < , se concluye que:
0.05(3.15*7 ) 2.5 0.9718zC = − =
CAPITULO 3 CÁLCULO DE PARAMETROS GEOMETRICOS Y TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 81
El coeficiente de aletado para aletas circulares se determina por la ecuación 2.28
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )2 21 0.00050.056 0.028 2 0.056 0.0005 1 15.1672 0.028 0.003 0.003Aψ ⎡ ⎤= ⋅ − + ⋅ ⋅ + − =⎣ ⎦⋅ ⋅
El parámetro de forma X del banco de tubos, que es necesario para calcular los
coeficientes γ y qC , se determina con la ecuación 2.29, 2.30 por lo tanto:
0.061.260.028 2 0.929
0.052 15.1670.028
X
⎛ ⎞⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎜ ⎟= − − = −⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠
y
( )( )
( )
2 0.929
2 0.929
10.929 0.731
ethX the
ϕ−
−
−= = − = = −
+
Para determinar el parámetro γ se emplea la ecuación 2.31, sustituyendo Aψ y
thX se obtiene:
( ) ( )0.7 0.08 0.73 0.0005 15.167 0.7174γ = + − + =
Finalmente, el coeficiente qC que involucra el coeficiente de aletado y el factor
thX , al sustituirlos en la ecuación 2.32 se obtiene:
( )( ) 1,11.36 0.73 0.014 0.0699815.167 8qC ⎛ ⎞= − − ⋅ − =⎜ ⎟+⎝ ⎠
Las propiedades termo físicas del flujo de los gases de escape son obtenidas a la
temperatura promedio de 467.05 K . Sustituyendo ésas propiedades junto con los
coeficientes anteriormente calculados en la ecuación 2.33 se obtiene:
CAPITULO 3 CÁLCULO DE PARAMETROS GEOMETRICOS Y TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 82
0.71742
0.332 2
412.75E-04 12.69*2.8 101.13*0.9719*0.06998* * *00.671 82.162.8 10 303.05E-07
gconv
X WhX m k
−
−
⎛ ⎞= =⎜ ⎟ ⋅⎝ ⎠
Calculando el parámetro M y la altura relativa de aleta ´Al , así como sus
productos, mediante las ecuaciones 2.34 y 2.35 respectivamente, se obtiene:
( )( )( )3
2 82.16638.883
0.5 10 217.39M
X −= =
0.056 0.056´ 0.014 1 0.191 0.054 ln 0.01690.028 0.028Al m⎡ ⎤⎛ ⎞= + + =⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦
Entonces el producto ´AMl da como resultado:
´ 38.883(0.0169) 0.657AMl = = y
´2 1 2(0.657) 1 0.314AMl − = − =
Con estos datos es posible determinar el coeficiente de eficiencia teórica de aleta,
mediante la ecuación 2.36, dando como resultado:
( )
( )
2 0.657
2 0.657
1 1 0.87720.6571
eEe
⎛ ⎞− ⎛ ⎞= ⋅ =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟+ ⎝ ⎠⎝ ⎠
Y el coeficiente de corrección para el coeficiente teórico de aleta de la ecuación
2.37 resulta:
CAPITULO 3 CÁLCULO DE PARAMETROS GEOMETRICOS Y TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 83
( )0.0561 0.016 1 1 0.314 0.97910.028E Tanhψ ⎛ ⎞= − − + =⎡ ⎤⎜ ⎟ ⎣ ⎦⎝ ⎠
Con estos resultados, ahora es posible calcular el coeficiente de convección
relativo mediante la ecuación 2.38, por lo que se obtiene:
1 2
17.74 1.045*0.8772*1.0*0.9791 82.166 71.26518.74 18.74
grel
Whm K
⎛ ⎞= + =⎜ ⎟ ⋅⎝ ⎠
Este coeficiente es el que directamente se sustituirá más adelante para determinar
las pérdidas por convección en la parte exterior de los termosifones. Los
resultados de los parámetros antes calculados para ambas zonas se muestran en
la tabla 3.7.
Tabla 3.7. Resultados para el coeficiente de convección en ambas zonas
PARAMETRO GASES AIRE UNIDADES u 12.69 12.22 m/s
zC 0.9719 0.9719 -
Aψ 15.167 15.167 - γ 0.7174 0.7174 -
qC 0.06998 0.06998 -
ch 82.16 75.671 W/m2K
M 38.883 38.656 . E 0.8772 0.8784 .
Eψ 0.9791 0.9792 .
relh1 71.265 65.722 W/m2K
Determinación del coeficiente de conveccion en ebullición: Determinando la relación entre la tensión superficial y las densidades de vapor
húmedo y seco de la ecuación 2.39, para una temperatura promedio de 467 K
CAPITULO 3 CÁLCULO DE PARAMETROS GEOMETRICOS Y TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 84
0.53
*39.1E-03 2.15 10
9.81(869.59 7.42)l X −⎛ ⎞= =⎜ ⎟−⎝ ⎠
Y el coeficiente pk que relaciona la presión de saturación, con la diferencia de
peso específico del vapor y la tensión superficial, mediante el empleo de la
ecuación 2.40.
( )0.51463784.5 80492.94
(39.1E-03)(9.81)(869.59 7.42)pk = =
−
Finalmente, con el flujo de calor de los gases de escape que se transfiere a través
de los termosifones y valores de las propiedades termofísicas del vapor de agua a
467 K , se sustituye en la ecuación 2.41, por lo que se obtiene:
( )0.5
33
66.6E-02 440110.0123 2.15 102.15 10 2149287(7.42)16.8E-08ebh X
X−
−
⎡ ⎤⎛ ⎞⎛ ⎞= ⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦
( ) ( )0.17
0.35 0.54 33 2
0.028* (1) * (80492.94) * 15.6 102.15 10
WXX m K−
⎛ ⎞ =⎜ ⎟⎝ ⎠
Determinación del coeficiente de conveccion en condensación: El coeficiente de transferencia de calor por convección en condensación, se puede
determinar por medio de la ecuación 2.46, la cual, esta en función de los números
de Nusselt promedio, propiedades termo físicas del vapor de agua y pesos
específicos. Sin embargo, es necesario primero determinar el numero de Nusselt
en zona laminar afectado por un coeficiente f y el número de Nusselt en zona
turbulenta con un rango de números de Reynolds de (1 - 3) x 103. Por lo tanto, los
números de Nusselt en régimen laminar y turbulento calculados por las
ecuaciones 2.42 y 2.43 respectivamente, dan como resultado:
CAPITULO 3 CÁLCULO DE PARAMETROS GEOMETRICOS Y TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 85
0828.0)105.1(925.0 33.03 == −XNulam
2346.0)105.1(021.0 33.03 == XNutur
El coeficiente f para una presión critica igual a la presión de saturación dentro del
termosifón de la ecuación 2.44, da como resultado:
( )( ) 1.3163.01
15.13.3 =
−=f
Ahora, de la ecuación 2.45 se sustituyen los valores de los números de Nusselt y
el coeficiente f para encontrar el valor del número de Nusselt promedio, lo que
resulta:
( )( ) ( )[ ] 348.02346.0)1.3(0828.05.022 =+=condensNu
y finalmente con la ecuación 2.46, el coeficiente de convección en condensación
da como resultado:
0.33 2
2
(0.348)(66.6E-02) 14533.5
(16.8E-08)7.429.81 1
869.59
condensWh
m K= =⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟
⎛ ⎞⎜ ⎟−⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠
Determinación de la resistencia térmica total: Para el cálculo de la resistencia térmica total se considera que
ioaluconductaceroconductcont AAA min)()()( == . Además 'contR es la resistencia térmica
específica de gases.
CAPITULO 3 CÁLCULO DE PARAMETROS GEOMETRICOS Y TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 86
El valor de 'contR [45], [50], es estimado mediante datos experimentales obtenidos
en la zona de evaporación. Sustituyendo los coeficientes de convección,
conductividad y áreas correspondientes en la ecuación 2.47, se obtiene:
( ) ( ) ( ) ( )1
1 1 1 171.265 18.74 65.722 13.01 15600 0.889 14533.5 0.6177i
iR
=
= + + + +∑
3 3
4 5 10 3 10 1 12.5 10 0.002762(44.19) 2(217.39) 1.11 0.772ev cond
X X KXW
− −− ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + + + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥
⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎣ ⎦
Determinación de la diferencia de temperatura media logarítmica: La diferencia de temperaturas a través del intercambiador, es una diferencia media
logarítmica. Sustituyendo las temperaturas de frontera del precalentador de aire en
las ecuaciones 2.49, 2.50 respectivamente, se determinan las diferencias de
temperatura mínima y máxima.
max
493 386.3 106.7
441.04 303 138.4
mínt K
t K
Δ = − =
Δ = − =
Finalmente sustituyendo en la ecuación 2.51 se obtiene que:
138.4 106.7 121.7138.4ln106.7
mlT K−Δ = = °
CAPITULO 3 CÁLCULO DE PARAMETROS GEOMETRICOS Y TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 87
Determinación del calor transferido en el intercambiador de calor: Una vez determinada la diferencia de temperatura promedio logarítmica, así como
la sumatoria de las resistencias a través del termosifón, sólo falta sustituir dichos
valores en la ecuación 2.52, por lo que resulta:
121.715 440460.002763
Q W= =
Al comparar este resultado con el obtenido mediante la ecuación 2.22, se observa
que prácticamente la cantidad de calor transferido es igual, esto significa que las
temperaturas de salida del aire y gases de combustión del precalentador de aire
propuestas inicialmente, son las óptimas con una capacidad de transferencia de
calor de 44046 W.
Si la cantidad de calor transferido no es igual, se procede a calcular las nuevas
temperaturas del aire y gases de salida que son función de este calor.
Con estas nuevas temperaturas de salida se repite el proceso hasta que las
temperaturas calculadas sean iguales a las propuestas al inicio del ciclo.
CAPITULO 4 ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 88
En el capítulo cuatro se presenta el análisis geométrico y térmico de resultados para la selección de la configuración óptima de tres precalentadores: Equipo #1, 5 hileras, 5 tubos por hilera Equipo #2, 7 hileras, 6 tubos por hilera Equipo #3, 9 hileras, 7 tubos por hilera Para una caldera industrial de 100 CC. El análisis geométrico y térmico de resultados consiste en obtener la configuración óptima del precalentador de aire, que más se adecua a los criterios de diseño y operación de la instalación.
CAPITULO 4 ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 89
4.- ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS Y LÍNEA DE PRECALENTADORES DE AIRE:
En este capitulo se utiliza el programa de calculo de precalentadores de aire en
base de termosifones aletados bimetálicos, para obtener resultados geométricos y
térmicos. El análisis geométrico y térmico de resultados consiste en obtener la
configuración óptima del precalentador de aire, que más se adecua a los criterios
de diseño y operación de la instalación.
El programa de cálculo obtiene los resultados geométricos y térmicos, los cuales,
corresponden a los datos de entrada que se tienen para el ejemplo de cálculo de
una caldera de 100 CC., descrito anteriormente.
Se diseño una línea de 14 precalentadores de aire que pueden utilizarse en
calderas industriales con potencias de 15 CC. Hasta 800 CC.
Las características y el diseño geométrico de los precalentadores de aire se
muestran en la tabla 4.1, en las figuras 4.1 y 4.2 se expone el equipo mas
pequeño y el mas grande.
