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Contenido
Unidades de combustión
Introducción
Capitulo 1 Hornos
Tema 1. Hornos 1-4
Tema 2. Clasificación de los hornos 1-6
Capitulo 2. Suministro de aire a los hornos y remoción de gases de
combustión
Tema 1. Tiro del horno 2-2
Capitulo 3. Materiales usados en la fabricación de hornos
Tema 1. Componentes estructirales del horno 3-4
Tema 2. Métodos usados para conectar los tubos de los serpentines 3-12
Capitulo 4. Combustión
Tema 1. Conceptos y tipos de combustión 4-4
Tema 2. Poderes caloríficos de la combustión 4-5
Capitulo 5. Quemadores
Tema 1. Quemadores, tipos y usos 5-4
Tema 2. Quemadores combinados 5-8
Tema 3. Consideraciones usadas para seleccionar el combustible,
atomizadores y quemadores 5-11
Sigue...
Capitulo 6. Problemas operacionales del horno
Tema 1. Problemas opeacionales 6-4
Tema 2. Encendido del horno 6-5
Unidades de combustión
Introducción El desarrollo de los conceptos de diseño usados en los hornos
modernos fue estimulado por numerosas experiencias adversas
de funcionamiento.
El alambique vertical de los últimos años del siglo XIX fue el
primer ejemplo de horno industrial de fuego directo. Un
inconveniente importante con el alambique fue su capacidad
para calentar líquidos viscosos o inflamables. En este caso se
producían sobre calentamiento interno localizado,
descomposición de productos y formación de coque, lo cual
frecuentemente era seguido por fallas en los equipos e
incendios.
El alambique horizontal fue el desarrollo siguiente en los
hornos de fuego directo. Las principales ventajas del alambique
horizontal sobre el alambique vertical fueron el mejoramiento
de la confiabilidad y seguridad en el equipo. Sin embargo, las
tasas de trasferencia de calor y eficiencia térmica continuaban
siendo pobres.
A comienzos del siglo veinte, la industria se orientó hacia los
hornos de fuego directo de fluidos almacenados en envases
tubulares. Las rupturas de los tubos y los incendios
continuaban siendo comunes, debido principalmente a una
influencia de conocimientos de ingeniería en la prevención de la
formación de coque y depósitos de sal, los cuales se producían
por el sobrecalentamiento de los tubos.
La necesidad de un calentamiento más uniforme condujo al
concepto de separación de los tubos de absorción de calor de la
zona de combustión. Esto se logró mediante la colocación de una
pared parcial o “pared puente”. En consecuencia, estos primeros
hornos de fuego tubulares fueron inicialmente del tipo
convección.
5
Sigue…
Unidades de combustión
Introducción (continuación)
A pesar de este enfoque más conservador, el cual se separó a
los tubos de la zona de fuego, el sobrecalentamiento y la
deposición de coque persistían. Como la combustión era
realizada con alrededor de un 40% de aire de exceso, las
temperaturas de los gases de combustión alcanzaban 3000ºF
cuando los gases abandonaban la zona de combustión. Estos
gases calientes entraban a al sección de absorción del calor. La
convección de calor intensa a este nivel de temperatura,
asociada con la trasferencia de calor por radiación, resultaba en
transferencia de calor hacia los tubos frente a la zona de
combustión a más de 100000BTU/(hr/pie2).
Para reducir la tasa de transferencia de calor en la zona de
combustión hasta niveles aceptables, se requerían vastas
cantidades de aire en exceso (varios cientos por ciento). En este
caso, la eficiencia térmica era baja debido a las tasas altas de
aire en exceso. Además se creaba un efecto de enfriamiento
causado por los volúmenes de aire frío, lo cual se traducía en
unas características pobres de combustión.
Como la tecnología de la transferencia de calor por radiación ha
mejorado, los diseños de los hornos modernos se ha orientado
cada vez más hacia la inclusión de tubos de absorción del calor
por radiación. Por esta razón, las tecnologías más avanzadas de
hornos están basadas en un transferencia de calor por radiación
y modificada por economizadores a base de convección.
