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Sistema de gases Parte I.
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3.- SISTEMA DE GASES
3.1 Generalidades. La combustin que se desarrolla en el seno del
hogar con rgimen continuo, impone que se efecte el suministro de
aire y combustible en determinada relacin msica y forma adecuada.
Simultneamente deben evacuarse los productos de combustin
arrojndolos al medio ambiente en determinadas condiciones, acorde
con las reglamentaciones vigentes. El desplazamiento, regulacin y
acondicionamiento del aire para la combustin y de sus productos
resultantes los quemados, est a cargo de una instalacin que
cumplimenta sus funciones operando coordinadamente, y se llama
Sistema de Gases.
El aire y los productos de combustin, para desplazarse a travs
de conductos y de superficies de intercambio trmico intercaladas en
su paso, requieren de una fuerza impulsora que puede ser
suministrada por la accin de una chimenea o por ventiladores; o
bien la accin combinada de ambos.
La presin existente en el interior de un conducto se denomina
TIRO. Por convencin, el TIRO ser positivo cuando su valor es mayor
que el correspondiente a la presin atmosfrica medida en un mismo
plano de altitud. Ser negativo, si es menor. El desplazamiento de
gases originado solamente por la accin de la chimenea se
caracteriza por tener un rgimen de presiones aguas abajo de los
conductos con tiro negativo. Este rgimen de presiones negativas
decrecientes aguas abajo en los conductos, se denomina TIRO
INDUCIDO TI.
Cuando el TI. es solamente una consecuencia de la accin de
chimenea, al sistema se le denomina TIRO NATURAL. Cuando al TI. se
le obtiene por la accin mecnica de ventiladores, est rgimen de
presiones tambin decreciente aguas abajo, tiro negativo hasta
alcanzar el ventilador, se llama TIRO ARTIFICIAL. Al ventilador se
le llama ventilador de tiro inducido VTI.
Cuando el rgimen de presiones dentro de los conductos es mayor
que el atmosfrico, tiro positivo, y decreciente aguas abajo; ello
se consigue nicamente mediante la accin de ventiladores. Este
sistema se llama TIRO FORZADO y al ventilador que lo genera,
ventilador de tiro forzado VTF. Con frecuencia los GV. operan con
presin en el hogar ligeramente inferior a la atmosfrica, de 20 a
100 Pa.; teniendo tiro forzado aguas arriba, y tiro inducido aguas
abajo. Este sistema se llama TIRO EQUILIBRADO. TE.
3.2 Tiro Natural. (TN) Sea un conducto que por ambos extremos se
conecta con la atmsfera, tal como ilustra la Fig. 1. Mediante un
medio accesorio, el gas contenido en el interior del mismo, se
encuentra a temperatura tg. mayor que la del medio ambiente. ta.
Ambas temperaturas se supondrn constantes a lo largo de todo el
conducto de longitud H. Un pistn imaginario colocado en el plano de
control 1-1 est sometido en su cara inferior y superior a las
fuerzas Fa. y Fg. respectivamente.
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Fa. 11 = H12 . A . a + p. at2 . A (1) Fg. 11= H12 . A. g + p.
at2 . A (2)
donde: peso especfico medio de los gases considerado ente los
planos de control especificados.
H altura de la columna de gases.
A rea del conducto en el plano de control
Restando miembro a miembro (1) y (2), se tiene:
F11 = Fa11 - Fg11 = H12 . A . ( a - g) (3)
Donde F11 resulta la fuerza impulsora resultante y aplicada en
el plano de control considerado. Esta fuerza habr de producir el
desplazamiento ascendente de la columna de gases calientes.
Interpretando el caso de acuerdo al Principio de Arqumedes, la (1)
proporciona el peso de fluido desalojado por el volumen de gases
calientes sumergidos en su seno. Es decir el Empuje. La expresin
(2) el peso del fluido sumergido. La expresin (3) la Fuerza
Ascensional resultante aplicada sobre el cuerpo sumergido. Lo que
denominaremos fuerza impulsora, y a la presin ejercida presin
impulsora.