Tabla 4.1 Características geométricas de una línea de 14 precalentadores de aire.
Numero tubos
p/hilera
Numero de
hileras Ancho
(m) Profundidad
(m)
Altura zona gases (m)
Atura zona
aire(m)
Área zona gas
(m2)
Área zona aire (m2)
Numero de
tubos
1 5 5 0.304 0.272 0.304 0.211 9.338 6.489 23
2 6 7 0.364 0.376 0.364 0.253 18.971 13.183 39
3 7 9 0.424 0.48 0.424 0.295 33.444 23.241 59
4 8 9 0.484 0.48 0.484 0.336 43.961 30.549 68
5 9 9 0.544 0.48 0.544 0.378 55.971 38.895 77
6 9 11 0.544 0.584 0.544 0.378 68.328 47.482 94
7 10 11 0.604 0.584 0.604 0.42 84.768 58.906 105
8 11 11 0.664 0.584 0.664 0.461 102.88 71.496 116
9 11 13 0.664 0.688 0.664 0.461 121.51 84.439 137
CAPITULO 4 ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 90
10 12 13 0.724 0.688 0.724 0.503 145.10 100.83 150
11 13 13 0.784 0.688 0.784 0.545 170.78 118.68 163
12 13 15 0.784 0.792 0.784 0.545 196.98 136.88 188
13 14 15 0.844 0.792 0.844 0.587 229.02 159.15 203
14 15 15 0.904 0.792 0.904 0.628 263.30 182.97 218
Equipo # 1
Figura 4.1 Equipo # 1, cinco tubos por hilera y cinco hileras.
Equipo # 14
Figura 4.2 Equipo # 14, quince tubos por hilera y quince hileras.
CAPITULO 4 ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 91
De la línea de 14 de precalentadores de aire en base de termosifones aletados
bimetalitos. Como puede observarse, se tienen 3 configuraciones de
precalentadores de aire que satisfacen los criterios de diseño y operación, y que el
programa sugiere para su empleo, sin embargo, es necesario realizar un análisis
geométrico y térmico para determinar cual es el equipo óptimo que puede ser
utilizado en una caldera de 100 CC.
Dentro los criterios de diseño tenemos los siguientes:
Se usan las condiciones térmicas promedio en el intercambiador.
La velocidad que se obtenga en la zona para los gases, deberá estar en un
intervalo de 7 a 12 m/s.
La temperatura de los gases a la salida del precalentador se establece que
sea de 383 K (110 °C), para evitar el punto de rocío de los productos de
combustión.
La altura de la zona para el aire equivale al 41 % de la altura del
precalentador, el otro 59 % equivale a la zona para los gases. Esto con la
finalidad de conseguir aproximadamente una misma velocidad entre ambas
zonas.
4.1 Análisis geométrico de 3 construcciones de Precalentadores de Aire en base a Termosifones Bimetálicos Aletados, para Caldera 100 CC Para el cálculo geométrico se escogieron los equipos mostrados en las figuras 4.3
y 4.4:
Equipo #1, 5 hileras, 5 tubos por hilera
Equipo #2, 7 hileras, 6 tubos por hilera
Equipo #3, 9 hileras, 7 tubos por hilera
CAPITULO 4 ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 92
Equipo # 1 Equipo # 2
Figura 4.3 Equipo # 1, cinco tubos por hilera y cinco hileras. Equipo # 2 seis
tubos por hilera y siete hileras.
Equipo # 3
Figura 4.4 Equipo # 3, siete tubos por hilera y nueve hileras.
Los resultados obtenidos por el programa de cálculo son los siguientes:
Equipo #1, 5 hileras, 5 tubos por hilera, figura 4.5.
CAPITULO 4 ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 93
Figura 4.5. Calculo geométrico del precalentador, equipo #1
Equipo #2, 7 hileras, 6 tubos por hilera, figura 4.6.
Figura 4.6. Calculo geométrico del precalentador, equipo #2
CAPITULO 4 ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 94
Equipo #3, 9 hileras, 7 tubos por hilera, figura 4.7.
Figura 4.7. Calculo geométrico del precalentador, equipo #3
Los resultados de los cálculos geométricos, para los equipos 1, 2 y 3 se resumen
en la tabla 4.2. Tabla 4.2 Resultados de cálculos geométricos para equipos 1, 2, y 3.
Equipo # 1 Equipo # 2 Equipo # 3
Numero tubos p/hilera 5 6 7
Numero de hileras 5 7 9 Ancho (m) 0.304 0.364 0.424
Profundidad (m) 0.272 0.376 0.48 Altura zona gases
(m) 0.304 0.364 0.424 Atura zona aire(m) 0.211 0.253 0.295 Área zona gas (m2) 9.338 18.971 33.444 Área zona gas (m2) 6.489 13.183 23.241 Numero de tubos 23 39 59
4.2 Análisis Térmico de 3 construcciones de Precalentadores de Aire en base a Termosifones Bimetálicos Aletados, para Caldera 100 CC. Teniendo los resultados del diseño geométrico para los equipos 1, 2 y 3 se
procede al cálculo Térmico en el cual se obtienen las temperaturas de salida de
los gases y el aire de combustión, de los equipos siguientes:
CAPITULO 4 ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 95
Equipo #1, 5 hileras, 5 tubos por hilera
Equipo #2, 7 hileras, 6 tubos por hilera
Equipo #3, 9 hileras, 7 tubos por hilera
Con el programa de cálculo se determina la potencia calorífica de estos tres
equipos para una caldera 100 CC, tomando las siguientes temperaturas de
entrada de los gases y el aire de combustión (posibles temperaturas de operación
del equipo).
Temperatura de entrada de gases: 393 K, 413 K, 433 K, 453 K, 473 K y 493 K
Temperatura de entrada del aire: 273 K, 283 K, 293 K, 303 K, 313 K
La potencia calorífica que transfieren estos tres equipos se obtienen con diferentes
cargas de trabajo correspondientes al 100 %, 75 % y 50 %.
Se presentan las interfaces graficas para una carga del 100 %, con las siguientes
temperaturas:
Temperatura de entrada de gas 493 K
Temperatura de entrada del aire 303 K
Los resultados obtenidos son los siguientes:
Equipo #1, 5 hileras, 5 tubos por hilera, figura 4.8.
Figura 4.8. Calculo térmico del precalentador, equipo #1
CAPITULO 4 ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 96
Equipo #2, 7 hileras, 6 tubos por hilera, figura 4.9.
Figura 4.9. Calculo térmico del precalentador, equipo #2
Equipo #3, 9 hileras, 7 tubos por hilera, figura 4.10.
Figura 4.10. Calculo térmico del precalentador, equipo #3.
CAPITULO 4 ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 97
Los resultados de los cálculos térmicos, para los equipos 1, 2 y 3 se resumen en
la tabla 4.3. Tabla 4.3 Resultados de cálculos térmicos para equipos 1, 2, y 3
Equipo # 1 Equipo # 2 Equipo # 3
Temp. Gas ent.(K) 493 493 493
Temp. Gas sal.(K) 459.53 440.79 422.85
Temp. Aire ent.(K) 303 303 303
Temp. Aire sal.(K) 360.26 386.54 409.16
Potencia Calor.(W) 28976 44209 58134
Velocidad Gas (m/s) 18.79 12.68 09.14
Para las demás cargas de trabajo y temperaturas de entrada del aire y gases se
presentan los resultados en las graficas siguientes:
Graficas para el equipo # 1, con cargas de combustible del 100%, 75% y 50%, y
diferentes temperaturas de entrada de gases de combustión y aire para una
caldera 100 CC.
Carga 100 % figura 4.11., carga 75 % figura 4.12., carga 50 % figura 4.13.
Carga 100%, Equipo #1,Caldera C.B 100 CC
10
15
20
25
30
35
393 413 433 453 473 493Temperatura entrada gases (K)
Pote
ncia
Cal
orifi
ca (k
W)
Temperatura entr. Aire 273 KTemperatura entr. Aire 283 KTemperatura entr. Aire 293 KTemperatura entr. Aire 303 KTemperatura entr. Aire 313 K
Fig.4.11 Grafica de potencia calorífica transferida por el precalentador, para diferentes
temperaturas de entrada del aire y gases de combustión para el equipo # 1, carga 100%
CAPITULO 4 ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 98
Carga 75%, Equipo #1, Caldera C.B 100 CC
8
13
18
23
28
393 413 433 453 473 493
Temperatura entrada gases (K)
Pote
ncia
cal
orifi
ca (k
W)
Temperatura entr. Aire 273 KTemperatura entr. Aire 283 KTemperatura entr. Aire 293 KTemperatura entr. Aire 303 KTemperatura entr. Aire 313 K
Fig.4.12 Grafica de potencia calorífica transferida por el precalentador, para diferentes temperaturas de entrada del aire y gases de combustión para el equipo # 1, carga 75%
Carga 50%,Equipo #1, Caldera C.B 100 C.C
6
8
10
12
14
16
18
20
22
393 413 433 453 473 493
Temperatura entrada de gases (K)
Pote
ncia
cal
orifi
ca (k
W)
Temperatura de entr. Aire 273 KTemperatura de entr. Aire 283 KTemperatura de entr. Aire 293 KTemperatura de entr. Aire 303 KTemperatura de entr. Aire 313 K
Fig.4.13. Grafica de potencia calorífica transferida por el precalentador, para diferentes temperaturas de entrada del aire y gases de combustión para el equipo # 1, carga 50%.
Graficas para el equipo # 2, con cargas de combustible del 100%, 75% y 50%, y diferentes temperaturas de entrada de gases de combustión y aire para una caldera 100 CC.
CAPITULO 4 ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 99
Carga 100 % figura 4.14., carga 75 % figura 4.15., carga 50 % figura 4.16. Carga 100%, equipo 2,caldera CB 100
15
20
25
30
35
40
45
50
55
393 413 433 453 473 493
Temperatura de entrada del gas (K)
Pote
ncia
Cal
orifi
ca (k
W)
Temperatura entr. Aire 273 KTemperatura entr. Aire 283 KTemperatura entr. Aire 293 KTemperatura entr. Aire 303 KTemperatura entr. Aire 313 K
Fig.4.14. Grafica de potencia calorífica transferida por el precalentador, para diferentes temperaturas de entrada del aire y gases de combustión para el equipo # 2, carga 100%
Carga 75%, equipo 2, caldera CB 100
13
18
23
28
33
38
43
393 413 433 453 473 493Temperatura de entrada del gas (K)
Pote
ncia
Cal
orifi
ca (k
W)
Temperatura entr. Aire 273 KTemperatura entr. Aire 283 KTemperatura entr. Aire 293 KTemperatura entr. Aire 303 KTemperatura entr. Aire 313 K
Fig.4.15. Grafica de potencia calorífica transferida por el precalentador, para diferentes temperaturas de entrada del aire y gases de combustión para el equipo # 2, carga 75%.
CAPITULO 4 ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 100
Carga 50%,Equipo 2,Caldera C.B. 100 C.C
10
15
20
25
30
393 413 433 453 473 493Temperatura de entr. Gases (K)
Pote
ncia
cal
orifi
ca (k
W)
Temperatura entr. Aire 273Temperatura entr. Aire 283 KTemperatura entr. Aire 293 KTemperatura entr. Aire 303 KTemperatura entr. Aire 313 K
Fig.4.16. Grafica de potencia calorífica transferida por el precalentador, para diferentes temperaturas de entrada del aire y gases de combustión para el equipo # 2, carga 50%.