En este manual se van a desarrollar todos los conceptos
mencionados anteriormente, pues los mismos son competencias
necesarias para el trabajador y por ende para la ejecución de un
excelente trabajo.
Unidades de combustión
Unidades de combustión
Objetivo general Adquirir competencias sobre las unidades de combustión, para
ejecutar y controlar de manera segura y confiable las
operaciones
Contenido Este manual esta conformado por el siguiente contenido:
Capitulo 1. Hornos.
Capitulo 2. Suministro de aire a los hornos y remoción de gases
de combustión.
Capitulo 3. Materiales usados en la fabricación de los hornos.
Capitulo 4. Combustión.
Capitulo 5. Quemadores.
Capitulo 6. Problemas operacionales del horno
Unidades de combustión
3
Capítulo
1
Hornos
Introducción Los hornos juegan un papel fundamental en el proceso de
combustión, pues en los mismos, es donde se genera el calor que
se obtiene de la combustión de combustibles. En este capítulo se
va a desarrollar todo lo relacionado con los hornos en el proceso
de combustión.
Contenido Este capítulo está conformado por los siguientes temas:
Lección o tema Página
1. Hornos 1-2
2. Clasificación de los hornos 1-4
Unidades de combustión
Capitulo 1. Hornos 1-4
Tema 1 Hornos
Aspectos generales del horno
Generalidades La conservación de energía calórica crea un necesidad de usar
hornos de alta eficiencia. En este manual se discuten
características de hornos que poseen altas eficiencias y que pueden
ser usados en las unidades de procesos.
Horno Un horno se define como un equipo donde se genera calor que se
obtiene de la combustión de combustibles, generalmente líquidos o
gaseosos con el oxígeno del aire. Usualmente se suministra aire en
exceso.
En el horno los gases que resultan de la combustión ocupan la
mayor parte del volumen de calentamiento.
El horno contiene una o varias cámaras formadas por una serie de
tuberías o serpentines y por cuyo interior circula el fluido que se
desea calentar con el calor que genera la combustión.
Secciones del
horno
La mayoría de los hornos poseen dos secciones de calentamiento
denominados:
• Sección de convección
• Sección de radiación
Sección de
convección
En la sección de convección, la mayor parte del
calor se transfiere por convección con los gases
de la combustión y se utiliza para precalentar el
fluido que entra al horno
Sección de
radiación
En la sección de radiación, el calor se transfiere
tanto por radiación con la llama de los
quemadores como por convección. Esta sección
se utiliza par llevar la temperatura del fluido
que se calienta al valor deseado.
Sigue..
Tema 2. Clasificación de los hornos
Unidades de combustión 1-5
Hornos: (continuación)
Generalidades
: (continuación)
A los hornos también se les denomina calentadores. Sin embargo,
la palabra “calentador” también se emplea para denominar a otras
clases de intercambiadores de calor. Es importante señalar que la
diferencia básica de un horno con otras clases de intercambiadores
de calor es que el horno posee equipos de fuego en su interior y las
otras clases de intercambiadores de calor no lo poseen.
Otra parte fundamental de horno lo constituyen los quemadores y
en los cuales se inicia la combustión. Los quemadores
generalmente se colocan en el piso o en las paredes de los hornos.
Función
principal del
horno
La función principal de un horno es generar una cantidad
especifica de calor a temperaturas relativamente apreciables. Este
calor es luego transferido a un fluido sin producir
sobrecalentamiento de las partes que integran el horno.
Capacidades
caloríficas de
los hornos
Los hornos se fabrican con capacidades caloríficas amplias. Por
ejemplo, el rango de capacidad calorífica varía desde 0,5 millones
de (BTU/hr) hasta mil millones de (BTU/hr).
Para el calentamiento de bitumen y petróleo en los campos de
producción y tratamiento, es común el uso de hornos con
capacidades entre 0,5 y 20 millones de (BTU/hr).
