Cementos.Leccion18.IntercambiadorCALOR.Presentacion.2011.2012

INTERCAMBIADOR DE CALOR
PRONTO SE ADVIRTIÓ QUE EL CALOR QUE ESCAPA CON LOS GASES A LA
SALIDA DEL HORNO ROTATORIO, ADEMÁS DE APROVECHARSE PARA LA
PREPARACIÓN DEL CRUDO EN LA INSTALACIÓN DE MOLIENDA – SECADO
Y, SI ES EL CASO DEL CARBÓN,
PODÍA UTILIZARSE CON MAYOR BENEFICIO EN EL PRECALENTAMIENTO
DEL CRUDO QUE SE ALIMENTA AL HORNO
CON ESTA FINALIDAD EN LA ZONA DE ENTRADA AL HORNO (ZONA DE
PRECALENTAMIENTO) SE DISPUSIERON DIVERSOS ELEMENTOS ENTRE
LOS CUALES PUEDEN CITARSE LOS SIGUIENTES
-CADENAS SUSPENDIDAS
-DISPOSITIVOS INTERIORES DE ACERO REFRACTARIO O DE MATERIALES
REFRACTARIOS.
- LADRILLOS REFRACTARIOS ELEVADORES
INTERCAMBIADOR DE CALOR
La finalidad de tales dispositivos es facilitar el intercambio de calor
entre los gases y/o material refractario y el crudo, al
crear más área de contacto entre ellos
Esto funciona en el caso de vía húmeda, pero si el horno se alimenta
con el crudo ya seco (VIA SECA), los dispositivos anteriores levantan una
gran cantidad de polvo, que es arrastrado por los gases de salida del
horno, lo que trae como consecuencia:
1.-Hay que sobredimensionar el exhaustor y los electrofiltros.
2.-Hay pérdidas de energía.
Una solución es recuperar el polvo,
aunque sea parcialmente, mediante
un ciclón, que además actúa como
intercambiador de calor
Horno largo vía seca con
intercambiador por
suspensión de un tramo
único (Ciclón
recuperador de polvo).
A partir de este principio se han
desarrollado intercambiadores de
calor cada vez más sofisticados con
el fin de que el intercambio de calor
sea mayor y mejorar el rendimiento
térmico.
Estos dispositivos se sitúan en el
exterior del horno, junto al extremo
de alimentación por donde salen los
gases calientes, que transmiten su
calor al crudo (Material de
alimentación).
INTERCAMBIADOR DE CALOR
La principal función del precalentador es aumentar la temperatura del
material (CRUDO) antes de la entrada en el horno, para facilitar el trabajo
del mismo. Además se tiene la ventaja de que la transferencia de calor en
el precalentador es mucho más eficiente que la transferencia en el horno,
con lo cual se aumenta la eficiencia del sistema
La mayor eficiencia del sistema se basa en el hecho de que se trabaja con
el crudo en suspensión, con lo que se presentan las tres características
de los lechos fluidizados siguientes:
1.- El gran desarrollo superficial del sólido (en este caso el CRUDO) y, por
tanto, del área de interacción CRUDO-GASES
2.-El alto grado de turbulencia con que se produce la interacción
3.-Posibilidad de efectuar el contacto de forma continuada.
INTERCAMBIADOR DE CALOR
Los procesos que han de producirse entre un sólido y un fluido,
siempre podrán resumirse en una transferencia de calor o de
materia o de ambas cosas. Dicha transferencia deberá producirse a
través de la interfase. La ecuación que nos da velocidad de
transferencia de una magnitud, M, se puede tomar de la ley de
Fourier:
dM
d
 KA
dt
dL
que nos dice que la velocidad instantánea de transferencia , en nuestro
caso de calor, es proporcional al área de la superficie a través de la cual
se efectúa la transferencia y al gradiente de la magnitud  que lo
induce, d/dL. En nuestro caso  es la temperatura T. L es una
distancia, espesor o separación.