El cociente de la fuerza impulsora y el rea donde sta se aplica,
proporciona la presin impulsora pi. llamada tambin efecto
chimenea.
pi.11 = H . ( a - g) (4)
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Es corriente expresar la presin reinante dentro de los
conductos, o el tiro, en milmetros de columna de agua (mm.ca.)
unidad que tiene las siguientes equivalencias:
1mm ca = kgf / m2 = 9,8 N/m2 (Pa)
De acuerdo a la expresin (3) la Fi. es proporcional a la altura
de la columna de gases calientes y de la diferencia de pesos
especficos aire-gases. El peso especfico del aire es afectado por
la temperatura y humedad del medio ambiente y por la altitud. La
afectacin de estos factores se debe reflejar cuando se calcula el
peso especfico del aire.
Para ambos fluidos resulta aplicable la ecuacin de estado de
gases perfectos para la determinacin de los pesos especficos. La
constante R de la mezcla resulta:
R.mezcla = Egi . Ri (5) donde:
Gi
gi ; fraccin gravimtrica del componente ( peso del componente
por unidad de peso mezcla)
Gi ; peso de la mezcla.
La composicin gravimtrica del aire es del 23 % para el oxgeno y
67 % para el nitrgeno. La variable ser la humedad como componente.
El peso especfico del aire puede obtenerse de un diagrama
psicromtrico. Para el peso especfico de los gases de combustin,
puede adoptarse el mismo que para el aire a la misma temperatura,
cuando desea obviarse su clculo por la va termodinmica.
Representando en un par de ejes p.esttica- recorrido el perfil
de presiones del dispositivo representado en Fig.1, se tiene la
Fig.2 La variacin de la presin atmosfrica ser lineal al igual que
el tiro, y proporcional al producto respectivo H. peso especfico.
Como se observar el tiro es negativo y decreciente sus valores
aguas abajo caractersticas del TI. El decrecimiento de las
presiones aguas abajo resulta indispensable para la produccin del
flujo.
En los GV. los conductos de gases suelen tener direccin ya sea
ascendente como
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descendente. Fig.3.
Para calcular la presin impulsora se procede de la siguiente
manera. Cuando el sistema est en reposo, gasto nulo, obran 4
fuerzas, cada una de ellas correspondientes a las columnas con
alturas H12, H23, H34, y Haire. Se tendr en cuenta que los gases
ejercen compresin, no traccin. Las 4 columnas apuntadas ejercen su
peso hacia abajo. Vinculando la columna de aire con las de gases,
se comprender el peso ejercido por la columna de aire Ga., y la de
gases calientes G23, obran procurando desplazar los gases en un
mismo sentido, el de procurar un desplazamiento de los gases en
sentido contrario al de las agujas del reloj. Las columnas G12 y
G34 provocan un desplazamiento de los gases en sentido contrario al
anterior. La presin impulsora ser:
pi11 = F11 / A11 = (H14. a + H23. 23 -H12. 12 - H34. 34) (6)
donde:
A11 ; seccin de la columna de gases en el p1. de control 11.
; peso especfico medio de la col. de gases. pero:
H14 = H12 - H23 + H34 (7)
pi11 = [(H12-H23+H34) . A +H23. 23 - H12. 12- H34. 34 ) (8) pi11
= [ H12. ( a - 12) + H23. ( 23- a) + H34 ( a - 34)) (9)
La expresin (9) pone de manifiesto que las columnas de gases que
tienen direccin ascendente conviene que tengan la mayor temperatura
para incrementar la presin impulsora. Fig.4. Las columnas de gases
que tienen direccin hacia abajo, descendentes, convienen sean fras.
Las descendentes contraponen su efecto a las ascendentes.
Representando la variacin de pi. en un par de ejes p.est - x se
tiene: Ntese la disminucin
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de presin impulsora por la presencia de la columna descendente,
tramo 23.
3.2.1 Limitaciones del tiro natural.
La cesin trmica de los productos de combustin al agua de
circulacin del GV se lleva a cabo por conveccin y radicacin. En el
sector del GV. donde principalmente el intercambio tiene lugar por
conveccin, resulta conveniente para incrementar este proceso
aumentar la velocidad de pasaje de los gases. Pero ello implica un
incremento en la prdida de carga.