Unidades de combustión
Capitulo 1. Hornos 1-6
Clasificación
Clasificación
de los hornos
Los hornos se pueden clasificar de acuerdo a:
a. El servicio que prestan
b. La orientación del serpentín en la sección de radiación.
Clasificación
de los hornos
según el
servicio que
prestan
Según el servicio que prestan, los hornos se pueden clasificar en las
categorías siguientes:
1. Rehervidor de columna.
2. Calentador de alimentación de una columna de
fraccionamiento.
3. Pre-calentador de la alimentación de un reactor químico.
4. Hornos para el calentamiento de fluidos viscosos.
5. Hornos aplicados a fluidos de recirculación.
6. Reactores químicos con equipo de fuego.
Horno
rehervidor de
columna
La finalidad del horno rehervidor de columna es
evaporar parcialmente el volumen de carga
(generalmente más del 50%) extraído de una
columna de destilación. Generalmente este,
rehervidor está compuesto de tres corrientes:
1. Una que lleva el fluido líquido de la
columna al rehervidor.
2. Otra que lleva el fluido como una mezcla
bifásica liquido vapor del rehervidor a la
columna.
Sigue...
Tema 2 Clasificación de los hornos
Tema 2. Clasificación de los hornos
Unidades de combustión 1-7
Clasificación de los hornos según el servicio que prestan (continuación)
Horno
Rehervidor
de columna
(continuación)
3. En la mayoría de los casos, del
rehervidor sale otra corriente que lleva
parte del líquido a otra parte del
sistema.
La diferencia de la temperaturas de los fluidos
que van y vienen del rehervidor a la columna
de fraccionamiento es relativamente pequeña.
Horno de
alimentación
de una
columna de
fraccionamie
n-to
El horno de alimentación de una columna de
fraccionamiento se usa para evaporar
parcialmente volumen de una carga de
fraccionamiento. Generalmente, la corriente
entra al horno en estado líquido saturado. Sin
embargo, en algunos casos la corriente de
entrada al horno puede contener una fracción
apreciable de vapor.
En el horno se logra aumentar la temperatura
lo suficiente como para obtener una
vaporización parcial del fluido.
En las refinerías de crudo se usa este tipo de
horno en la alimentación de las torres de
destilación atmosférica. Los fluidos entran al
horno con temperaturas en el rango de 350 a
450ºF y son llevadas a temperaturas en el
rango de 650 a 50ºF. Allí se evapora alrededor
de un 60% del volumen de carga y pasa a la
torre de destilación.
Horno
precalentador
de un reactor
químico
El horno precalentador se usa para llevar la
temperatura del volumen de carga que sirve de
alimentación a un reactor químico. Esto
permite parte del control de la reacción
química.
Las variaciones del volumen de carga, de las
presiones y temperaturas de funcionamiento
del horno pueden ser apreciables. Ello depende
fundamentalmente del tipo de proceso que se
realiza en el reactor químico.
Unidades de combustión
Capitulo 1. Hornos 1-8
Sigue...
Clasificación de los hornos según el servicio que prestan (continuación)
Horno para el
calentamient
o de fluidos
viscosos
En muchos casos, los bitúmenes, crudos
pesados y extra pesados poseen viscosidades
altas que imposibilitan su transporte a través
de tuberías.
Estos hornos pueden calentar dichos fluidos y
reducir sus viscosidades. De esta manera se
hace posible el bombeo entre regiones que
pueden estar apreciablemente distantes.
Horno
aplicado a
fluidos de
recirculación
Los hornos aplicados a fluidos de recirculación
se usan para incrementar la temperatura de un
fluido de recirculación. Los fluidos que fluyen a
través de este tipo de horno son generalmente
líquidos tanto a la entrada como a la salida del
horno.
Este tipo de horno permite llevar el fluido de
circulación a diversos usos particulares; con lo
cual se minimizan los costos de equipos ya que
un solo horno se puede emplear para realizar
varias funciones.
Los fluidos de circulación generalmente son:
aceites refinados, sales diluidas y líquidos
patentados.