Graficas para el equipo # 3, con cargas de combustible del 100%, 75% y 50%, y diferentes temperaturas de entrada de gases de combustión y aire para una caldera 100 CC. Carga 100 % figura 4.17., carga 75 % figura 4.18., carga 50 % figura 4.19.
Carga 100%, Equipo #3, Caldera C.B 100 C.C
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
393 413 433 453 473 493Temperatura de entrada de gases (K)
Pote
ncia
Cal
orifi
ca (k
W)
Temperatura entr. Aire 273 KTemperatura entr. Aire 283 KTemperatura entr. Aire 293 KTemperatura entr. Aire 303 KTemperatura entr. Aire 313 K
Fig.4.17. Grafica de potencia calorífica transferida por el precalentador, para diferentes temperaturas de entrada del aire y gases de combustión para el equipo # 3, carga 100%
CAPITULO 4 ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 101
Carga 75%, Equipo %3, Caldera C.B 100 CC
15
20
25
30
35
40
45
50
55
393 413 433 453 473 493Temperatura de entrada de gases (K)
Pote
ncia
Cal
orifi
ca (k
W)
Temperatura entr. Aire 273 KTemperatura entr. Aire 283 KTemperatura entr. Aire 293 KTemperatura entr. Aire 303 KTemperatura entr. Aire 313 K
Fig.4.18. Grafica de potencia calorífica transferida por el precalentador, para diferentes temperaturas de entrada del aire y gases de combustión para el equipo # 3, carga 75%
Carga 50%, Equipo #3, Caldera C.B 100 CC
10
15
20
25
30
35
40
393 413 433 453 473 493Temperatura de entrada de gases (K)
Pote
ncia
Cal
orifi
ca (k
W)
Temperatura entr. Aire 273Temperatura entr. Aire 283 KTemperatura entr. Aire 293 KTemperatura entr. Aire 303 KTemperatura entr. Aire 313 K
Fig.4.19. Grafica de potencia calorífica transferida por el precalentador, para diferentes temperaturas de entrada del aire y gases de combustión para el equipo # 3, carga 50%
CAPITULO 4 ANALISIS DE PARAMETROS TERMICOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 102
Analizando las graficas anteriores, observamos que en la figura 4.20, se presenta
la potencia calorífica transferida por precalentadores de aire en condiciones de
operación de la caldera 100 CC, cargas térmicas desde 50% hasta 100%, la
temperatura de aire en la entrada de precalentadores es 293 K y temperatura de
gases en entrada de precalentadores de aire es 493 K. El máximo poder calorífico
lo tiene el equipo numero #3, trabajando con carga 100% como 60.0 kW. Mínimo
tiene equipo #1 como 30.4 kW. Para estas condiciones de operación equipo #3
aprovecha energía de gases de escape a dos veces mayor que equipo #1.
Carga de trabajo vs. Potencia Calorifica,Temperatura entrada: aire 293 K, gases 493 K
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100Porciento de carga de trabajo (%)
Pote
ncia
Cal
orifi
ca (K
W)
Equipo # 3 Equipo # 2 Equipo # 1
Fig.4.20. Potencia calorífica transferida por los precalentadores de aire 1, 2 y 3 para
temperaturas de entrada del aire 293 K y gases de 493 K, con carga térmica de la caldera
desde 50% hasta 100%.
CAPITULO 5 ANALISIS ECONOMICO DE RESULTADOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 103
El análisis de resultados económicos consiste en obtener la configuración óptima del precalentador de aire, que más se adecua a los criterios de diseño y operación de la instalación. En esta etapa de análisis de resultados económicos, se determina el costo del equipo, el ahorro de combustible y beneficio económico. Con la finalidad de observar el comportamiento de los diferentes parámetros económicos.
CAPITULO 5 ANALISIS ECONOMICO DE RESULTADOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 104
5. ANALISIS ECONOMICO DE RESULTADOS El análisis económico de resultados consiste en obtener la configuración óptima
del precalentador de aire, que más se adecua a los criterios de diseño y operación
de la instalación.
El programa de cálculo obtiene los resultados económicos, los cuales,
corresponden a los datos de entrada que se tienen para el ejemplo de cálculo de
una caldera de 100 CC., descrito anteriormente. Como puede observarse, se
tienen 3 configuraciones de precalentadores de aire que satisfacen los criterios de
diseño y operación, y que el programa sugiere para su empleo, sin embargo, es
necesario realizar un análisis económico.
Dentro los criterios de operación tenemos los siguientes:
Determinar el coeficiente de uso de la caldera industrial en un año de
operación, que es el tiempo promedio de operación anual.
Determinar la potencia de la caldera industrial promedio en un año, que es
la carga de trabajo del combustible.
Determinar la presión de operación promedio en un año de la caldera
industrial, esta relacionada en forma directa con la temperatura de escape
de los gases de la combustión.
5.1. Análisis de resultados para definir el comportamiento de los parámetros del precalentador
La siguiente etapa en el análisis de los resultados, consiste en realizar varias
corridas, con el programa, en las que, se varia la temperatura de entrada del aire y
los gases de combustión al precalentador de aire, con la finalidad de observar el
comportamiento de los diferentes parámetros económicos. Cabe señalar, que el
CAPITULO 5 ANALISIS ECONOMICO DE RESULTADOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 105
coeficiente de exceso de aire, la altura en ambas zonas, así como los flujos de las
corrientes de aire y gases de combustión, permanecen constantes.
5.2. Análisis Económico El presente desarrollo tiene como objetivo principal el ahorro de energéticos así
como la disminución de contaminación ambiental.
Es frecuente utilizar equipos de transferencia de calor con la finalidad de
aprovechar al máximo el calor generado por los gases de combustión en calderas,
tal es el caso de los precalentadores de aire compuestos de termosifones, que
recuperan la energía de los gases de desecho de calderas y lo transfieren al aire
que se suministra para la combustión, esto trae como resultado, un incremento en
la eficiencia de la caldera, con el consecuente ahorro del combustible.
Para justificar el uso de estos equipos, es necesario realizar una evaluación
económica que incluya, el costo del equipo, costo de operación, ahorro de
combustible en términos económicos, así como, el periodo de recuperación de la
inversión.
5.2.1. Costo Total del Equipo.
Los costos totales, se define como costos de producción al total de los costos
relacionados, directa o indirectamente, con su producción, desde la adquisición de
las materias primas hasta la transferencia de los bienes y servicios terminados.
Sin embargo, se excluye de la presente evaluación económica, a los gastos
ocasionados por la distribución y venta del producto, a los cuáles se les identifica
como costos de no producción, por lo que cuando se mencionen los costos de
producción, se referirán a los costos totales y viceversa.
CAPITULO 5 ANALISIS ECONOMICO DE RESULTADOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 106
5.2.2 Ahorro de Combustible. Anteriormente se determino el incremento de eficiencia de la caldera, sin embargo,
ahora es necesario interpretar su efecto en el ahorro de combustible. Para
determinar el nuevo consumo de combustible, se utiliza la ecuación 5.1.
( )
( )RQG
PCIΔ = (5.1)
Donde:
Q = Potencia calorífica transferida por el precalentador Js
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
PCI = Poder calorífico inferior 3
Jm
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
RGΔ = Ahorro de combustible 3m
s⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
Al combustible que se consume sin precalentador de aire, se le resta el consumo
de combustible cuando ya esta instalado el precalentador, obteniéndose así el
ahorro de combustible con la ecuación.
R RG G GΔ = − (5.2)
Donde:
G = Gasto de combustible sin precalentador de aire 3m
s⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
RG = Gasto de combustible con precalentador de aire 3m
s⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
Y para cuantificar este ahorro en términos económicos, se tiene:
CAPITULO 5 ANALISIS ECONOMICO DE RESULTADOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 107
( )R cAhorro G C= Δ (5.3)
Donde:
cC = Costo del combustible en pesos mexicanos por metro cúbico 3
$m
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
Ahorro =Ahorro anual debido al costo del combustible ( )$ Y el tiempo de recuperación de la inversión se determina mediante la siguiente
ecuación.
anualAhorroinversiónt
⋅= (5.4)
5.2.3 Periodo de Recuperación. Para determinar el tiempo de recuperación de la inversión, primero es necesario
cuantificar el beneficio, es decir, el costo del combustible que se ahorra. Para
determinar el ahorro de combustible, se emplea la ecuación 5.1, por lo que se
obtiene el ahorro de gasto de combustible, El ahorro de combustible en términos
económicos se obtiene de la ecuación 5.3. Para un tiempo promedio de operación
anual de 1920 hr , y al sustituir el costo del gas natural, se obtiene, el tiempo de
recuperación de la inversión. Los resultados económicos del programa se
muestran en la tabla 5.1. Posteriormente, se muestra la representación gráfica de
los resultados en las figuras 5.1 y 5.2.
CAPITULO 5 ANALISIS ECONOMICO DE RESULTADOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 108
Tabla 5.1 Cálculos de incremento de eficiencia, ahorro de combustible y tiempo de
recuperación
Equipo # 1 Equipo # 2 Equipo # 3
Incremento de eficiencia (%) 1.87 2.88 3.82
Ahorro de gasto de combustible. 3( / )m s 0.00077 0.00117 0.00154
Ahorro de costo de combustible anual ($) 22672.7 34450.7 45345.4
Peso del equipo (Kg.) 66.425 120.78 195.818
Costo del equipo ($) 6675.14 13277.19 23064.45
Tiempo de recuperación (meses) 3.5 4.6 6.1
Ganancia neta en el primer año ( )$ 21900 32800 42500
Ahorro de gas natural vs. porciento de carga, para temp. entrada gases 493 K, temp. entrada de aire 298 K
5.4E-04
7.4E-04
9.4E-04
1.1E-03
1.3E-03
1.5E-03
50 60 70 80 90 100
Porciento de carga (%)
Aho
rro
de c
ombu
stib
le (m
3/s)
Equipo #3 Equipo #2 Equipo #1
Figura 5.1. Ahorro de gas natural para los precalentadores de aire 1, 2 y 3 para
temperaturas de entrada del aire 293 K y gases de 493 K, con diferentes cargas térmicas.
CAPITULO 5 ANALISIS ECONOMICO DE RESULTADOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 109
En la figura 5.1 se presenta el ahorro de gas natural para los precalentadores de
aire en condiciones de operación de la caldera 100 CC, cargas térmicas desde
50% hasta 100%, temperatura de aire en entrada de precalentadores es 293 K y
temperatura de gases en entrada de precalentadores de aire es 493 K. El máximo
ahorro de gas natural lo tiene el equipo numero 3 trabajando con carga 100% con
un ahorro máximo de gas natural de 0.00154 3m
s⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
. El valor mínimo lo tiene el
equipo #1 con un ahorro mínimo de gas natural de 0.00077 3m
s⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
. Para estas
condiciones de operación el equipo #3, ahorra combustible en dos veces más que
el equipo #1.