En los GV. de primeras generaciones el costo de los materiales
constructivos del GV. y el del combustible era reducido. Por lo
tanto era factible disear las sup. de intercambio en forma amplia
requiriendo reducidas velocidades de los quemados. Por lo tanto,
reducida cada de presin susceptible de satisfacer los quemados. Por
lo tanto, reducida cada de presin susceptible de satisfacer con
tiro natural. En la medida que los costos de los integrantes
citados se fueron incrementando, se aument la velocidad de pasaje y
se redujo la temperatura de los gases en base de chimenea. Ambos
factores producen un efecto que se traduce en disminucin de la
p.impulsora e incremento de las prdidas de carga. Asimismo para la
recuperacin de la energa trmica de los quemados se introdujeron
nuevas superficies de intercambio, precalentador de aire,
economizador, as como sobrecalentadores y recalentadores que
incrementaron en mayor grado el requerimiento de pi. Estos factores
fueron paulatinamente limitando la posibilidad de satisfacer los
requerimientos de pi. solamente mediante el tiro natural
La demanda de pi. en un GV. humotubular de 3 pasos operando a
plena carga es del orden de 100 mm de ca. mientras que con una
chimenea de 100 m de longitud y temperatura media de gases de 250 C
y temperatura ambiente de 20 C, 60 % HR se tiene una pi.
pi = 100m (1,2045 - 06748) kg/m3 = 53 kg/m2 = 53 mm ca.
Ello muestra la insuficiencia del TN. para este tipo de
instalaciones no obstante la altura adoptada de chimenea
desproporcionadamente alta. Normalmente no superan 15 metros.
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Debe tenerse presente que a medida que se incrementa la altura
de la chimenea aumentan las prdidas de carga en su interior, y
disminuye la temperatura media de los gases. Ambos factores reducen
la pi. resultante. Las chimeneas de altura importante, por ejemplo
mayores de 30m se construyen de hormign revestido interiormente con
material refractario aislante y resistente a los cidos. Las de
menor altura de chapa de acero. Lgicamente tienen mayor prdida de
calor por unidad de longitud, factor que se atena a medida que se
incrementa su dimetro
El comportamiento de la chimenea es afectado por la altitud,
temperatura ambiente y humedad. Cuanto mayor sean estos parmetros,
menor la pi. resultante para una misma y altura columna de gases.
Estos factores inciden directamente en el valor del peso especfico
del aire. Para la performance de una chimenea se requiere
conocer:
- gasto msico de gases a desplazar.
- densidad media de los gases en la chimenea.
- densidad del aire del medio ambiente en las condiciones de
operacin.
3.3 Chimenea. Si bien en la actualidad la pi. para el
desplazamiento de los gases se obtienen principalmente en base al
tiro artificial, la utilizacin de la chimenea se justifica por otro
motivo. Esta proporciona el medio para lograr una mayor dispersin
de los elementos polucionantes que se descargan al medio
ambiente.
Para incrementar este efecto se debe aumentar su altura y/o
velocidad de los gases a la salida del can. Una regla grosera
expresa que para vientos reinantes de 15 km./h. la mayor velocidad
de salida de 1m/seg. equivale a incrementar en 1 metro la altura de
la chimenea. En CTE. las chimeneas elevadas (160 m. en C. Costanera
Bs.As.; 350 m Mitchell EE.UU. y en Europa) cumplimenta con ambos
propsitos, incrementar la pi. y la dispersin.
En general la seccin transversal de la chimenea es tal que
asegura una velocidad interna constante de los gases. Eventualmente
proporcionando en las proximidades de la salida del can una mayor
velocidad a los gases. La velocidad en la zona media del can es del
orden de 18 a 30 m/s empleando tiro artificial. Los mayores valores
cuando se pretende una mayor penetracin de los gases en la
atmsfera.
La prdida de carga dentro de la chimenea se calcula en base a la
expresin de Fanning:
p = f . L/D . c2 / 2.g. . (11) donde:
f ; factor dependiente de la rugosidad relativa interior y del
NRe de los gases. Diagrama de Moody.
L ; D ; longitud y dimetro de la chimenea.
c ; velocidad de los gases.
; peso especfico medio de los gases.
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g ; ac. gravitatoria.
La prdida de carga dinmica resulta:
pd = C2 / 2g . (12) donde:
C ; velocidad de los gases a la salida del can.
Para velocidad de gases de 20 m./s,. y temperatura de 200 C ( =
0,7 kg/m3 ), la prdida de carga dinmica es de 14 kg/m2 = 14 mm
ca.
La Fig. 5, copia de Steam Its. Generation and Use; Babcock y
Wilcox pag. 5-6 proporciona el factor de friccin F para las
rugosidades usuales interiores de las chimeneas ya sea metlicas
como de HoAo.