Horno reactor
químico con
equipo de
fuego
En esta clase de hornos se ubican aquellos
donde se realizan reacciones químicas en el
interior de los tubos de los serpentines.
Estos hornos corresponden a la clase más
avanzada desde el punto de vista tecnológico y
de los cuales se destacan dos grupos:
1. Horno de vapores de hidrocarburos
procesados. En ellos, los tubos de la cámara
de combustión sirven individualmente de
envases verticales para las reacciones
químicas y pueden
Tema 2. Clasificación de los hornos
Unidades de combustión 1-9
Sigue...
Clasificación de los hornos según el servicio que prestan (continuación)
Horno reactor
químico con
equipo de
fuego: (continuación)
contener catalizadores cono níquel. por
ejemplo, en el procesamiento donde se
produce hidrógeno, se pueden operar hornos
a temperaturas de salida del orden de 1450 a
1650 ºF
2. Horno de pirólisis. En esta clase de horno,
los tubos y los quemadores se distribuyen
de tal forma que el fuego pueda ser
controlado con precisión.
Generalmente las temperaturas de salida de
esta clase de tramos son del orden de 1500 a
1650 ºF.
Como ejemplo de estos hornos se pueden citar
los usados para la producción de olefinas a
partir de cargas gaseosas como etano y propano,
de carga líquida como nafta y gasoil.
Unidades de combustión
Capitulo 1. Hornos 1-10
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante
Clasificación Los hornos se pueden clasificar según la orientación del serpentín
de la sección radiante en verticales y horizontales.
Hornos
verticales
En los hornos verticales, los tubos del serpentín de la sección
radiante están colocados verticalmente.
Clasificación
de los hornos
verticales
Los hornos verticales se pueden clasificar en los siguientes tipos:
1. Horno de radiación total y configuración vertical-cilíndrica.
2. Horno de serpentín helicoidal y configuración vertical-
cilíndrica.
3. Horno de convección de flujo cruzado y configuración
vertical-cilíndrica.
4. Horno con sección integral por convección y configuración
vertical-cilíndrica.
5. Horno con serpentín radiante en forma de U.
6. Horno de doble encendido y de serpentín vertical.
Horno de
radiación
total y
configuración
vertical-
cilíndrica
Ese tipo de horno es usualmente de bajo costo.
Sin embargo, su eficiencia suele ser baja.
Necesita poco espacio de terreno para su
colocación.
Las capacidades de calentamiento oscilan en el
rango de 0,5 y 20 millones de BTU/hr.
El serpentín está colocado verticalmente a lo
largo de las paredes cilíndricas de la cámara de
combustión.
Los quemadores están colocados en el piso, de
donde se propaga el fuego verticalmente.
Tema 2. Clasificación de los hornos
Unidades de combustión 1-11
Sigue...
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante (continuación)
Horno vertical cilíndrico (sin convector)
Sigue...
Unidades de combustión
Capitulo 1. Hornos 1-12
Tema 2. Clasificación de los hornos
Unidades de combustión 1-13
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante (continuación)
Horno de
serpentín
helicoidal y
configuración
vertical-
cilíndrica
Este tipo de horno también es usualmente de
bajo oste y de baja eficiencia. Además, requiere
poco espacio de terreno para su colocación.
El serpentín es autodrenable. Una de las
principales limitaciones de este horno es que el
flujo sigue un solo trayecto. Las capacidades de
calentamiento están comprendidas en el rango
de 0,5 a 21 millones de BTU/hr.
El serpentín está distribuido en forma
helicoidal a lo largo de la parte cilíndrica de la
cámara de combustión.
Los quemadores están colocados en el piso, de
donde se propaga el fuego verticalmente.
Horno vertical cilíndrico helicoidal (sin
convector)
Sigue...
Unidades de combustión
Capitulo 1. Hornos 1-14
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante (continuación)
Horno con
convección de
flujo cruzado
y
configuración
vertical-
cilíndrica.
Este tipo de horno es de alta eficiencia y su
costo es relativamente razonable. Ellos ocupan
poco espacio de terreno para su colocación. Es
uno de los tipos de hornos actualmente más
utilizados.
