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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



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



CONCLUSIONES 111

RECOMENDACIONES 112

BIBLIOGRAFIA 113

ANEXO 1 120

ANEXO 2 130

ANEXO 3 147

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


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 4.8 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


TESIS DE GRADO ING. RICARDO MACIEL REYES iii

del aire y gases para el equipo # 2, 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.


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.


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


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.


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:


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.


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.



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].



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.



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



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.



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



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

= +

= + = + = + +

⇒ + = − ⇒ = −

= ∴

= −



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.



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



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



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.



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



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



[ ]∑+++= )()()()(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 .



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].



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



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.



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.



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



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



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.



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].



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



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].



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



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)



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



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].



Figura 1.10 Componentes de la instalación del precalentador de aire [3].



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


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.



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.



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



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.



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)



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)



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)



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.



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).


ebullición.


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



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



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



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



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 ,



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)



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]:



( )´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



% 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



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



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



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)



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.



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.



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.



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



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.



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.



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”.



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.



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.



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.



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.



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.



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.



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.



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



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.



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.



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.



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




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


Figura. 2.25. Diagrama de flujo de la segunda interfase

FIN




de la tercera interfase del Programa. Puede observarse el cálculo en forma


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


Figura. 2.26. Diagrama de flujo de la tercera interfase

FIN




de la cuarta interfase del Programa. Puede observarse el cálculo en forma


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


Figura. 2.27. Diagrama de flujo de la cuarta interfase

FIN

CAPITULO 3 CÁLCULO DE PARAMETROS GEOMETRICOS Y TERMICOS


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.



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



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:



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.



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= − =



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= =



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



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 = − =



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:



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:



( )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



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:



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.



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 = = °



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


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.



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



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.



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 # 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.



Figura 4.5. Calculo geométrico del precalentador, equipo #1







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:






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:


Figura 4.8. Calculo térmico del precalentador, equipo #1




Figura 4.9. Calculo térmico del precalentador, equipo #2


Figura 4.10. Calculo térmico del precalentador, equipo #3.



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


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%



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)


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.



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)


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)





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


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)





Carga 75%, Equipo %3, Caldera C.B 100 CC

15

20

25

30

35

40

45

50

55


Pote

ncia

Cal

orifi

ca (k

W)



Carga 50%, Equipo #3, Caldera C.B 100 CC

10

15

20

25

30

35

40


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




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)


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


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.



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



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.



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:



( )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.



Tabla 5.1 Cálculos de incremento de eficiencia, ahorro de combustible y tiempo de

recuperación


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.



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.



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


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


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


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49) PYSMENNYY YE., POLUPAN G., CARVAJAL MARISCAL I., SANCHEZ

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51) PYSMENNYY YE., GERSHUNI A., POLUPAN G., SANCHEZ SILVA F. ,

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52) JARQUIN-LÓPEZ G., POLUPAN G., TOLEDO VELÁSQUEZ M.,

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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

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55) GERSHUNI A., NISHCHIK A., PYSMENNYY YE., POLUPAN G., SANCHEZ-

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56) FAGHRI, A., “Heat Pipe Science and Technology”, Taylor & Francis, 1995



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58) PIORO, L. S., PIORO, I. L., “Industrial Two-Phase Thermosyphons”, Begell

House, Inc., New York, 1997.

SEPI ESIME CULHUACAN ANEXO 1


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.



Tabla A1.2 Relación de volúmenes de los gases de combustión por volumen de combustible.



Tabla A1.3 Entalpía de los productos de la combustión, sin exceso de aire



Tabla A1.4 Entalpía de los productos de la combustión, con exceso de aire 10%



Tabla A1.9 Entalpía de los productos de la combustión, y exceso de aire vs. Temperatura.



Grafica A1.1 Temperatura y exceso de aire vs. Entalpía para los gases de combustión.

ENTALPIA 3

Jm

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

TEMPERATURA ( )oC



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



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



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



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



'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")



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#")



'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



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



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



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



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 "



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 "



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#")



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



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



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



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



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: [email protected]

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: [email protected]

2SEPI ESIME Zacatenco, IPN, México DF., México 3Universidad Técnica Nacional de Ucrania, Kyiv, Ucrania



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. [email protected]

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

[email protected] .

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL€¦ · Cq Coeficiente que contempla al parámetro de forma y al...

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