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.