Las capacidades de calentamiento están
comprendidas entre 10 y 200 millones de
BTU/hr.
Posee un serpentín en el convector o
economizador, dónde se precalienta el fluido
antes de entrar a la cámara de radiación. Se le
denomina economizador debido a que utiliza
como medio de calentamiento gases calientes de
la combustión. Estos gases se originan en la
cámara de combustión (zona radiante), luego
pasan a través del convector y finalmente suben
por la chimenea y salen a la atmósfera.
El serpentín del convector consiste de un
bancada o hilera de tubos que se colocan en
posición horizontal.
El serpentín de la zona radiante se coloca
verticalmente a lo largo de las paredes
cilíndricas de la cámara de combustión. Este
tipo de horno generalmente posee varias líneas
de quemadores en el piso, donde el fuego se
propaga verticalmente.
Sigue...
Tema 2. Clasificación de los hornos
Unidades de combustión 1-15
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante (continuación)
Horno vertical cilíndrico provisto de sección de
calentamiento por convección
Sigue..
Unidades de combustión
Capitulo 1. Hornos 1-16
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante (continuación)
Horno con
sección
integral por
convección y
configuración
vertical-
cilíndrica
Este tipo de horno rara vez es escogido para
nuevas instalaciones. Sin embargo. Muchas
instalaciones poseen esta clase de hornos y por
esta razón se incluyen en esta clasificación.
Cada tubo del serpentín de la zona radiante
posee una superficie adicional en forma de
aleta. Esto permite una mayor transferencia de
calor a los tubos.
Las aletas se extienden dentro del espacio
anular constituido por el serpentín de
convección y un tabique derivador central.
La eficiencia de este tipo de horno es
intermedia; su ubicación necesita un poco más
de espacio de terreno que los otros tres tipos de
hornos verticales, a los que nos referimos
anteriormente.
Las capacidad típica de este horno oscila entre
10 y 100 millones de BTU/hr.
Los quemadores están colocados en el piso, de
donde se propaga la llama verticalmente.
El serpentín de la zona radiante se coloca
verticalmente a lo largo de dos paredes
cilíndricas de la cámara de combustión.
Tema 2. Clasificación de los hornos
Unidades de combustión 1-17
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante (continuación)
Horno vertical cilíndrico con convector
integrado
Sigue...
Unidades de combustión
Capitulo 1. Hornos 1-18
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante (continuación)
Horno con
serpentín
radiante en
forma de U
Se usa principalmente cuando se desea calentar
flujo apreciable de gas y con caídas de presión
relativamente bajas. Por ejemplo, se emplean
en el calentamiento de cargas de procesamiento
catalítico en la refinación de petróleo y para
vario servicios de recalentamiento.
El rasgo distintivo de este tipo de horno lo
constituyen los tubos en U (U invertida) de la
zona radiante. Estos tubos conectan a las
múltiples de entradas y salida de los fluidos.
Estos múltiples están colocados en los extremos
inferiores del calentador.
Los quemadores se pueden colocar en el piso o
en las posiciones más elevados de las paredes
en la cámara de combustión.
Esta clase de horno permite que se coloquen
varios serpentines en forma de U invertida
dentro de la misma estructura. También se
puede separar cada uno de los serpentines de
paredes divisorias. De esta manera se puede
controlar individualmente el fuego de cada
compartimiento.
En algunos de estos hornos también se puede
agregar una sección convectora de flujo cruzado.
Ella consiste en una bancada de tubo
horizontales colocados en el convector. Con ésta
se logra aumentar la capacidad de
calentamientos. Es deseable instalar esta
sección convectora cuando el horno se emplea
para la generación de vapor de agua.
Sigue...
Tema 2. Clasificación de los hornos
Unidades de combustión 1-19
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante (continuación)
Horno vertical cilíndrico con convector
(serpentín en U)
Sigue...
