Hornos

Cuando se necesita un servicio de calefacción a alta temperatura, o que proporcione un alto flujo de calor, es habitual acudir a los hornos. Existen diferentes diseños de hornos, en función de las necesidades caloríficas, tipo de fuel y la manera de introducir el aire para la combustión. En algunas ocasiones, el horno actúa también de reactor (proporciona el calor de reacción necesario).

A pesar de esta aparente diversidad, los hornos de proceso guardan una serie de características en común. En el hogar, el mecanismo principal de transferencia de energía es la radiación, desde el seno de la llama hacia los tubos colocados en las paredes. También se suele aprovechar la entalpía de los humos de combustión en una cámara posterior a la de combustión, donde el mecanismo principal es el de convección.

Figura: Modelo sencillo de horno

En la figura se muestra una curva grand compuesta donde se usa un horno como servicio de calefacción. Los humos comienzan a calentar la carga a la temperatura teórica de llama ( $T_$TFT, disminuida en $\Delta T_$min$/2$ en la curva grand compuesta). Como los humos ceden calor sensible, el perfil en la curva es una línea recta. La temperatura teórica de llama es la temperatura que se alcanza cuando la combustión se realiza sin pérdidas ni ganancias de calor. Existen diferentes métodos para calcularla.

La temperatura real de la llama difiere de la temperatura teórica de llama. La temperatura real es menor que la teórica debido a las pérdidas de calor y a que parte del calor liberado se invierte como calor de reacción en algunas disociaciones endotérmicas que ocurren a altas temperaturas, como éstas:

CO$_2$	$\rightleftharpoons$	CO + $\frac{1}{2}$O$_2$
H$_2$O	$\rightleftharpoons$	H$_2$ + $\frac{1}{2}$O$_2$
H$_2$O	$\rightleftharpoons$	$\frac{1}{2}$H$_2$ + OH

Sin embargo, a medida que disminuye la temperatura de los humos, las reacciones anteriores cambian de sentido, y liberan calor. Por tanto, aunque la temperatura teórica de llama no refleja la temperatura real de llama, sí proporciona una referencia para conocer cuánto calor libera la combustión a medida que los humos se enfrían. En la figura , las diferencias de temperatura, en el lado de mayor temperatura de los humos, entre los humos y el proceso son mayores que en la realidad. A medida que los humos se enfrían y pasan a través de la zona de convección del horno, las diferencias de temperatura indicadas por la curva son más representativas de lo que realmente está ocurriendo. En la zona de radiación, hay que acudir a modelos más complejos para determinar cuáles son las diferencias de temperatura reales. En cualquier caso, la simplificación que supone la figura es aceptable para el propósito de evaluar diferentes alternativas de diseño, ya que las diferencias de temperaturas en la zona radiante son muy grandes. Por tanto, el modelo de la figura es válido para nuestro propósito de fijar los objetivos que deben cubrir los servicios de calefacción y refrigeración.

En la figura los humos se enfrían hasta la temperatura de pinch antes de ser liberados a la atmósfera. El calor liberado por los humos como consecuencia de la diferencia de temperaturas entre el pinch y el ambiente es una pérdida. Por tanto, a partir de los datos de la curva grand compuesta y de la temperatura teórica de llama, podemos calcular qué fracción de la energía disponible en el combustible como poder calorífico, se invierte en calentar las corrientes, y qué fracción se pierde.

Figura: Una mayor temperatura teórica de llama reduce las pérdidas por chimenea

Todos los proceso de combustión trabajan con un exceso de aire u oxígeno para asegurar que la combustión será completa. Normalmente, el exceso de aire está entre el 5 y el 20% dependiendo del fuel, diseño de los quemadores y diseño del horno. Al reducir el exceso de aire, la temperatura teórica de llama aumenta, tal y como se muestra en la figura . Como consecuencia de ello, disminuyen las pérdidas y se aumenta la eficiencia térmica del horno, manteniendo por supuesto el calor aportado al proceso. Otra manera de aumentar la temperatura teórica de llama es precalentando el aire; de nuevo, las pérdidas de energía son menores.