INFLUENCIA DE LA TURBULENCIA DEL CONTACTO
ES LEY GENERAL QUE EN LAS SUPERFICIES DE
SEPARACIÓN DE DOS FASES EXISTE SIEMPRE
UNA CAPA DE FLUIDO ADHERIDA AL SÓLIDO.
SI EXISTE DESPLAZAMIENTO RELATIVO ENTRE
EL SÓLIDO Y EL FLUIDO, LA CITADA CAPA , A
CAUSA DE LA VISCOSIDAD, SIGUE CON CIERTO
RETARDO LOS MOVIMIENTOS DEL FLUIDO A QUE
PERTENECE. POR ESO, POR GRANDE QUE SEA
LA TURBULENCIA EN LA MASA FLUIDA LA CAPA
LÍMITE QUE RODEA O ENVUELVE AL SÓLIDO SE
DESPLAZA EN CONDICIONES LAMINARES , Y
COMO EN TAL ESTADO NO EXISTEN EN LAS
MOLÉCULAS DE LA CAPA COMPONENTES
TRANSVERSALES DE VELOCIDAD , TODAS LAS
MOLÉCULAS SE MUEVEN PARALELAMENTE A LA
SUPERFICIE SÓLIDA , DE MANERA QUE EL
CALOR O LA MATERIA QUE HAYA DE
ATRAVESARLA HABRÁ DE HACERLO POR UN
MECANISMO DIFUSIVO – LENTO Y NO
CONVECTIVO - RÁPIDO.
Ejemplo de capa límite laminar.
Un flujo laminar sobre una
superficie sólida (línea gruesa). El
perfil de velocidad (u) del fluido
dentro de la capa límite (área
sombreada) depende de la
distancia a la superficie (y).
Debido al rozamiento, la velocidad
del fluido en contacto con la placa
es nula. Fuera de la capa límite, el
fluido se desplaza prácticamente
la misma velocidad que en las
condiciones iniciales (u0).
LA MAYOR O MENOR TURBULENCIA REINANTE EN LA MASA
FLUIDIZADA DETERMINARÁ QUE EL ESPESOR DE LA CAPA LÍMITE SEA
MENOR O MAYOR, RESPECTIVAMENTE. POR ESO , CON RESPECTO AL
LECHO SÓLIDO ESTÁTICO , DONDE EL RÉGIMEN DE CIRCULACIÓN DEL
FLUIDO A SU TRAVÉS ES SIEMPRE LAMINAR (SALVO QUE LA
PERMEABILIDAD SEA MUY GRANDE, PERO EN TAL CASO SERÁ DEBIDO
A UN TAMAÑO GRANDE DE LAS PARTÍCULAS, CON EL CONSIGUIENTE
PEQUEÑO VALOR DE LA SUPERFICIE ESPECÍFICA)
EL LECHO FLUIDIZADO SUPONE UN
PEQUEÑO ESPESOR, , DE LA CAPA LÍMITE
( L = R +  EN LA FÓRMULA DE FOURIER
SERÁ MENOR)
CON EL CONSIGUIENTE AUMENTO DE LA
VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA , POR
EJEMPLO DE CALOR. EN GENERAL , EL
ESPESOR DE ESA CAPA ESTÁTICA O
LAMINAR DISMINUYE APROXIMADAMENTE
CON LA POTENCIA 0.7 DE LA VELOCIDAD
DEL FLUIDO.
dM
d

 KA
 KA
dt
dL
L
R
δ
INTERCAMBIADOR DE CALOR
ETAPA
HORNO
ETAPA IV
ETAPA III
ETAPA II
ETAPA I
TEMPERATURA
SALIDA DE GAS
(ºC)
1010 – 1090
810 – 840
690 – 720
530 – 560
330 – 360
TEMPERATURA
SALIDA DE CRUDO
(ºC)
---------------790 - 820
650 - 680
490 - 520
300 - 330
INTERCAMBIADOR DE CALOR
Los gases a su temperatura más alta
entran en contacto con el material al
que hay que ceder el calor cuando
esta a menos temperatura
Como consecuencia del elevado
gradiente de temperatura inicial,
entre los gases y el material, la
mayor parte del calor se cede en el
primer tramo del tubo
(Intercambiador).