Unidades de combustión
Capitulo 1. Hornos 1-20
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante (continuación)
Horno de
doble
encendido y
serpentín
vertical
Se usa para aquellos servicios que requieren
tasa de transferencia de calor altas y
constantes. Este tipo de horno posee una hilera
de tubos verticales en la zona radiante, los
cuales son encendidos por ambos lados de la
hilera. Precisamente esto permite un flujo de
calor constante alrededor de cada tubo en la
zona radiante.
Los quemadores se colocan en las paredes
laterales de la zona radiante. Ello permite
obtener un control máximo de las tasas de calor
a lo largo de los tubos de la zona radiante.
Estos hornos pueden tener una o dos cámaras
de combustión y las capacidades típicas de
calentamiento oscilan entre 20 y 125 millones
de BTU/hr para cada cámara.
Se usan como tubos de fuego en reactores
químicos y en las aplicaciones críticas de
calentamiento de cargas de alimentación de
reactores químicos.
Horno vertical cilíndrico con convector y
quemadores a diferentes alturas
Sigue
Tema 2. Clasificación de los hornos
Unidades de combustión 1-21
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante (continuación)
Hornos
horizontales
En los hornos horizontales, los tubos del serpentín de la sección
radiante están colocados horizontalmente.
Clasificación
de los hornos
horizontales
Los hornos horizontales se pueden clasificar en los siguientes
tipos:
1. Horno tipo cabina y de configuración horizontal.
2. Horno de doble celda y configuración horizontal.
3. Horno tipo cabina con pared-puente divisoria y de
configuración horizontal tal.
4. Horno con quemador en la pared posterior de la cámara de
combustión y de sección por convección lateral.
5. Horno con quemador en la pared posterior de la cámara de
combustión y de sección por convección lateral.
6. Horno de doble encendido y de configuración horizontal.
Horno tipo
cabina y
configuración
horizontal
Generalmente, son hornos económicos, de alta
eficiencia. Ellos representan la mayor parte de
las nuevas instalaciones con tubos horizontales,
sus capacidades típicas de calentamiento
oscilan entre 10 y 100 millones BTU/hr.
Se caracterizan por tener los tubos del
serpentín de la zona radiante colocados en
forma horizontal a lo largo de las paredes
laterales y del techo inclinado de la cámara de
combustión. El techo forma una especie de
caballete o capilla.
El convector está integrado por una bancada de
tubos colocados en forma horizontal por encima
de la cámara de combustión.
Generalmente , los quemadores se colocan en el
piso, de donde se propaga el fuego
verticalmente. Sin embargo, también se puede
instalar quemadores en las paredes laterales
Unidades de combustión
Capitulo 1. Hornos 1-22
por debajo del serpentín de la zona radiante.
Sigue...
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante (continuación)
Horno tipo cabina con tubos horizontales
Sigue…
Tema 2. Clasificación de los hornos
Unidades de combustión 1-23
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante (continuación)
Horno tipo
cabina dos
celdas y
configuración
horizontal
Es un tipo de horno económico y de alta
eficiencia con capacidades de calentamiento que
varían entre 100 y 250 millones de BTU/hr.
Su característica fundamental es que posee dos
cámaras de combustión provistas de tubos
laterales y en el techo. También posee un
convector provisto de una bancada de tubos
colocados en forma horizontal.
Los quemadores se colocan en el piso de cada
cámara de combustión donde el fuego se
propaga verticalmente .
La capacidad de calentamiento se puede
aumentar mediante el uso de tres o cuatro
cámaras de combustión.
Horno de dos celda con tubos horizontales
Sigue…
Unidades de combustión
Capitulo 1. Hornos 1-24
Tema 2. Clasificación de los hornos
Unidades de combustión 1-25
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante (continuación)
Horno tipo
cabina con
pared-
divisoria y
configuración
horizontal
El rasgo distintivo de este tipo de horno es una
pared puente entre la cámara de combustión lo
cual permite crear dos celdas de combustión con
control individual de encendido. El encendido se
puede realizar con quemadores montados en las
paredes laterales o en el piso.
Las capacidades típicas de calentamiento de
estos hornos varían entre 20 y 100 millones de
BTU/hr.
