UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

INFLUENCIA DE LAS DISTINTAS VARIABLES EN EL DISEÑO DE HORNOS

Por:

Walter Johannes Krispin Rivera

PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico

Sartenejas, Febrero de 2009

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE MECÁNICA

INFLUENCIA DE LAS DISTINTAS VARIABLES EN EL DISEÑO DE HORNOS

Por:

Walter Johannes Krispin Rivera

Realizado con la asesoría de: Tutor del Proyecto Profesor Juan Rodriguez

PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico

Sartenejas, Febrero de 2009

RESUMEN

Sin duda, el proceso de diseño de un horno industrial conjuga la manipulación de distintas variables tanto geométricas como propiedades termodinámicas del fluido de trabajo y del fluido que transmite calor. El objetivo primordial de este proyecto reside en entender cómo influyen dichas variables en el diseño final del equipo a partir de la presentación de dos temas principales: entender el proceso de combustión y proponer una metodología de cálculo de diseño en la transferencia de calor en la zona radiante del horno. De manera que a partir de herramientas básicas de computación como programas ”Microsoft Excel” y “Mathcad 13” se ha podido resolver un problema real de ingeniería y la idea es cualquier persona ligada a la ingeniería y sus conceptos básicos esté en la capacidad de entender lo propuesto en el presente proyecto. Los resultados obtenidos indican que con ligeras variaciones con la configuración geométrica y/o conjugación de diferentes temperaturas de salida de los gases o con precalentar el aire antes de que reacciones en la cámara de combustión, se generan cambios importantes en el área de transferencia de calor y caídas de presión en el fluido interno. De manera que es posible mediante el método de cálculo propuesto en este proyecto conseguir optimizaciones en el diseño de hornos industriales y asegurar la transferencia de calor con equipos que arrojan menor costos en cuanto a la relación de precios de los materiales que conforman el área de transferencia de calor junto con caídas de presiones menores que representan costos de bombeos menores. Se reportaron otros métodos en la literatura para ser comparados en cuanto a metodología de cálculo y resultados; se encontró que en estos métodos no se toman en cuenta directamente todas la variables geométricas que definen la configuración de un horno y en este proyecto se evidencia que estas variables son de suma importancia e influyen notablemente en el cálculo y diseño final de un horno. Palabras clave: hornos, combustión, radiación, influencia de variables, diseño.

iii

ÍNDICE GENERAL Índice general

iv

Índice de tablas

viii

Índice de figuras

xi

Nomenclatura

xvi

Dedicatoria

xviii

Introducción

1

Capítulo 1 Generalidades de un horno y sus elementos constitutivos

4

1.1 Cámara de combustión

5

1.2 Zona convectiva

6

1.3 Materiales refractarios y aislantes

7

1.4 Quemadores

9

1.5 Serpentín

9

1.6 Aletas o superficies extendidas

11

1.7 Chimenea

13

1.8 Limpiadores de hollín

14

1.9 Selección y tipos de horno

15

1.9.1 Hornos verticales

15

1.9.2 Hornos horizontales

19

Capítulo 2 Combustión

24

2.1 Generalidades de la reacción de combustión

24

2.2 Cantidad estequiométrica de aire y porcentaje de aire en exceso

25

2.3 Análisis de la Primera ley de termodinámica en sistemas abiertos para un proceso de combustión

28

2.3.1 Determinación del Poder Calorífico del combustible propano C3H8

31 32

2.4 Temperatura de llama adiabática 2.4.1 Determinación de la temperatura de llama adiabática del combustible

33

metano CH4 2.5 Influencia del porcentaje de aire en exceso en un proceso de

36

combustión en el valor de la llama adiabática 2.6 Valores estequiométricos para combustibles multicomponentes iv

38

2.7 Influencia del precalentamiento del aire en el proceso de combustión sobre la temperatura de llama adiabática

40

2.8 Tipos de combustibles

42

Capítulo 3 Radiación térmica en gases no transparentes

46

3.1 Emisividad del H2O y CO2 como gases de combustión en un recinto 46

cerrado 3.1.1 Cálculo de las presiones parciales de una mezcla de gases

47

3.1.1.a Cálculo de las presiones parciales del H2O y CO2 según el porcentaje de aire en exceso en la reacción de combustión

48

3.2 Corrección para el caso de que la presión total de la mezcla sea 51

diferente a 1atm 3.3 Factor de corrección de la emisividad de una mezcla de H2O y CO2