Si la longitud del tubo es suficiente y
la velocidad del gas y material no es
demasiado alta, saldrán del tubo a la
misma temperatura o muy cercana la
una a la otra.
En este tipo de flujo puede elevarse la temperatura de los gases de
entrada, con el fin de conseguir una acción de intercambio de calor más
intensa.
En este caso las condiciones
de intercambio de calor serán
diferentes, ya que la diferencia
de temperatura entre los gases
calientes y el crudo es más
pequeña al principio que en el
caso de flujo en paralelo, pero
dicha diferencia es más
uniforme a lo largo del tubo.
El crudo se calentará más
gradualmente y, en
condiciones favorables, su
temperatura alcanzará un
valor muy cercano al de los
gases que entran.
Análogamente los gases
pueden salir a una
temperatura apenas superior
a la del crudo que se alimenta.
Se deduce la superioridad del intercambio de calor en contracorriente, ya que el
crudo más caliente se encuentra con los gases más calientes (Más efectivos). En
los de flujo paralelo lo que se puede hacer es elevar la temperatura de los gases
de entrada. Sin embargo, desde el punto de vista práctico en los precalentadores,
casi nunca es posible trabajar en contracorriente, por la dificultad de mantener el
contraflujo del material pulverizado en una corriente de gas, que en la práctica es
elevada. Sería necesario hacer una sección de paso de gran diámetro
(Precalentador de la casa KRUPP)
El factor decisivo en los precalentadores calentados directamente es el
intercambio térmico por convección, es decir la transmisión de calor a las
partículas del material por medio de los gases calientes que están en contacto
directo con ellas. La conducción y la radiación desempeñan un papel secundario
y, prácticamente, se pueden despreciar.
El proceso Dopol es uno de los tipos de intercambiador por
suspensión del crudo en los gases del horno construido por
Polysius. La denominación Dopol está formada por las sílabas
iniciales de las palabras, Doppelstrom ( corriente doble ) y Polysius.
El intercambiador de calor DOPOL posee dos líneas de ciclones. En
él los tramos primero, tercero y cuarto, contados de abajo a arriba,
consisten en ciclones dobles y dispuestos en paralelo.
El segundo tramo el llamado ( Wirbelschict ) "recinto turbulento" está
incluido como elemento único y trabaja en contracorriente. Para
evitar una irregular calefacción en los ciclones dobles , las dos
corrientes de material se reúnen en dicho recinto turbulento y allí son
sometidas a movimientos turbulentos . Las tuberías del tramo
inferior ( el más caliente) tienen sección elíptica para impedir la
formación de adherencias, al contrario de lo que ocurre en las de
sección cuadrada.
La división de la vena gaseosa en dos líneas permite establecer
ciclones de menores dimensiones para la misma cantidad de gases,
con idéntico poder de separación. El desarrollo del sistema con
ciclones dobles, sugirió la posibilidad de que junto a su mejor poder
de separación se puede llegar, sin variar su estructura ni conexión
paralela a sistemas de hornos de grandes caudales con líneas de
intercambio a voluntad.
Representación
esquemática de un
intercambiador de
calor DOPOL,
Representación esquemática de un
intercambiador de calor MIAG.
El precalentador MIAG consta de 3 ciclones dobles en los que
el flujo de materiales es en paralelo y de un recinto cónico de
turbulencia que trabaja en contracorriente.
El crudo entra por gravedad en el precalentador en la corriente
de gases entre el primero y segundo tramos contados desde
arriba. La corriente gaseosa capta las partículas de crudo y las
calienta. El exhaustor aspira el gas residual, mientras que el
crudo se incorpora a la corriente de gases entre Z2 y Z3. En
este tramo se repite el proceso anterior pero a temperatura
más alta.