GRAFICO COSTO Y AHORRO CONTRA TIEMPO
05000
1000015000200002500030000350004000045000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12NUMERO DE MESES
CO
STO
Y A
HO
RR
O E
N P
ESO
S
Costo del equipo #1 Ahorro del combustible equipo # 1 Costo del equipo # 2Ahorro del combustible equipo # 2 Costo del equipo # 3 Ahorro del combustible equipo # 3
Figura 5.2 Grafica del tiempo de recuperación de la inversión para los equipos 1,2 y 3.
CAPITULO 5 ANALISIS ECONOMICO DE RESULTADOS
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 110
En la figura 5.2 se observa que la recuperación de la inversión a corto plazo la
tenemos con el equipo # 1, en un tiempo de 3.5 meses, una ganancia neta anual
de $ 21900 pesos mexicanos. La recuperación de la inversión en el equipo # 3 es
a largo plazo con un tiempo de 6.1 meses y una ganancia neta anual de $ 42500
de pesos mexicanos. Para estas condiciones el equipo # 3 tiene el 50% más de
ganancia neta anual.
SEPI ESIME CULHUACAN CONCLUSIONES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 111
CONCLUSIONES
Se desarrollo una metodología de cálculo geométrico, térmico y económico de
precalentadores de aire, compuestos de termosifones bimetálicos aletados, para
aprovechar la energía contenida en los gases de escape de calderas industriales.
La metodología del diseño considera las herramientas: geometría, trigonometría,
ecuaciones fundamentales de transferencia de calor, balances de energía,
modelos empíricos de coeficientes de convección, mecánica de fluidos y
propiedades físicas y químicas del aire, gases de combustión.
Se obtuvo un programa desarrollado en lenguaje Visual Basic, que facilita los
cálculos geométricos, térmicos y económicos, para la elaboración de graficas y así
facilitar la selección de precalentadores de aire en diferentes condiciones de
operación.
Se diseño una línea de 14 precalentadores de aire en base de termosifones
aletados bimetálicos, que pueden utilizarse en calderas industriales con potencias
de 15 CC. Hasta 800 CC.
De la línea de 14 de precalentadores de aire en base de termosifones aletados
bimetálicos, se realizo el cálculo geométrico, térmico y económico de tres equipos
de precalentadores para determinar cual es el equipo óptimo que puede ser
utilizado en una caldera de 100 CC. (Equipo #1, 5 hileras, 5 tubos por hilera,
Equipo #2, 7 hileras, 6 tubos por hilera, Equipo #3, 9 hileras, 7 tubos por hilera).
Finalmente, se selecciono el equipo # 3, con los siguientes beneficios que justifica
su selección. Incremento de eficiencia 3.82%, costo de ahorro anual de
combustible $45345.40, costo del equipo $23064, y un tiempo de recuperación de
la inversión 6.1 meses.
SEPI ESIME CULHUACAN RECOMENDACIONES
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 112
RECOMENDACIONES
En el desarrollo del cálculo geométrico, térmico y económico no se contempla el análisis de la resistencia aerodinámica del precalentador de aire en base de termosifones bimetalitos aletados. Se recomienda que en estudios posteriores sobre precalentadores de aire se contemple el análisis de la resistencia aerodinámica ya que tendríamos la resistencia externa de los bancos de tubos aletados expuestos al flujo transversal del aire y gases de la combustión, expresado como una diferencia de presión que dependería de las características geométricas de los termosifones aletados bimetalitos que forman el precalentador de aire.
Se propone crear un programa de cálculo en lenguaje Visual Basic que permita calcular las características aerodinámicas de la línea de 14 precalentadores de aire en base de termosifones bimetalitos aletados, para diferentes calderas industriales de potencias desde 15 CC, hasta 800 CC, lo que facilitaría el empleo del precalentador de aire más accesible en futuras investigaciones. También al realizar el estudio aerodinámico, que permite conocer las pérdidas por fricción causadas por la instalación del precalentador de aire, más las pérdidas de la caldera seria posible determinar los gastos de operación, así como los requerimientos de potencia del motor y ventilador, para un posterior estudio económico. Por otra parte, es posible realizar estudios experimentales para determinar las características de operación de bancos de tubos aletados bimetalitos con flujos transversales y cuyos resultados sean comparados con los resultados presentados por el programa de cálculo desarrollado en el presente trabajo.
SEPI ESIME CULHUACAN BIBLIOGRAFIA
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 113
BIBLIOGRAFIA 1) PYSMENNYY YE., POLUPAN G., CARVAJAL MARISCAL I. SÁNCHEZ
SILVA F. “Manual para el cálculo de intercambiadores de calor y bancos de tubos aletados.” Editorial REVERTË 2007, 197 p.
2) INCROPERA, P. Frank, DEWITT P. David, “Introduction To Heat Transfer”, 4th edition,
Prentice Hall, 1999. 3) AYALA TAPIA E.L. Desarrollo de precalentadores de aire compactos para
recuperar energía de los gases de escape de calderas industriales. Tesis de Maestría, SEPI-ESIME Zacatenco IPN, México, 2005.
4) G. JARQUIN, G. POLUPAN, A. SÁNCHEZ FLORES, A. SÁNCHEZ “RIVERA,
B. VÁZQUEZ BENÍTEZ. Calculo de las características termodinámicas de los productos de la combustión del gas natural y del combustoleo. Memorias del 6o Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas del 27 al 30 de Noviembre del 2001, México.
5) Aristóteles Sánchez Rivera. Análisis de cálculos termodinámicos de
combustión en los productos de combustibles gaseosos. Tesis de Ingeniería de ESIME Azcapotzalco IPN, México, 2003.
6) PYSMENNYY YE., GERSHUNI O., POLUPAN G., CARVAJAL MARISCAL I.,
SÁNCHEZ SILVA F., AYALA TAPIA E. L. Desarrollo de intercambiadores de calor en base a termosifones para aprovechar los gases de escape. Memorias de III Congreso Bolivariano de Ingeniería Mecánica, III COBIM, Lima, Perú, del 22 al 24 de Julio del 2003.
7) RODRIGUEZ, Jorge A., "Introducción a la Termodinámica", Universidad
Tecnológica Nacional, Primera Edición 1994. 8) FERNÁNDEZ, N. Fernando, “Caracterización Teórico Experimental de un
Equipo de Recuperación de Calor en Base a Tubos Termosifones Bifásicos", I.P.N., ESlME, Tesis de Maestría, México, D.F. Mayo 1999.
9) BELTRÁN, M. Ramón, "Diseño Teórico Experimental de un Generador de
Vapor de Baja Presión empleando Tubos Termosifones Bifásicos para Aprovechar Gases de Combustión Residuales", I.P.N., ESIME, Tesis de Maestría, México., D.F., Enero 1997.
10) KERN D. Q “Procesos de Transferencia de Calor” Compañía Editorial
Continental, S.A., México, 1981.
SEPI ESIME CULHUACAN BIBLIOGRAFIA
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 114
11) PERRY J.H., “Chemical Engineer Handbook” Mc. Graw Hill, Nueva York, 1985.
12) KENNETH W.J., DONALD E. R., “Termodinamica” Mc. Graw Hill, 2001. 13) GORDON J.V.W., SONNTAG R.E. “Fundamentos de Termodinâmica”
Limusa 1986. 14) CEBALLOS, S. J. F.,”Curso de programación de Visual Basic 6”, Alfaomega
Ra-Ma, 2006. 15) CAFFERT, S.A., “Centrales de vapor”, Editorial Reverte, 1973 16) MC. CABE, W.L., SMITH, J.C., “Operaciones básicas de Ingeniería Química”,
Editorial Reverte, 1980. 17) OZISIK, N.M., “Transferencia de calor”, Mc. Graw Hill, 1980. 18) TIZNADO, S.M.A., “Visual Basic”, Mc. Graw Hill, 1998. 19) POLUPAN, G., SÁNCHEZ, Flores A., CARVAJAL Mariscal I., JARQUIN
López G., ABUGABER Francis J., SANCHEZ Rivera A., VASQUEZ Benítez B., “Cálculo de las Características Termodinámicas de los Productos de la Combustión del Gas Natural y del Combustóleo”, 6to Congreso, México D. F., I.P.N., ESIME, 2001.
20) GERSHUNI, A., PYSMENNYY, Ye., POLUPAN, G., SANCHEZ Silva F.,
CARVAJAL Mariscal I., “Development of Heat Exchangers on the Base of Fining Thermosiphons for Efficient Saving Energy”, Congreso en Brasil, 2003.
21) PYSMENNYY, Ye., POLUPAN, G., CARVAJAL, Mariscal I., SANCHEZ Silva
“Metodología para el Calculo de la Transferencia de Calor por Conveccion en Intercambiadores de Calor con Tubos Aletados”, Congreso I.P.N., ESIME, 2003.
22) CLEAVER BROOKS COMPANY, “Manual de Especificaciones de Calderas
Cleaver Brooks, Sección A, Calderas Modelo CB”, 1994. 23) KEENAN, H. Joseph, KEYES, G., HILL, Philip y MOORE, G. Joan, “Steam
Tables”, Wiley, New York, 1978. 24) PYSMENNYY, Ye., POLUPAN G., CARVAJAL Mariscal I., SANCHEZ Silva
F. "Metodología del Cálculo de la Transferencia de Calor por Convección en Bancos de Tubos Aletados". Memorias del 3er Congreso Internacional de
SEPI ESIME CULHUACAN BIBLIOGRAFIA
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 115
Ingeniería Electromecánica y de Sistemas Tomo 3 (Ingeniería Mecánica) ISBN: 970-18-9516-9, México D. F., México, Noviembre 2003.
25) GERSHUNI, A., NISHCHIK, A., PYSMENNYY, Ye., POLUPAN, G.,
SANCHEZ, Silva F., CARVAJAL, MARISCAL I., “Compact Heat Exchangers Based on Fining Heat Pipes”, Proc. of 1st International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, South Africa, April 2002.
26) GERSHUNI, A., NISHCHIK, A., PYSMENNYY, Ye., POLUPAN, G.,
SANCHEZ, Silva F., CARVAJAL, MARISCAL., “Heat Exchangers of the "gas-gas" Type Based on Finned Heat Pipes”, International Journal of Heat Exchangers, 2004.
27) BEJAN, ADRIAN, “Convection Heat Transfer”, John Wiley & Sons, Inc., 1995. 28) GERSHUNI, A., PYSMENNYY, Ye., POLUPAN, G., SÁNCHEZ, Silva F.,
CARVAJAL, MARISCAL I., AYALA, Tapia E. L, “Desarrollo de Intercambiadores de Calor en Base a Termosifones para Aprovechar los Gases de Escape de las Calderas de Baja Potencia”, Conferencia COBIM, PERU, 2003.
29) GERSHUNI, A., PYSMENNYY, Ye., POLUPAN, G., SANCHEZ, Silva F.,
CARVAJAL, MARISCAL I., “Heat Exchanger on Base of Fining Heat Pipes for Improvement Boiler Thermal Efficiency”. Proc. of BSME-ASME 1st International Conference on thermal Engineering, Bangladesh, January 2002.
30) POLUPAN G., AYALA-TAPIA E. L., CARVAJAL-MARISCAL I., SÁNCHEZ
SILVA F., TOLENTINO-ESLAVA G., PYSMENNYY YE., GERSHUNI A. Procedimiento y programa de cálculo de las características térmicas de precalentadores de aire compactos en base de termosifones aletados bimetálicos. Mecánica Computacional (Argentina), ISSN 1666-6070, Vol. XXV, pp.1395-1412, 2006.