51

3.4 Intercambio entre un gas isotermo y un recinto negro

53

Capítulo 4 Consideraciones generales en la transferencia de calor en hornos industriales

57

4.1 Conducción

57

4.2 Convección

59

4.2.1 Convección de flujo turbulento en tubos circulares

60

4.2.2 Convección libre de flujos externos. Cilindro largo horizontal

61

4.3 Radiación

62

4.3.1 Intercambio de radiación de cuerpo negro

62

4.3.2 Intercambio de radiación con un cuerpo rerradiante

63

4.4 Aletas o superficies extendidas

64

Capítulo 5 Metodología de cálculo en el diseño de un horno industrial 5.1 Establecimiento y definición de las variables

66 66

5.2 Ecuaciones de balance de energía en el fluido de trabajo y el fluido que proporciona la transferencia de calor

67

5.3 Cálculo de la zona de radiación

72

5.3.1 Cálculo de absorción de calor en la sección radiante según el método Lobo y Evans

72

5.4 Algoritmo de cálculo en la zona radiante de un horno industrial

80

5.5 Cálculo de la zona de convección (banco de tubos)

81

v

5.6 Área total de transferencia de calor

87

5.7 Caída de presión

88

Capítulo 6 Planteamiento del problema; ejemplo de cálculo de diseño de un horno industrial de crudo

93

6.1 Cálculo del calor total transferido, de radiación y de convección

93

6.2 Valores obtenidos en el cálculo de la zona de radiación

96

6.3 Cálculo del calor absorbido por los tubos coraza

100

6.4 Valores obtenidos en el cálculo del banco de tubos

101

6.5 Coeficiente de convección interno en el banco de tubos

103

6.6 Valores obtenidos en el cálculo de áreas de transferencia de calor

104

6.7 Resultados de caída de presión

105

6.8 Influencia del término convectivo externo libre en el cálculo de la zona de radiación

105

Capítulo 7 Influencia de las distintas variables en el diseño de hornos

107

7.1 Resultados obtenidos al cambiar la distancia centro a centro de los tubos “C”

108

7.2 Resultados obtenidos al cambiar el número de tubos por pared #tubosparedvertical

112

7.3 Resultados obtenidos al cambiar el número de pasos Nsec

115

7.4 Resultados obtenidos al cambiar el flujo másico de los gases de 117

combustión mgas 7.5 Resultados obtenidos al cambiar

el diámetro nominal de los

tubos Dn

121

7.6 Resultados obtenidos al cambiar porcentaje del calor total cedido en la zona de radiación Ycalor

124

7.7 Relación altura-ancho

127

7.8 Resultados obtenidos al cambiar la temperatura @ la que entra el aire en la cámara de combustión

128

7.9 Resultados obtenidos al dejar fijo el valor del ancho de la cámara de combustión y cambiando la distancia centro a centro entre tubos

130

7.10 Diseño de hornos manipulando distintas variables a la vez

134

Capítulo 8 Comparación de métodos en el cálculo de la zona radiante

142

vi

8.1 Método propuesto en el texto “HORNOS” del profesor José M. Andérez de la escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Los Andes 8.1.1 Algoritmo de cálculo de la zona radiante

142 144

8.1.2 Resultados obtenidos con el método del texto “HORNOS” de J.M. Anderez a partir de la configuración propuesta en el planteamiento del problema del Capítulo 5

147

8.1.3 Comparación general entre el Método B y el método que se 149

presenta en este proyecto 8.2 Método C propuesto en el artículo “Rating fired heaters” (Evaluando

151

calentadores de llama) de R.N. Wimpress 8.2.1 Comparación del Método C y el método que se presenta en este proyecto

153

Conclusiones

156

Bibliografía

160

Apéndice A

162

Apéndice B

163

Apéndice C

164

vii

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1 Temperatura límite de diseño de algunos aceros y aleaciones.

11

Tabla 1.2 Temperatura límite de diseño de algunos aceros y aleaciones en dispositivos de aletas.

13

Tabla 2.1 Poder Calorífico Inferior y Superior de algunos combustibles.

29

Tabla 2.2 Valores de las variables implícitas en la combustión del metano.

34

Tabla 2.3 Temperatura de llama adiabática de algunos combustibles.

35

Tabla 2.4 Temperatura de llama adiabática del metano según el porcentaje de aire en exceso.