El recinto cónico de turbulencia , dispuesto debajo de Z2, toma
el crudo del segundo tramo y lo envía rápidamente por las
tuberías a los ciclones Z3. Después de la separación de los
gases , el crudo, a través de los tubos de caída, regresa de
nuevo al recinto de turbulencia desde donde, por las tuberías
para gases, vuelve parcialmente a los ciclones Z3. Se
establece así un circuito de crudo cuya carga se eleva hasta
un valor de saturación.
En el momento en que se ha rebasado la capacidad de
suspensión de los gases para el crudo, se forman nubes de
polvo, que se depositan cada vez más profundamente en el
cono de turbulencia y caen en sentido contrario al de la
corriente gaseosa. (CONTRACORRIENTE). Finalmente el
crudo accede al horno a lo largo de un resbaladero. El circuito
de crudo permite una mayor permanencia en la zona más
caliente del intercambiador, con lo cual se incrementa el
intercambio térmico.
Debido al mayor diámetro del recinto cónico de turbulencia, en comparación con el de los conductos
normales que unen el horno con los ciclones, este tipo de precalentador presenta menos problemas de
taponamientos. También si se quiere aplicar la precalcinación, es más fácil de acoplarle los quemadores.
El intercambiador trabaja con 4 tramos de
ciclones, de los cuales el segundo y el cuarto,
contados desde abajo, son dobles.
Los de los tramos primero y tercero se les
denomina principales.
Entre los ciclones dobles se encuentran las
cámaras de turbulencia, en las cuales el
intercambio de calor se realiza en
contracorriente y en donde se prolonga el
tiempo de permanencia de las partículas de
crudo en el seno de la corriente de gas con el
fin de aumentar el intercambio de calor
El crudo entra en el precalentador por la
cámara de turbulencia V2, de la que pasa, de
forma tangencial, a los 2 ciclones C4 donde
es separado, luego accede a las tuberías de
gases de los 2 ciclones del tramo 2 que lo
llevan a ciclón principal del tramo 3, después
de un largo recorrido aumentando así el
tiempo de permanencia del crudo en contacto
con los gases (Mayor intercambio de calor).
Representación esquemática de un
intercambiador de calor WEDAG.
Del ciclón del tramo 3 el crudo llega a la
cámara de turbulencia V1 y es conducido con
los gases a los dos ciclones C2 del tramo 2.
De estos, y a través de un conducto de
conexión pasa al ciclón C1, del que calentado
a unos 800 °C va al horno.
1033 m2
Representación esquemática de un
intercambiador de calor KRUPP.
Este tipo de precalentador, a diferencia de los
tipos anteriormente descritos, que trabajan en
corriente de la misma dirección en todos los
tramos o contienen algunos en que lo hacen en
contracorriente (cámara de turbulencia), trabaja
totalmente a contracorriente, excepto el tramo
superior que a efectos de separación del polvo
esta constituido por ciclones.
Consta en un tramo superior compuesto por dos
ciclones con tuberías ascendentes y en un cilindro
vertical autosoportado. Estrechamientos tipo
tobera dividen al cilindro en 4 cámaras, por encima
de cada uno de ellos se dispone un dispositivo
cónico, con el fin de hacer que la distribución del
polvo que va cayendo sea regular.
El material entra en el precalentador por el
compartimento situado entre la cámara más alta
del cilindro y el tramo de ciclones, donde lo
arrastra la corriente gaseosa. Precalentado y
separado en los ciclones pasa, a través de los
conductos de caída de estos, a la primera cámara
del cilindro vertical desde la que va cayendo
cámara a cámara y en contracorriente con los
gases, hasta que desde la última accede al horno.
En cada una de las cámaras el crudo se mantiene
momentáneamente en suspensión hasta
sobresaturación, gracias al estrechamiento, lo que
aumenta el tiempo de permanencia del crudo en el
precalentador, con lo que se aumenta el
intercambio de calor.