31) GERSHUNI, A., PYSMENNYY, Ye., POLUPAN, G., SANCHEZ, Silva F.,
CARVAJAL, MARISCAL I., “Recuperators of Heat on the Base of Compact Heat Exchangers”, Proc. of 9th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics, Hawaii, EUA, February 2002.
32) JARQUIN LÓPEZ G., POLUPAN G., HERNÁNDEZ RODRÍGUEZ J. “Cálculo
de los productos de la combustión empleando métodos numéricos”. Mecánica Computacional (Argentina), ISSN 1666-6070, Vol. XXII, pp.2452-2466, 2003.
SEPI ESIME CULHUACAN BIBLIOGRAFIA
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 116
33) JARQUIN LÓPEZ G., POLUPAN G., TOLEDO VELÁSQUEZ M., TOLENTINO ESLAVA G. Análisis numérico de los productos de la combustión. Memorias del 7o Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas del 3 al 7 de Noviembre del 2003, México
34) NOM 012 “Eficiencia Térmica de Calderas de Baja Capacidad,
Especificaciones y Método de Prueba”, 1997. 35) CENGEL, Yunus A., "Heat Transfer: a practical approach", WCB/McGraw
Hill, U.S.A., 1998. 36) WANG, J. C., and MA, Y., “Condensation Heat Transfer Inside Vertical and
Inclined Thermosyphons”, ASME J. Heat Transfer, Vol. 113, 1991. 37) GERSHUNI A., PYSMENNYY YE., POLUPAN G., SANCHEZ SILVA F.,
CARVAJAL MARISCAL I. “Gas-gas heat exchangers based on finned heat pipes”. International Journal of Heat Exchangers, USA, R.T. Edwards, ISSN 1524-5608, Vol. V(2004), #2, pp. 347-357, 2004.
38) POLUPAN G., SANCHEZ-SILVA F., JARQUIN-LOPEZ G., CALZADA SALAS
R.I. Diseño de un software para el calculo de las características termodinámicas de los productos de la combustión de combustibles líquidos y gaseosos. Abstracts of First South-American Congress on Computational Mechanics, MECOM 2002, ISSN 1666-6070, p.2569, Santa Fe – Parana, Argentina, November 2002.
39) R. A. ÁNGELES ZURITA, I. CARVAJAL MARISCAL, G. POLUPAN, J. E.
MÁRQUEZ TAVERA. Transferencia de calor en bancos de tubos lisos con flujo cruzado: investigación experimental. Memorias del 2do Congreso de Ingenierías Mecánica, Eléctrica, Electrónica y Mecatrónica (CIMEEM), Junio 2007, UAM Azcapotzalco, México, p.230-234.
40) MUÑOZ SALAZAR, R. PÉREZ ORDIANO, G. POLUPAN, G. JARQUIN
LÓPEZ. Investigación sobre los procesos térmicos en el hogar de una caldera de 100 CC tipo tubos de humo. Memorias del 2do Congreso de Ingenierías Mecánica, Eléctrica, Electrónica y Mecatrónica (CIMEEM), Junio 2007, UAM Azcapotzalco, México, p.263-268.
41) AYALA TAPIA E. L., MACIEL REYES R., POLUPAN G. Procedimiento del
cálculo de los precalentadores de aire en base de termosifones aletados. Memorias del 2do Congreso de Ingenierías Mecánica, Eléctrica, Electrónica y Mecatrónica (CIMEEM), Junio 2007, UAM Azcapotzalco, México, p.285-290.
42) PYSMENNYY YE., POLUPAN G., CARVAJAL MARISCAL I., SÁNCHEZ
SILVA F. Procedimientos del cálculo de intercambiadores de calor y bancos
SEPI ESIME CULHUACAN BIBLIOGRAFIA
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 117
de tubos aletados. Memorias del 9º Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas, ISBN: 970-36-0355-6, Noviembre 13-17, 2006, México. D.F.
43) MUÑOS SALAZAR A., MACIEL REYES R., POLUPAN G., JARQUIN LÓPEZ
G., TOLENTINO ESLAVA G., ABUGABER FRANCIS J. Influencia de la humedad del aire a las propiedades de los productos de la combustión del gas natural. Memorias del 9º Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas, ISBN: 970-36-0355-6, Noviembre 13-17, 2006, México. D.F.
44) POLUPAN G., AYALA TAPIA E. L., CARVAJAL MARISCAL I., SÁNCHEZ
SILVA F., TOLENTINO ESLAVA G., PYSMENNYY YE., GERSHUNI A. Programa del cálculo de las características térmicas de precalentadores de aire compactos para aumentar la eficiencia térmica de las calderas. Memorias del 9º Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas, ISBN: 970-36-0355-6, Noviembre 13-17, 2006, México. D.F.
45) CARVAJAL MARISCAL I., POLUPAN G., BASUALDO ROJO J.A.,
TOLENTINO ESLAVA G., ABUGABER FRANCIS J., PYSMENNYY YE. Variación de la resistencia térmica de contacto debida al envejecimiento térmico de tubos bimetálicos con aletas tipo L. Memorias del 9º Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas, ISBN: 970-36-0355-6, Noviembre 13-17, 2006, México. D.F.
46) POLUPAN G., HERNÁNDEZ-GONZÁLES L., CALZADA SALAS R.,
JARQUIN-LOPEZ G. "Diseño de un software para el calculo de las características termodinámicas de los productos de la combustión aplicado a las calderas". Memorias del 6o Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas del 27 al 30 de Noviembre del 2001, México.
47) YE. PYSMENNYY, A. GERSHUNI, G. POLUPAN, F. SÁNCHEZ-SILVA, I.
CARVAJAL MARISCAL, E. L. AYALA-TAPIA. Desarrollo de recuperadores de energía de gases de escape de calderas basados en elementos bifásicos. Memorias del 8vo Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica, CIBIM8, Octubre 23-25 del 2007, Cusco, Perú.
48) G. POLUPAN. Situación actual de las investigaciones en el área de
transferencia de calor y aerodinámica de intercambiadores de calor con tubos aletados. Memorias del II Congreso de Ingeniería Mecánica de la Universidad Libre, CONIMUL 2007, Octubre 17-19, Bosque Popular, Bogotá D.C., Colombia.
49) PYSMENNYY YE., POLUPAN G., CARVAJAL MARISCAL I., SANCHEZ
SILVA F., GIL RODRIGUEZ L.R. Características geométricas óptimas de los
SEPI ESIME CULHUACAN BIBLIOGRAFIA
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 118
bancos de tubos aletados. Memoria técnica del 7º Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica, CIBIM7, ISBN 970-36-0294-0, México, 12-14 de Octubre de 2005.
50) CARVAJAL-MARISCAL I., POLUPAN G., SANCHEZ-SILVA F., BARBOSA-
SALDANA G., BASUALDO-ROJO J.A. Experimental investigation of thermal contact resistence on bimetalic L-tipe finned tubes. Proceedings of the Forth International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, HEFAT 2005, Cairo, Egypt, 19-22 September 2005.
51) PYSMENNYY YE., GERSHUNI A., POLUPAN G., SANCHEZ SILVA F. ,
CARVAJAL MARISCAL I. “Development of effective heat exchangers based on fined thermosiphons for saving of leaving heat”. Proc. Of 4th Baltic Heat Transfer Conference, ISBN: 9986-492-78-5, Begell House Inc. (2003), pp. 579-586, Kaunas, Lituania, August 25-27 2003.
52) JARQUIN-LÓPEZ G., POLUPAN G., TOLEDO VELÁSQUEZ M.,
TOLENTINO ESLAVA G. “Calculo numérico de la combustión”. XXIV Taller Internacional “De capacitación en calderas y recipientes a presión, Temas afines y exposición industrial”. México, Agosto 20-22 de 2003.
53) PYSMENNYY YE., GERSHUNI O., POLUPAN G., CARVAJAL MARISCAL I.,
SÁNCHEZ SILVA F., AYALA TAPIA E. L. “Desarrollo de intercambiadores de calor en base a termosifones para aprovechar los gases de escape”. Memorias de III Congreso Bolivariano de Ingeniería Mecánica, III COBIM, Lima, Perú, del 22 al 24 de Julio del 2003.
54) PYSMENNYY YE., POLUPAN G., CARVAJAL MARISCAL I., SANCHEZ
SILVA F. “Metodología del cálculo de la transferencia de calor por convección en bancos de tubos aletados”. Memorias del 3er Congreso Internacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas, Obra completa ISBN: 970-18-9513-4, Tomo 3 (Ingeniería Mecánica) ISBN: 970-18-9516-9, pp.228-233, México D. F., México, Noviembre 2002.
55) GERSHUNI A., NISHCHIK A., PYSMENNYY YE., POLUPAN G., SANCHEZ-
SILVA F., CARVAJAL-MARISCAL I. "Desarrollo y evaluación de la efectividad de intercambiadores de calor basados en elementos de tipo evaporativos condensativos". Memorias de XXII Taller Internacional de Capacitación en Calderas y Recipientes a Presión del 8 a 10 de Agosto del 2001, Veracruz, México.
56) FAGHRI, A., “Heat Pipe Science and Technology”, Taylor & Francis, 1995
SEPI ESIME CULHUACAN BIBLIOGRAFIA
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 119
57) ZARIPOV, V. K., GERSHUNI, A. N., “Highly Effective Compact Heat Exchanger-Recovery Unit with Heat Pipes”, Prom Energetika, 37-39, (In Russian), 1989.
58) PIORO, L. S., PIORO, I. L., “Industrial Two-Phase Thermosyphons”, Begell
House, Inc., New York, 1997.
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 1
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 120
ANEXO 1
CALCULO DE PROPIEDADES TERMODINAMICAS DE LOS PRODUCTOS DE
LA COMBUSTION DEL GAS NATURAL EN CALDERA DE 100 CC.
La metodología del cálculo esta presentada en [4].
La caldera de 100 CC, quema gas natural con composición: metano 88.13%,
etano 9.05%, propano 1.76%, butano 0.68%, nitrógeno 0.22%, dióxido de carbono
0.16%
El exceso de aire en la combustión cambia desde 1.1 hasta 1.3.
Los resultados del cálculo están presentados en las tablas A1.1 hasta A1.9, y en la
grafica A1.1.
Tabla A1.1 Datos de inicio para el cálculo de propiedades termodinámicas del gas
natural.
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 1
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 121
Tabla A1.2 Relación de volúmenes de los gases de combustión por volumen de combustible.
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 1
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 122
Tabla A1.3 Entalpía de los productos de la combustión, sin exceso de aire
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 1
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 123
Tabla A1.4 Entalpía de los productos de la combustión, con exceso de aire 10%
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 1
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 124
Tabla A1.5 Entalpía de los productos de la combustión, con exceso de aire 15%
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 1
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 125
Tabla A1.6 Entalpía de los productos de la combustión, con exceso de aire 20%
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 1
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 126
Tabla A1.7 Entalpía de los productos de la combustión, con exceso de aire 25%
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 1
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 127
Tabla A1.8 Entalpía de los productos de la combustión, con exceso de aire 30%
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 1
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 128
Tabla A1.9 Entalpía de los productos de la combustión, y exceso de aire vs. Temperatura.