37

Tabla 2.5 Porcentaje molar de las sustancias de un multicomponente combustible gaseoso.

39

Tabla 2.6 Poder calorífico y relación aire-combustible de un multicomponente.

40

Tabla 2.7 Propiedades y características de algunos combustibles hidrocarburos.

43

Tabla 3.1 Presiones parciales de H2O y CO2 @ 1atm para el CH4 según el porcentaje de aire en exceso.

48

Tabla 3.2 Longitud media de rayo según la geometría que forma el volumen de gas.

54

Tabla 5.1 Masa molar de distintas sustancias existentes en la reacción de combustión.

72

Tabla 5.2 Valores permisibles de caídas de presión en el fluido de trabajo según el servicio.

89

Tabla 6.1 Propiedades del fluido de trabajo (Petróleo) en ambas secciones del horno y @ las temperaturas respectivas de cada sección.

95

Tabla 6.2 Propiedades de los gases de combustión constantes según la sección del horno.

96

Tabla 6.3 Variables geométricas de la propuesta de diseño preliminar del horno.

96

Tabla 6.4 Dimensiones de la cámara de combustión.

100

Tabla 6.5 Dimensiones en los tubos coraza.

100

Tabla 6.6 Dimensiones de las aletas.

102

Tabla 7.1 Resultados obtenidos C = 0,2 m.

108

Tabla 7.2 Resultados obtenidos C = 0,4 m.

109 viii

Tabla 7.3 Resultados obtenidos C = 0,5 m.

109

Tabla 7.4 Resultados de distintas variables con respecto al cambio de “C”.

110

Tabla 7.5 Resultados obtenidos #tubosparedvertical = 30

112

Tabla 7.6 Resultados obtenidos #tubosparedvertical = 50

113

Tabla 7.7 Resultados obtenidos #tubosparedvertical = 60

113

Tabla 7.8 Resultados de distintas variables con respecto al cambio de #tubostotal.

114

Tabla 7.9 Resultados obtenidos Nsec = 4

115

Tabla 7.9 – Resultados obtenidos Nsec = 10

116

Tabla 7.11 Resultados de distintas variables con respecto al cambio de Nsec.

116

Tabla 7.12 Valores de la temperatura de llama adiabática según la cantidad de flujo másico de gases, manteniendo fija la temperatura de salida de los gases.

118

Tabla 7.13 Rango de porcentaje de flujo másico de gases para un uso de combustible eficiente.

119

Tabla 7.14 Resultados obtenidos t2= 450 K.

119

Tabla 7.15 Resultados obtenidos t2= 750 K.

119

Tabla 7.16 Resultados obtenidos t2= 900 K.

120

Tabla 7.17 Resultados de distintas variables con respecto al cambio de t2.

120

Tabla 7.18 Resultados obtenidos para Dn = 0,1016 m, catálogo SCH 80.

122

Tabla 7.19 Resultados obtenidos para Dn = 0,1524 m, catálogo SCH 80.

122

Tabla 7.20 Resultados obtenidos para Dn = 0,2032 m, catálogo SCH 40.

123

Tabla 7.21 Resultados de distintas variables con respecto al cambio de Dn.

123

Tabla 7.22 Resultados obtenidos en la cámara de combustión para Ycalor = 0,7.

124

Tabla 7.23 Resultados obtenidos en el banco de tubos para Ycalor = 0,7.

125

Tabla 7.24 Resultados obtenidos en la cámara de combustión para Ycalor = 0,9.

125

Tabla 7.25 Resultados obtenidos en el banco de tubos para Ycalor = 0,9.

126

Tabla 7.26 Resultados de distintas variables con respecto al cambio de Ycalor.

126

Tabla 7.27 Resultados obtenidos para taire = 323,15 K.

128

Tabla 7.28 Resultados obtenidos para taire = 373,15 K.

129

Tabla 7.29 Resultados de distintas variables con respecto al cambio de taire.

130

Tabla 7.30 Resultados obtenidos para C = 0,2m y ancho igual a 8 m.

131

Tabla 7.31 Resultados obtenidos para C = 0,3m y ancho igual a 8 m.

131

Tabla 7.32 Resultados obtenidos para C = 0,5m y ancho igual a 8 m.

132

ix

132

Tabla 7.33 Resultados obtenidos para C = 0,6m y ancho igual a 8 m. Tabla 7.34 Resultados de distintas variables con respecto al cambio de C manteniendo fijo el ancho igual a 8m.