Aunque una mayor temperatura teórica de llama disminuye las pérdidas (y por tanto, el consumo de combustible), puede dar lugar a la formación de óxidos de nitrógeno, cuya emisión está muy restringida por la legislación medioambiental.

Figura: La temperatura de la chimenea puede estar limitada por otros factores diferentes que el pinch

En las figuras y se enfriaron los humos hasta la temperatura de pinch. Esto no es siempre posible. En la figura a se muestra una situación donde los humos se liberan a una temperatura superior a la del pinch. Esto se debe a que la menor temperatura a la que se pueden liberar los humos es la correspondiente al punto de rocío ácido. Si el punto de rocío ácido es superior al pinch, se tendrán que liberar los humos a mayor temperatura, y se producirán más pérdidas de calor (como consecuencia de la mayor entalpía de los humos). Otro caso puede ser el de la figura b, donde las características del proceso limitan la pendiente del perfil temperatura-entalpía de los humos.

Figura: Curva grand compuesta para el ejemplo . Se incluye el perfil de los humos de combustión.

Ejemplo 4

En el proceso mostrado en la figura se ha optado por introducir un horno de proceso, con el fin de cubrir las necesidades de calefacción. La temperatura teórica de llama de la combustión es de $1800$ ^oC, y el punto de rocío ácido de los humos de $160$ ^oC. La temperatura ambiente es de $10$ ^oC. Se ha optado por una diferencia mínima de temperaturas de $\Delta T_$min$= 10$ ^oC para la transferencia de energía entre corrientes, y de $\Delta T_$min=$30$ ^oC para la transferencia de energía entre los humos y las corrientes del proceso. Este valor mayor de $\Delta T_$minse ha escogido como consecuencia de los pobres coeficientes de película en la zona de convección del horno. Calcular la cantidad de combustible consumida (en MW), las pérdidas por chimenea y la eficiencia del horno.

Solución:

El primer problema con el que nos encontramos es que tenemos valores diferentes de $\Delta T_$minen función de si integramos corrientes entre sí, ó servicios y corrientes. El algoritmo de la tabla del problema puede ser fácilmente adaptado a esta situación. La solución es asignar contribuciones a $\Delta T_$mina las diferentes corrientes. Por ejemplo, si asignamos una contribución de 5 ^oC a las corrientes del proceso y otra de 25 ^oC a los servicios, tendremos en un intercambiador corriente-corriente un $\Delta T_$min$=5+5=10$ ^oC, y en un intercambiador corriente-servicio un $\Delta T_$min$=5+25=30$ ^oC.

A la hora de fijar los intervalos de temperatura, en vez de disminuir en $\Delta T_$min$/2$ las corrientes calientes, disminuimos su temperatura en su contribución. De manera similar, la temperatura de las corrientes frías se aumenta en su contribución.

La figura muestra la curva grand compuesta dibujada a partir de la tabla del problema de la figura b. Como en este caso tenemos que la contribución es de 5 ^oC, la tabla coincide con la de esta figura. La temperatura modificada para los humos será $1800-25=1775$ ^oC en la curva grand compuesta. La temperatura modificada del pinch es de 145 ^oC, que se corresponde con una temperatura real de los humos en la chimenea de $145+25=170$ ^oC, superior al punto de rocío ácido (160 ^oC), por lo que los humos podrán enfriarse hasta la temperatura del pinch.

De la tabla del problema obtenemos $Q_{H\text{min}} = 7.5$ MW.

De la curva grand compuesta, $CP_{\text{Humos}} = \frac{7.5}{1775-145}=0.0046$ MW/^oC.

El consumo de combustible se calcula teniendo en cuenta la energía necesaria para enfriar los humos desde la temperatura ambiente a la temperatura teórica de llama (o al contrario, para calentarlos desde el ambiente a la teórica de llama):

$$= 0.0046(1800-10)=$$ Fuel necesario

$$=8.23$$

$$= 0.0046(170-10)=$$ Pérdidas por chimenea

$$= 0.74$$

$$= \displaystyle \frac{Q_{H\text{min}}}{\text{Fuel necesario}}\cdot100=$$ Eficiencia del horno

$$= \displaystyle\frac{7.49}{8.23}\cdot100=$$

$$= 91\%$$

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