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 1
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 129
Grafica A1.1 Temperatura y exceso de aire vs. Entalpía para los gases de combustión.
ENTALPIA 3
Jm
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
TEMPERATURA ( )oC
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 130
ANEXO 2
CODIGO FUENTE DEL PROGRAMA DE CÁLCULO DESARROLLADO EN VISUAL BASIC Información sobre instalación del programa:
El programa de cómputo es un software que permite el cálculo geométrico, térmico
y económico de una línea de 14 precalentadores de aire compactos en base de
termosifones aletados bimetálicos para calderas industriales de 15 CC, hasta 800
CC. Esta sección describe la instalación y desinstalación estándar del software,
por lo que, se asume que el usuario tiene conocimientos básicos sobre
WINDOWS.
Instalación:
El proceso de instalación del programa de calculo se inicia de manera automática
al introducir el CD-ROM en la unidad lectora, con ello se tiene acceso a una
pantalla en la que se indica que se esta iniciando la instalación del programa de
calculo, a continuación solo hay que seguir los pasos que se indican durante el
proceso de instalación para finalizar el mismo. En caso de que al introducir el CD-
ROM en la unidad lectora y no se ejecutará de manera automática el sistema de
instalación, puede llevar acabo la instalación del mismo, de la siguiente forma:
Ejecute el archivo SETUP.EXE que se encuentra en la carpeta Precalentador de aire, con lo cual se iniciará el proceso de instalación antes mencionado.
Desinstalación:
En la barra de tareas de WINDOWS, haga clic en INICIO, elija PROGRAMAS o
TODOS LOS PROGRAMAS (XP), seleccione Precalentador de aire y, a
continuación, DESINSTALAR SOFTWARE. Siga las instrucciones que aparecen
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 131
en pantalla. Si se le pregunta si desea eliminar los archivos compartidos, haga clic
en NO.
REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
Para realizar la instalación de Precalentador de aire, es necesario contar con las
siguientes características del sistema.
REQUISITOS PARA PC
COMPONENTE MINIMO RECOMENDADO Procesador Cualquier procesador Intel Pentium 11, Celeron o compatible Intel Pentium 111 o superior RAM 64 MB 128 MB o más Windows 2000 Windows XP Espacio necesario para instalación 700 MB Monitor SVGA 800 x 600 con color de 16 bits Soporte Unidad de CD-ROM
“PROGRAMA DE CALCULO GEOMETRICO, TERMICO Y ECONOMICO DE PRECALENTADORES DE AIRE BASADOS EN
TERMOSIFONES ALETADOS” ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL CULHUACAN SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION
Programa desarrollado por el Ing. Ricardo Maciel Reyes. CARATULA DEL PROGRAMA Private Sub c11_Click() Form1.Show End Sub PRIMERA INTERFACE CALCULO GEOMETRICO Y TERMICO Function entalg(t, h) h = (t - (274.585710762579)) / 5.24722290727632E-05
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 132
End Function Function entala(t, h) h = (t - (274.492960542173)) / 7.0890813968326E-05 End Function Function temg(h, t) t = (6.15896283065932E-05 * h) + 274.601946232254 End Function Function tema(h, t) t = (7.0890813968326E-05 * h) + 274.492960542173 End Function Function visg(v, t) v = (t - 164) / 10000000 End Function Function cong(c, t) c = (t - (-1.02061855670066)) / 11340.206185567 End Function Function prag(p, t) p = (t - (3677.34782608697)) / -4782.60869565219 End Function Function prev(p, t) p = (t - (366.029675638371)) / 6.90131124913734E-05 End Function Function prev1(p, t) p = (t - (278.973932584269)) / 1.00806741573034E-03 End Function Function denl(p, t) p = (t - (1392.14893617021)) / -1.06382978723404 End Function Function denv(p, t) p = (t - (364.724137931034)) / 13.7931034482759 End Function Function denv1(p, t) p = (t - (278.664388700547)) / 170.245939632063 End Function Function aluga(aga, t) aga = (t - (-1327)) / 8.25286787158537 End Function Function tenl(te, t) te = (t - (652.14691943128)) / -4739.336492891 End Function Function conl(cl, t) cl = (t - (4629.24999999999)) / -6249.99999999999 End Function Function visl(vl, t) vl = (t - (592.402985074627)) / -746268656.716418
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 133
End Function Function pral(pl, t) pl = (t - (591.75)) / -125 End Function Function visa(via, t) via = (t - 137.458598726114) / 10191082.8025478 End Function Function cona(coa, t) coa = (t - (-62.5752212389373)) / 14159.2920353982 End Function Function acel(acl, t) acl = (t - (5572.99999999999)) / -115.540150202195 End Function Function revac(ac, e) ac = (e - (1.89573459715755E-03)) / 9.47867298578198E-02 End Function Function revgc(gc, e) gc = (e - (-8.41121495327097E-02)) / 9.34579439252336E-02 End Function Function capag(caa, t) caa = (t - (-3414.80141843971)) / 3.54609929078014 End Function Function capaa(cag, t) cag = (t - (-5697)) / 6 End Function Function densidada(da, t) da = (t - (890.709049255441)) / -572.737686139748 End Function Function densidadg(dg, t) dg = (t - (697.405825885468)) / -331.01621979477 End Function Function humedad(hume, t) hume = (t - (1062.04498374412)) / -3.05305943437513E-04 End Functio Private Sub c1_Click() tagra = 9.81 'CALCULO DE RELACION DE VOLUMENES GAS-COMBUSTIBLE, AIRE-COMBUSTIBLE EN FUNCION DEL EXCESO DE AIRE Call revac(ac, exai) rvac.Text = ac Call revgc(gc, exai) rvgc.Text = gc 'CALCULO DE TEMPERATURAS DE SALIDA DE GAS Y AIRE SUPUESTAS tsag = teng - 32 tsaa = tena + 43
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 134
'CICLO n = 0 comienzo: 'CALCULO DE TEMPERATURAS Y ENTALPIAS DE SALIDA GAS-AIRE 'CALCULO DE TEMPERATURAS PROMEDIO GAS-AIRE tprog.Text = Format(((Val(teng.Text) + Val(tsag.Text)) / 2), "#00.0#") tproa.Text = Format(((Val(tena.Text) + Val(tsaa.Text)) / 2), "#00.0#") tpro2 = ((Val(tprog.Text) + Val(tproa.Text)) / 2) 'CALCULO DE PROPIEDADES FISICAS GAS-AIRE 'Calculo de entalpia de gas de entrada Call entalg(teng, heg) heg = heg 'Humedad del combustible Call humedad(hume, tpro2) thuco.Text = Format(hume, "#00000") 'Capacidad calorifica del gas Call capag(cag, tprog) cpg.Text = Format(cag, "#000.0#") 'Capacidad calorifica del aire Call capaa(caa, tproa) cpa.Text = Format(caa, "#000.0#") 'Densidad del gas 'Call densidadg(dng, tprog) 'deng.Text = dng 'Densidad del aire 'Call densidada(dna, tprog) 'dena.Text = dna 'Viscocidad del gas Call visg(vg, tprog) tvig.Text = Format(vg, "#00.00E+00") 'Conductividad del gas Call cong(cg, tprog) tcog.Text = Format(cg, "#00.00E+00") 'Numero de Prandl del gas Call prag(pg, tprog) tprg.Text = Format(pg, "#00.000") If tprog <= 369 Then MsgBox "presion critica", vbInformation, "presion de saturacion" 'Presion de saturacion del agua menor a 100 C Call prev1(p, tprog) tpre.Text = Format(p, "#000.0") Else 'Presion de saturacion del agua Call prev(p, tprog) tpre.Text = Format(p, "#000.0")
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 135
End If 'Densidad del agua liquida Call denl(d, tprog) tdel.Text = Format(d, "#00.0#") If tprog <= 369 Then MsgBox "densidad de vapor critica", vbInformation, "densidad de vapor" 'densidad del vapor del agua menor a 100 C Call denv1(p, tprog) tdev.Text = Format(p, "#000.0") Else 'Densidad del vapor de agua Call denv(dv, tprog) tdev.Text = Format(dv, "#.0#") End If 'Conductividad del aluminio a temperatura promedio del gas Call aluga(ag, tprog) tcoalg.Text = Format(ag, "#00.00") 'Conductividad del aluminio a temperatura promedio del aire Call aluga(aa, tproa) tcoala.Text = Format(aa, "#00.00") 'Tension superficial del agua liquida Call tenl(te1, tprog) tsuv.Text = Format(te1, "#0.0E+00") 'Conductividad del agua liquida Call conl(te2, tprog) tconf.Text = Format(te2, "#0.0E+00") 'Viscocidad del agua liquida Call visl(te3, tprog) tvisf.Text = Format(te3, "#0.0E+00") 'Numero de Prandl del agua liquida Call pral(prl, tprog) tpraf.Text = Format(prl, "#.0#") 'Viscocidad del aire Call visa(via, tproa) tvia.Text = Format(via, "#0.0E+00") 'Conductividad del aire Call cona(coa, tproa) tcoa.Text = Format(coa, "0.00000#") 'Conductividad del acero Call acel(acl, tprog) tcoace.Text = Format(acl, "#00.0#") 'CALCULO DE DIFERENCIA MEDIA LOGARITMICA tdelt.Text = ((tsag - tena) - (teng - tsaa)) / (Log(((tsag - tena) / (teng - tsaa)))) 'CALCULO DE POTENCIA CALORIFICA tflu.Text = Format((tgc * rvgc * tprog * cpg / 273) * (teng - tsag), "#000000.0#")
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 136