133

Tabla 7.35 Variables establecidas para el diseño 1.

135

Tabla 7.36 Valores obtenidos en el diseño 1.

135

Tabla 7.37 Variables establecidas para el diseño 2.

136

Tabla 7.38 Valores obtenidos en el diseño 2.

137

Tabla 7.39 Variables establecidas para el diseño 3.

138

Tabla 7.40 Valores obtenidos en el diseño 3.

138

Tabla 7.41 Variables establecidas para el diseño 4.

139

Tabla 7.42 Valores obtenidos en el diseño 4.

139

Tabla 8.1 Densidad de calor radiante según el servicio que brinde el horno.

143

Tabla 8.2 Factor de corrección G según diámetro nominal del tubo.

146

Tabla 8.3 Resultados obtenidos utilizando el método del texto “Hornos”.

149

Tabla 8.4 Resultados al utilizar el método A y el método B.

150

Tabla 8.5 Datos y configuración del horno del ejemplo de cálculo del artículo 152

“Rating fire heaters”. Tabla 8.6 Valores obtenidos a partir de los datos del ejemplo de cálculo del artículo “Rating fire heaters”.

152

8.7 Comparación de resultados obtenidos a partir de ambos métodos.

153

Tabla A.1 Valores típicos de diámetros de tubería utilizada en la construcción de hornos industriales.

162

Tabla B.1 Valores molares estequimétricos y relaciones másicas AC algunos combustibles.

de 163

x

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Esquema básico de los componentes de un horno.

5

Figura 1.2 Esquema para evitar puntos muertos en la colocación de tubos; (a) incorrectamente, (b) correctamente.

10

Figura 1.3 Horno cilíndrico todo radiante; (a) Vertical. (b) Helicoidal.

16

Figura 1.4 Tambor o pórtico.

18

Figura 1.5 Horno de tubos verticales con generadores dobles.

19

Figura 1.6 Horno de tubos horizontales de cabina. (a) Sencilla; (b) Doble.

20

Figura 1.7 Horno horizontal de cabina dividida.

21

Figura 1.8 Horno de Cabina de quemado posterior y sección de convección independientes.

22

Figura 1.9 Horno con doble quemador.

23

Figura 2.1 Temperatura de llama adiabática del metano vs. Porcentaje de aire en 38

exceso. Figura 3.1 Presión parcial del CO2 vs. Porcentaje de aire en exceso a 1atm

50

para CH4. Figura 3.2 Presión parcial del H2O vs. Porcentaje de aire en exceso a 1atm

50

para CH4. Figura 3.3 Suma de las presiones parciales de CO2 y H2O @ 1 atm vs.

51

Porcentaje de aire en exceso para CH4. Figura 3.4 Factor de corrección Δε de la emisividad de una mezcla de vapor de agua y CO2. (a) T= 400 K; (b) T = 811 K ; (c) T ≥ 1200 K.

52

Figura 3.5 Factor de corrección de la emisividad del vapor de agua a presiones 55

distintas de 1 atm. Figura 3.6 Factor de corrección de la emisividad del CO2 a presiones distintas de 1 atm.

55

Figura 3.7 Emisividad del vapor de H2O @1 atm.

56

Figura 3.8 Emisividad del CO2 @1 atm.

56

Figura 4.1 Diámetros y temperaturas internas y externas en un tubo.

59

Figura 4.2 Factor de forma.

63

Figura 4.3 Eficiencia de una aleta.

65 xi

Figura 5.1 Resistencias en la transferencia de calor de radiación desde la pared hacia el fluido de trabajo.

74

Figura 5.2 Altura de las paredes de la cámara de combustión.

78

Figura 5.3 Ancho de la cámara de combustión.

79

Figura 5.4 Ancho y altura del banco de tubos.

87

Figura 5.5 Radiación entre un plano y una o más hileras de tubos paralelas al plano.

91

Figura 5.6 Factor total de intercambio térmico para secciones radiantes.

91

Figura 5.7 Calor absorbido por los tubo coraza.

92

Figura 5.8 Radiación de gases de combustión en la zona convectiva.

92 110

Figura 7.1 Acalor,radiación vs. C. Figura 7.2 Diagrama de radiación hacia tubos separados a una distancia: (a) C1; (b) C2; C1