El serpentín de la zona radiante está
constituido por tubos horizontales a lo largo de
las paredes de la cámara de combustión y del
caballete (techo oblicuo).
El serpentín del conventor está formado por
una bancada de tubos horizontales colocados
encima de la cámara de combustión.
Horno tipo cabina con pared divisoria y tubos
horizontales
Sigue…
Unidades de combustión
Capitulo 1. Hornos 1-26
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante (continuación)
Horno con
quemador en
la pared
posterior de
cámara de
combustión y
configuración
horizontal
El rasgo distintivo de este tipo de horno lo
constituye el encendido horizontal por
quemadores ubicados en la pared posterior de la
cámara. Su capacidad de calentamiento varía
entre 5 y 50 millones de BTU/hr.
El serpentín de la sección por radiación se
coloca en forma horizontal a lo largo de las
paredes laterales del techo de la cámara de
combustión.
El serpentín de convector está formado por una
bancada de tubos horizontalmente colocados
encima de la cámara de combustión como se
ilustra a continuación
Horno con tubos horizontales y quemadores en
un extremo
Sigue…
Tema 2. Clasificación de los hornos
Unidades de combustión 1-27
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante (continuación)
Horno con
quemador en
la pared
posterior de
la cámara de
combustión y
sección por
convección
lateral
El rasgo distintivo de este tipo de horno lo
constituye el serpentín de la sección por
convección, el cual está ordenado en una
bancada de tubos horizontales y colocados a lo
largo de una celda integral.
Los quemadores se instalan al final de la pared
posterior y la unidad es encendida
horizontalmente.
Estos hornos se encuentran en un gran número
de instalaciones viejas. También se usan en
algunas instalaciones nuevas, donde se utilizan
combustibles que producen una concentración
grande de cenizas.
El diseño es relativamente costoso y
proporciona capacidades de calentamiento en el
rango de 50 a 200 millones de BTU/hr.
El serpentín de la sección por radiación se
instala horizontalmente a lo largo de las
paredes laterales y el techo de la cámara de
combustión.
Horno de tubos horizontales, convector lateral y
quemadores en un extremo
Sigue…
Unidades de combustión
Capitulo 1. Hornos 1-28
Clasificación de los hornos según la orientación del serpentín en la sección radiante (continuación)
Horno de
doble
encendido y
configuración
horizontal
El rasgo distintivo de este horno consiste en que
los tubos de la sección radiante son colocados
horizontalmente en una hilera simple y son
encendidos desde ambos lados. De esta forma se
logra una distribución uniforme de las tasas de
transferencia de calor alrededor de la superficie
de los tubos.
En este tipo de horno, generalmente los
quemadores se colocan en el piso, de donde el
fuego se propaga verticalmente. A menudo se
emplean para usos críticos de calentamiento de
la carga de alimentación de reactores químicos.
La capacidad de calentamiento de estos hornos
se puede ampliar mediante el uso de una
cámara de combustión doble.
Las capacidades de calentamiento de estas
unidades varían entre 20 y 50 millones de
BTU/hr.
Horno de tubos horizontales, convector lateral y
quemadores en un extremo
Tema 2. Clasificación de los hornos
Unidades de combustión 1-29
Ventajas de los hornos de sección transversal cilíndrica (tanto horizontalmente como verticales)
Ventajas de
los hornos
Entre algunas de las ventajas de los hornos tenemos:
1. Ellos necesitan para un trabajo dado un área de ubicación
más pequeña que los del tipo cabina.
2. El costo es generalmente 10% a 15% más bajo que los del
tipo cabina, cuando se comparan tamaños selectivamente
apreciables.
3. Pueden acomodar un número mayor de pasos paralelos del
serpentín.
4. Para trabajos grandes, un calentador cilíndrico tiene una
caja de fuego más alta y un tiro natural mayor en el
quemador.
5. La velocidad del gas de combustión es generalmente más
alta en la sección por convección. Por lo tanto, el coeficiente
de transferencia de calor por convección es mayor.