'CALCULO DE CONDICIONES GEOMETRICAS DEL PRECALENTADOR ta.Text = Format(((tt * 56) + ((tt + 1) * 4)) * 0.001, "##0.00#") tp.Text = Format((((tni - 1) * 52) + 64) * 0.001, "##0.00#") tal.Text = Format(((1 + (potua / potug)) * ta), "##0.00#") tg.Text = Format(tal * potug, "##0.00#") tai.Text = Format(tal * potua, "##0.00#") ttu.Text = Int((tni * tt) - ((tni - 1) / 2)) tali.Text = Format(tal * ((tt * 0.02733 + 0.004)), "##0.00#") arta.Text = Format(tali * potua, "##0.00#") artg.Text = Format(tali * potug, "##0.00#") tattog.Text = Format(1.336253 * potug * tal * ttu, "##0.00#") tattoa.Text = Format(1.336253 * potua * tal * ttu, "##0.00#") tarcg.Text = Format(0.0785 * potug * tal * ttu, "##0.00#") tarca.Text = Format(0.0785 * potua * tal * ttu, "##0.00#") ttrae.Text = Format(0.0628 * potug * tal * ttu, "##0.00#") ttrac.Text = Format(0.0628 * potua * tal * ttu, "##0.00#") tatag.Text = Format(0.94 * tattog, "##0.00#") tataa.Text = Format(0.94 * tattoa, "##0.00#") tattg.Text = Format(0.06 * tattog, "##0.00#") tatta.Text = Format(0.06 * tattoa, "##0.00#") 'CALCULO DE GASTOS VOLUMETRICOS GAS-AIRE gara.Text = Format(tgc * rvac * tproa / 273, "#0.000#") garg.Text = Format(tgc * rvgc * tprog / 273, "#0.000#") 'CALCULO DE VELOCIDADES GAS-AIRE tveg.Text = Format(garg / artg, "#00.0#") tvea.Text = Format(gara / arta, "#00.0#") 'CALCULO DE NUMERO DE REYNOLDS reg.Text = Format((tveg * tdet) / tvig, "#00000") rea.Text = Format((tvea * tdet) / tvia, "#00000") 'DECISION SOBRE EL REYNOLDS CRITICO If reg <= 5000 Then MsgBox "REYNOLDS CRITICO", vbInformation, "REYNOLDS" If n = 20 Then Stop End Else End If 'Stop Else End If 'CALCULO DE COEFICIENTE DE CONVECCION RELATIVO If tni < 8 Then tcz.Text = Format((3.15 * ((tni) ^ 0.05)) - 2.5, "0.000#") tcz = Val(tcz.Text) Else
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 137
tcz.Text = 1 tcz = Val(tcz.Text) End If tca.Text = Format(1 - (tea / tpa) + (1 / 2 / tdet / tpa) * ((tda ^ 2) - (tdet ^ 2) + (2 * tda * tea)), "#0.00#") tpf.Text = Format(((tpn / tdet) / (tpl / tdet)) - 2 - (1.26 / tca), "#0.00#") tthp.Text = Format(((Exp(2 * tpf)) - 1) / ((Exp(2 * tpf)) + 1), "#0.00#") tccc.Text = Format(0.7 + (0.08 * tthp) + (0.005 * tca), "#0.00#") tcpc.Text = Format((1.36 - tthp) * ((1.1 / (tca + 8)) - 0.014), "#0.000#") tcocovg.Text = Format((1.13 * tcz * tcpc * tcog / tdet) * ((tprg) ^ 0.33) * ((tveg * tdet / tvig) ^ tccc), "#0.00#") tcocova.Text = Format((1.13 * tcz * tcpc * tcoa / tdet) * ((tpra) ^ 0.33) * ((tvea * tdet / tvia) ^ tccc), "#0.00#") tpamg.Text = Format((((2 * tcocovg) / (tea * tcoalg)) ^ 0.5), "#0.00#") tpama.Text = Format((((2 * tcocova) / (tea * tcoala)) ^ 0.5), "#0.00#") talarg.Text = Format(tala * (1 + ((Log(tda / tdet)) * (0.191 + (0.054 * tda / tdet)))), "0.000#") tfag.Text = Format(tpamg * talarg, "0.000#") tfaa.Text = Format(tpama * talarg, "0.000#") tefg.Text = Format(((Exp(2 * tfag)) - 1) / ((Exp(2 * tfag)) + 1) / (tfag), "0.000#") tefa.Text = Format(((Exp(2 * tfaa)) - 1) / ((Exp(2 * tfaa)) + 1) / (tfaa), "0.000#") tccag.Text = Format(((((Exp(2 * ((tfag * 2) - 1))) - 1) / ((Exp(2 * ((tfag * 2) - 1))) + 1)) + 1) * (((tda / tdet) - 1) * (-0.016)) + 1, "0.000#") tccaa.Text = Format(((((Exp(2 * ((tfaa * 2) - 1))) - 1) / ((Exp(2 * ((tfaa * 2) - 1))) + 1)) + 1) * (((tda / tdet) - 1) * (-0.016)) + 1, "#0.000#") tcofg.Text = Format((tcocovg) * ((tatag * tefg * tccag / tattog) + (tattg / tattog)), "#0.00#") tcofa.Text = Format((tcocova) * ((tataa * tefa * tccaa / tattoa) + (tatta / tattoa)), "#0.00#") 'COEFICIENTE DE CONVECCION EN EBULLICION tpate.Text = Format((tsuv / (tagra * (tdel - tdev))) ^ 0.5, "#0.00000#") tcopre.Text = Format((tpre) / ((tsuv * tagra * (tdel - tdev)) ^ 0.5), "#00000.0#") tcoeb.Text = Format((0.0123 * tconf / tpate) * ((tpraf) ^ 0.35) * ((tcopre) ^ 0.54) * ((tdet / tpate) ^ 0.17) * ((tflu * tpate / thuco / tdev / tvisf) ^ 0.5), "#00000.0#") 'COEFICIENTE DE CONVECCION EN CONDENSACION tcocon.Text = Format((0.348 * tconf) / ((((tvisf) ^ 2) / (tagra - (tagra * tdev / tdel))) ^ 0.33), "#00000.0#") 'CALCULO DE RESISTENCIA TOTAL TERMICA tretot.Text = Format((1 / (tcofg * tattog)) + (1 / (tcofa * tattoa)) + (1 / (tcoeb * ttrae)) + (1 / (tcocon * ttrac)) + (treco + (tesac / tcoace) + (tesal / tcoalg)) * ((1 / tarcg) + (1 / tarca)), "#0.00000#") 'CALCULO DE TASA DE FLUJO DE CALOR tnfluc.Text = Format((tdelt / tretot), "#00") 'PROCESO DE DECISION LOGICA PARA TERMINAR EL CALCULO DEL PRECALENTADOR 'Calculo de nueva temperatura de aire de salida
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 138
tsa1.Text = Format((Val(tena.Text)) + ((Val(tnfluc.Text)) / (tgc * rvac * tproa * cpa / 273)), "#00.0#") 'Calculo de nueva temperatura de gas de salida tsg1.Text = Format(teng - (tnfluc / (tgc * rvgc * tprog * cpg / 273)), "#00.0#") promediog = (Val(tsag) + Val(tsg1)) / 2 tsag.Text = Format(promediog, "#00.0#") promedioa = (Val(tsaa) + Val(tsa1)) / 2 tsaa.Text = Format(promedioa, "#00.0#") calor = (Val(tnfluc) + Val(tflu)) / 2 tflu.Text = Format(calor, "#00") If Abs(tsg1 - tsag) <= 0.1 Then MsgBox "Se encontraron las temperaturas finales", vbInformation, "TEMPERATURAS DE SALIDA" Else n = n + 1 ni.Text = n GoTo comienzo End If End Sub Private Sub c15_Click() tgc.Text = 0.00492 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 15 CC" End Sub Private Sub c150_Click() tgc.Text = 0.04939717 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 150 CC" End Sub Private Sub c2_Click() MsgBox "Seleccione en las pestañas superiores:Tipo de Caldera y Tipo de Precalentador", vbInformation, "Seleccion de Tipo de Caldera y Precalentador" End Sub Private Sub c20_Click() tgc.Text = 0.006567935 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 20 CC" End Sub Private Sub c200_Click() tgc.Text = 0.06583667 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 200 CC" End Sub Private Sub c250_Click() tgc.Text = 0.08227617 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 250 CC" End Sub Private Sub c3_Click() f2.Show
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 139
End Sub Private Sub c30_Click() tgc.Text = 0.009871567 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 30 CC" End Sub Private Sub c300_Click() tgc.Text = 0.098755 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 300 CC" End Sub Private Sub c350_Click() tgc.Text = 0.1152338 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 350 CC" End Sub Private Sub c4_Click() f3.Show End Sub Private Sub c40_Click() tgc.Text = 0.0131752 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 40 CC" End Sub Private Sub c400_Click() tgc.Text = 0.131752 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 400 CC" End Sub Private Sub c5_Click() peso.Show End Sub Private Sub c50_Click() tgc.Text = 0.01647883 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 50 CC" End Sub Private Sub c500_Click() tgc.Text = 0.1645917 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 500 CC" End Sub Private Sub c60_Click() tgc.Text = 0.01974313 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 60 CC" End Sub Private Sub c600_Click() tgc.Text = 0.1974313 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 600 CC" End Sub Private Sub c70_Click() tgc.Text = 0.02304677
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 140
lb1.Caption = "CALDERA C.B. 70 CC" End Sub Private Sub c700_Click() tgc.Text = 0.2304677 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 700 CC" End Sub Private Sub c750_Click() tgc.Text = 0.2468678 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 750 CC" End Sub Private Sub c80_Click() tgc.Text = 0.0263504 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 80 CC" End Sub Private Sub c100_Click() tgc.Text = 0.03291833 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 100 CC" End Sub Private Sub c125_Click() tgc.Text = 0.04113809 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 125 CC" End Sub Private Sub c800_Click() tgc.Text = 0.2633467 lb1.Caption = "CALDERA C.B. 800 CC" End Sub Private Sub e1011_Click() tt.Text = "10" 'Numero de tubos por hilera tni.Text = "11" 'Numero de hileras lb9.Caption = "Equipo #7 : 10 Tubos p/Hilera, 11 Hileras " End Sub Private Sub e1111_Click() tt.Text = "11" 'Numero de tubos por hilera tni.Text = "11" 'Numero de hileras lb9.Caption = "Equipo #8 : 11 Tubos p/Hilera, 11 Hileras " End Sub Private Sub e1113_Click() tt.Text = "11" 'Numero de tubos por hilera tni.Text = "13" 'Numero de hileras lb9.Caption = "Equipo #9 : 11 Tubos p/Hilera, 13 Hileras " End Sub Private Sub e1213_Click() tt.Text = "12" 'Numero de tubos por hilera tni.Text = "13" 'Numero de hileras lb9.Caption = "Equipo #10 : 12 Tubos p/Hilera, 13 Hileras "
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 141
End Sub Private Sub e1313_Click() tt.Text = "13" 'Numero de tubos por hilera tni.Text = "13" 'Numero de hileras lb9.Caption = "Equipo #11 : 13 Tubos p/Hilera, 13 Hileras " End Sub Private Sub e1315_Click() tt.Text = "13" 'Numero de tubos por hilera tni.Text = "15" 'Numero de hileras lb9.Caption = "Equipo #12 : 13 Tubos p/Hilera, 15 Hileras " End Sub Private Sub e1415_Click() tt.Text = "14" 'Numero de tubos por hilera tni.Text = "15" 'Numero de hileras lb9.Caption = "Equipo #13 : 14 Tubos p/Hilera, 15 Hileras " End Sub Private Sub e1515_Click() tt.Text = "15" 'Numero de tubos por hilera tni.Text = "15" 'Numero de hileras lb9.Caption = "Equipo #14 : 15 Tubos p/Hilera, 15 Hileras " End Sub Private Sub e55_Click() tt.Text = "5" 'Numero de tubos por hilera tni.Text = "5" 'Numero de hileras lb9.Caption = "Equipo #1 : 5 Tubos p/Hilera, 5 Hileras " End Sub Private Sub e67_Click() tt.Text = "6" 'Numero de tubos por hilera tni.Text = "7" 'Numero de hileras lb9.Caption = "Equipo #2 : 6 Tubos p/Hilera, 7 Hileras " End Sub Private Sub e79_Click() tt.Text = "7" 'Numero de tubos por hilera tni.Text = "9" 'Numero de hileras lb9.Caption = "Equipo #3 : 7 Tubos p/Hilera, 9 Hileras " End Sub Private Sub e89_Click() tt.Text = "8" 'Numero de tubos por hilera tni.Text = "9" 'Numero de hileras lb9.Caption = "Equipo #4 : 8 Tubos p/Hilera, 9 Hileras " End Sub Private Sub e911_Click() tt.Text = "9" 'Numero de tubos por hilera tni.Text = "11" 'Numero de hileras lb9.Caption = "Equipo #6 : 9 Tubos p/Hilera, 11 Hileras "
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 142
End Sub Private Sub e99_Click() tt.Text = "9" 'Numero de tubos por hilera tni.Text = "9" 'Numero de hileras lb9.Caption = "Equipo #5 : 9 Tubos p/Hilera, 9 Hileras " End Sub Private Sub Form_Load() tda.Text = ".056" 'Diametro de aletas tdet.Text = ".028" 'Diametro exterior del tubo tpa.Text = ".003" 'Paso entre aletas tea.Text = ".0005" 'Espesor de aleta tpn.Text = ".06" 'Paso Transversal tpl.Text = ".052" 'Paso longitudinal tpra.Text = ".71" 'Numero de Prandtl aire tala.Text = ".014" 'Altura de aleta treco.Text = ".00025" 'Resistencia de contacto tesac.Text = ".0025" 'Espesor de tubo de acero tesal.Text = ".0015" 'Espesor de tubo de aluminio teng.Text = "493" 'Temperatura entrada del gas kelvin tena.Text = "303" 'Temperatura entrada del aire kelvin potug.Text = ".59" '% de largo del tubo para gas potua.Text = ".41" '% de largo del tubo para aire exai.Text = "1.2" 'Exceso de aire End Sub SEGUNDA INTERFACE CÁLCULO DE EFICIENCIAS. Function entalg(t, h) h = (t - (274.601946232254)) / 6.15896283065932E-05 End Function Function entala(t, h) h = (t - (274.492960542173)) / 7.0890813968326E-05 End Function Private Sub c4_Click() t1.Text = Form1!teng t3.Text = Form1!tsg1 t5.Text = Form1!tena t7.Text = Form1!tsa1 t10.Text = Form1!exai t12.Text = Form1!lb1 Text1.Text = Form1!lb9 tgc = Form1!tgc tcal.Text = Form1!tnfluc tgcn = tgc - (tcal / t9) tcal.Text = Format(tcal / tgcn, "##0.0000#")
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 143
Call entala(t1, hea2) t22 = hea2 Call entala(t3, hea4) t44 = hea4 Call entalg(t1, heg) t2.Text = Format(heg + ((t10 - 1) * t22), "##0.00#") Call entalg(t3, hsg) t4.Text = Format(hsg + ((t10 - 1) * t44), "##0.00#") Call entala(t5, hea) t6.Text = Format(hea, "##0.00#") Call entala(t7, hsa) t8.Text = Format(hsa, "##0.00#") t11.Text = Format(((t2 - (t10 * t6)) / t9) * 100, "##.####") t11n.Text = Format(((t4 - (t10 * t6)) / (Val(t9) + Val(tcal))) * 100, "##.####") Select Case t12 Case "CALDERA C.B. 15 CC" t13.Text = 5.6 tq5.Text = 3.5 Case "CALDERA C.B. 20 CC" t13.Text = 4.9 tq5.Text = 3.46 Case "CALDERA C.B. 30 CC" t13.Text = 4.2 tq5.Text = 3.4 Case "CALDERA C.B. 40 CC" t13.Text = 3.7 tq5.Text = 3.34 Case "CALDERA C.B. 50 CC" t13.Text = 3.3 tq5.Text = 3.3 Case "CALDERA C.B. 60 CC" t13.Text = 3.1 tq5.Text = 3.2 Case "CALDERA C.B. 70 CC" t13.Text = 2.9 tq5.Text = 3.1 Case "CALDERA C.B. 80 CC" t13.Text = 2.8 tq5.Text = 3 Case "CALDERA C.B. 100 CC" t13.Text = 2.5 tq5.Text = 2.9 Case "CALDERA C.B. 125 CC" t13.Text = 2.3 tq5.Text = 2.8
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 144
Case "CALDERA C.B. 150 CC" t13.Text = 2.1 tq5.Text = 2.6 Case "CALDERA C.B. 200 CC" t13.Text = 1.9 tq5.Text = 2.3 Case "CALDERA C.B. 250 CC" t13.Text = 1.7 tq5.Text = 2 Case "CALDERA C.B. 300 CC" t13.Text = 1.6 tq5.Text = 1.85 Case "CALDERA C.B. 350 CC" t13.Text = 1.5 tq5.Text = 1.6 Case "CALDERA C.B. 400 CC" t13.Text = 1.4 tq5.Text = 1.5 Case "CALDERA C.B. 500 CC" t13.Text = 1.3 tq5.Text = 1.45 Case "CALDERA C.B. 600 CC" t13.Text = 1.2 tq5.Text = 1.4 Case "CALDERA C.B. 700 CC" t13.Text = 1.1 tq5.Text = 1.3 Case "CALDERA C.B. 750 CC" t13.Text = 1.09 tq5.Text = 1.25 Case "CALDERA C.B. 800 CC" t13.Text = 1.05 tq5.Text = 1.2 End Select tq5n.Text = tq5 t13n.Text = t13 tef.Text = 100 - tq5 - t13 - t11 tefn.Text = 100 - tq5n - t13n - t11n tdif.Text = Format(tefn - tef, "##.##") End Sub Private Sub Form_Load() t9.Text = "37850000" 'tq5.Text = "3" End Sub
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 145
TERCERA INTERFACE AHORRO DE COMBUSTIBLE. Function enagua(t, h) h = (t - (272.94326664676)) / 2.38877276799044E-04 End Function Function envapor(t, h) h = (t - (-1914.17948717949)) / 8.54700854700855E-04 End Function Private Sub c5_Click() Label4.Caption = Form1!lb1 Label5.Caption = Form1!lb9 tcal.Text = Form1!tnfluc t7.Text = f2!t9 t8.Text = Form1!tgc t13.Text = Format(tcal / t7, "0.0000#") t11.Text = Format(t8 - t13, "0.0000#") t15.Text = Format(t14 * t13 * t12, "#00000.00#") End Sub Private Sub Text1_Change() End Sub Private Sub Form_Load() t12.Text = "4.26" t14.Text = "6912000" End Sub Private Sub t10_Change() End Sub Private Sub t5_Change() End Sub CUARTA INTERFACE PESO Y COSTO DEL EQUIPO. Private Sub c1_Click() Label30.Caption = Form1!lb1 Label31.Caption = Form1!lb9 t1.Text = Form1!ttu t2.Text = Form1!tal t33 = f3!t15 t7.Text = Format(t3 * t1 * t2 * t4, "##0.00#") t8.Text = Format(t5 * t1 * t2 * t6, "##0.00#") t9.Text = Val(t7) + Val(t8) t11.Text = Format(t1 * t2 * t10, "##0.00#") t12.Text = Form1!tp t13.Text = Form1!ta
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 2
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 146
t15.Text = Format(t12 * t13 * t14, "0.0000#") t16.Text = Format((t12 * t13 * t14) * 0.78, "0.0000#") t17.Text = Format(2 * t16 * t4, "0.0000#") t21.Text = Format(2 * t15 * t4, "0.0000#") t19.Text = Format(t21 * t18, "0.0000#") t22.Text = Format(4 * t12 * t2 * t25, "0.0000#") t23.Text = Format(t22 * t4, "0.0000#") t24.Text = Format(t23 * t18, "0.0000#") t27.Text = Format(3 * (t12 * t13 * t26), "0.0000#") t28.Text = Format(t27 * t6, "0.0000#") t30.Text = Format(t28 * t29, "0.0000#") t31.Text = Format(Val(t9) + Val(t23) + Val(t28) + Val(t21), "0.00#") t32.Text = Format(Val(t11) + Val(t30) + Val(t24) + Val(t19), "0.00#") trec.Text = Format((t32 / t33) * 12, "0.00#") End Sub Private Sub c2_Click() End End Sub Private Sub Form_Load() t3.Text = "1.8435E-4" t4.Text = "7680" t5.Text = "1.3217E-4" t6.Text = "7680" t10.Text = "500" t14.Text = "0.015" t18.Text = "20.00" t25.Text = "0.003" t26.Text = "0.003" t29.Text = "20.00" End Sub
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 3
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 147
ANEXO 3 En el anexo 3 se presentan cuatro publicaciones realizadas durante el desarrollo
de la Maestría en Ciencias de Ingeniería en Sistemas Energéticos.
ANEXO A3.1 9o CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Y DE SISTEMAS
NOVIEMBRE 2006, México, DF. Influencia de la humedad del aire a las propiedades de los productos de la
combustión del gas natural A. Muñoz Salazar1, R. Maciel Reyes1, G. Polupan2, G. Jarquin Lopez1,
G. Tolentino Eslava2, J. Abugaber Francis2,
1SEPI ESIME Culhuacan, IPN, México D. F., México 2SEPI ESIME Zacatenco, IPN, México D.F., México
Teléfono (55) 5729 6000 Ext. 54783, Fax (55) 5729 6000 Ext. 54754, E-mail: gpolupan@ipn.mx
ANEXO A3.2 10o CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA
ELECTROMECÁNICA Y DE SISTEMAS NOVIEMBRE 2007, México, DF.
Desarrollo de Precalentadores de Aire para una Caldera Tipo Tubos de
Humo
R. Maciel Reyes1, G. Polupan2, Ye. Pysmennyy3, O. Gershuni3, I. Carvajal Mariscal2, F. Sánchez Silva2,
1SEPI ESIME Culhuacan, IPN, México D. F., México Teléfono (55) 5729 6000 Ext. 54783, E-mail: maciel5911@yahoo.com.mx
2SEPI ESIME Zacatenco, IPN, México DF., México 3Universidad Técnica Nacional de Ucrania, Kyiv, Ucrania
SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 3
TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES 148
ANEXO A3.2 22ºº CCOONNGGRREESSOO DDEE IINNGGEENNIIEERRÍÍAASS MMEECCÁÁNNIICCAA,, EELLÉÉCCTTRRIICCAA,,
EELLEECCTTRRÓÓNNIICCAA YY MMEECCAATTRRÓÓNNIICCAA JUNIO 2007, México, DF.
Procedimiento del Cálculo de los Precalentadores de Aire en Base de Termosifones Aletados.
Ayala Tapia Eric Leobardo, Maciel Reyes Ricardo, Polupan Georgiy
Instituto Politécnico Nacional, SEPI ESIME IPN, Av. IPN s/n, Edif. 5, Col. Lindavista, México D. F., México, CP 07738. Tel. 5255 5729 6000 Ext. 54783. gpolupan@ipn.mx
ANEXO A3.2 Convención Internacional de Energía y Medio Ambiente, CIEMA-07,
Santiago de Cuba, 7-9 de Noviembre, 2007 Desarrollo de Precalentadores de Aire para Aprovechar la Energía de los
Gases de Escape e Incrementar la Eficiencia Térmica de Calderas Industriales
Ricardo Maciel1, Georgiy Polupan1, Ignacio Carvajal Mariscal1, Florencio Sánchez
Silva1, Yevgen Pysmennyy2, Aleksander Gershuni2.
1 Instituto Politécnico Nacional, ESIME IPN, México 2 Universidad Técnica Nacional de Ucrania, Kyiv, Ucrania
gpolupan@ipn.mx .
top related