6. En la sección por convección se necesita un número menor
de los soportes de tubería, los cuales son costosos.
7. Las cámaras anti-ruidos y de pre-calentamiento de aire son
más pequeñas.
8. En la sección por convección se requiere un número menor
de sopladores de cenizas.
9. No se necesitan sopladores de cenizas para combustión
gaseosa.
10. Si el drenaje del serpentín es un problema, se puede usar un
serpentín helicoidal cuando existe un solo paso.
Unidades de combustión
Capitulo 1. Hornos 1-30
Ventajas de los hornos de sección transversal rectangular de tipo cabina (tanto horizontal como verticales)
Ventajas Entre algunas de las ventajas de los hornos de sesión transversal
rectangular de tipo cabina tenemos:
1. El serpentín del proceso puede ser drenado.
2. los problemas ocasionados por un flujo bifásico son menos
severos. (Flujo tipo tapón generalmente puede evitarse).
3. En las cabinas se puede instalar los quemadores laterales o
quemadores frontales, en vez de sólo verticalmente con la
llama directa hacia arriba. Esto permite que el fondo del
calentador esté mas cerca del piso. (Algunos fabricantes de
quemadores prefieren el encendido horizontalmente cuando
se usan combustibles líquidos).
4. cuando se trata de hornos de capacidades menores de 10
MMBTH/hr la inversión es menor que en hornos cilíndricos.
Variaciones
en la
disposición de
los hornos
En la clasificación de los hornos se puede apreciar que existen
amplias variaciones en la disposición, diseño y construcción
detallada de los hornos esto es debido a que en múltiples ocasiones
el horno debe ser diseñado para satisfacer requerimientos
específicos para un uso en particular.
El horno denominado “de radiación total” es el más sencillo. En él
tubo de fuego colocado totalmente a lo largo de las paredes de la
cámara de combustión y la cual se denomina sección radiante.
Este tipo de horno es generalmente de baja eficiencia térmica y
constituyente la inversión en capital más baja para un servicio
dado.
El término “radiación total” realmente no es apropiado, ya que este
tipo de hornos no solo se transfiere calor a los tubos del serpentín
por radiación, sino también por convección.
La transferencia de calor por convección se debe a qué el serpentín
de la zona radiante está expuesto a los gases de combustión que se
genera en la cámara de combustión.
Tema 2. Clasificación de los hornos
Unidades de combustión 1-31
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Unidades de combustión
Capitulo 1. Hornos 1-32
Variaciones en la disposición de los hornos (continuación)
Variaciones
en la
disposición de
los hornos
(continuación)
De esta manera, el calor total que se transfiere en la zona radiante
puede dividirse en una porción debido a la radiación térmica y otra
a la convección de calor. Es por esta razón que el término
“radiación total” no es apropiado.
Actualmente, los hornos más avanzados poseen una sección
separada para la transferencia por convección. De esta manera, el
calor que aún poseen los gases de combustión, al abandonar la zona
de radiación, puede ser aprovechado parcialmente. A esta sección
se lo conoce con el nombre de convector. Allí se transfiere calor
tanto por convección como por radiación.
Generalmente, el calor que se transfiere en el convector es usado
para precalentar el volumen de carga de alimentación del horno o
para tipo de calentamiento. De esta manera se aumenta la
eficiencia del horno. Así por ejemplo, en hornos que no poseen
convector, las temperaturas de salida de los gases por la chimenea
puede alcanzar niveles entre 800 ºF y 1000 ºF. En cambio, cuando
se usan convectores, esto es una indicación del grado adicional de
aprovechamiento del calor de los gases que salen de la zona
radiante y por lo tanto del aumento de la eficiencia del horno.
Inmediatamente que los gases pasan de la zona radiante a la zona
convectora, se observa que las primeras hileras de tubos del
convector están sujetas a transferencias de calor por radiación y
convección.
Estos tubos generalmente están sometidos de transferencia de
calor mas altas en el horno y se les conoce como tubos “protectores”,
de “blindaje” o de choque.