3.4 Perfiles Manomtricos.
3.4.1 Tiro Forzado.
El TF. se caracteriza por un perfil manomtrico segn ilustra la
Fig.7 correspondiente a un esquema de GV. segn Fig.6. El perfil
manomtrico aguas abajo del VTF. es decreciente pero de presiones
mayores que la del medio ambiente. La Fig. 7 considera presiones
estticas adems:
- No considera el efecto chimenea.
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- Las variaciones de presin responden a prdidas de carga por
rozamiento y no a variaciones de velocidad.
- Se han despreciado las variaciones de p.atmosfrica para altura
menores que las correspondientes al plano de control 99.
Para considerar el efecto chimenea se procede de la siguiente
manera. Fig.8 A la presin esttica, tiro, correspondiente al plano
9-9 se le resta el efecto de chimenea H9-10. 9-10. Si este producto
proporciona un valor absoluto mayor que la prdida de carga
correspondiente a dicho tramo 9-10, el tiro en el plano 9-9 ser
menor que la p.atmosfrica correspondiente a esa altura. Normalmente
ello ocurre y la poligonal de tiro corta a la de p.atmosfrica aguas
arriba del plano de control al pie de chimenea. Como se apreciar el
tiro es positivo hasta las proximidades del pie de chimenea. Luego
aguas abajo, negativo. Esta disposicin impone una construccin del
GV. que prevea una estructura resistente capaz de soportar la
presin interior. Adems todas las acometidas que atraviesen la pared
hermtica de tubos debe prever un cierre que mantenga la
hermeticidad, caso contrario soplarn al exterior gases a elevada
temperatura. En los GV. con hogar a radiacin las paredes de tubos
se respaldan cinchando con perfiles de acero que soportan el
esfuerzo flector a que se
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Sistema de gases Parte I.
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encuentran sometidas las paredes. La utilizacin del TF. en GV.
humotubulares resulta de sencilla aplicacin por cuanto los gases se
desplazan en todo momento por el interior de tubos de acero,
mientras que por el exterior se ejerce la presin del vapor
generado.
El TF. se emplea tambin en unidades de mediana y mxima capacidad
de generacin de vapor. Su empleo se incrementa en forma continua.
Como ventaja puede citarse:
- Desplaza aire a temperatura ambiente, libre de componentes
agresivos, mientras que el VTI. desplaza gases a temperatura del
orden de los 200C y ms. Los productos de combustin resultan
agresivos.
- El caudal de aire a desplazar es menor que el VTI. por cuanto
el volumen especfico es menor (menor temperatura)
- El n de mquinas en servicio es la mitad por cuanto se requiere
un solo ventilador.
La desventaja reside en la exigencia de hermeticidad de todos
los pasajes por donde se desplazan los gases y la estructura
adicional resistente que impone. En relacin a la Fig.8 cabe acotar
que los GV. humotubulares en los registros de tiro al pie de
chimenea, an a plena carga suelen evidenciar depresiones de hasta 5
mm de ca. Ello depender: Temperatura de gases - Gasto de gases -
Prdida de carga en chimenea - Altura de chimenea.
La prdida de carga que debe salvar el VTF. es la sumatoria de
todas las correspondientes a los pasajes. Ello por cuanto estn
colocados en serie. .2
p VTF 1-2 = p 23 + p24 + p5 + ... + p9-10 + C102 /2g . 10
(13)
La expresin (13) proporciona la suma de prdidas de carga esttica
y la dinmica correspondiente al plano de salida del can 10-10. El
rendimiento total de estos ventiladores oscila entre 0,6 y 0,75
segn su diseo y capacidad. La potencia de accionamiento est dada
por la siguiente expresin.
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PVTF = p. VTF.1-2 . Q1-2 (14) Rend.VTF.
3.4.2 Tiro Equilibrado.
El perfil manomtrico de Fig. 9 corresponde al GV. de Fig. 10
Este sistema establece para todo tipo de carga una presin dentro
del hogar menor a la atmosfrica del orden de 5 - 10 mm de ca. Tiro
negativo en el hogar. El perfil manomtrico de Fig. 9 no considera
el efecto chimenea. Para trazar este perfil se puede partir de la
presin del hogar establecida para el grado de carga para el cual se
representa el perfil. Cada carga del GV. tiene un perfil manomtrico
diferente, por cuanto diferente es el gasto de aire y combustible
que se requieren para cada una de ellas. No se modifica su
caracterstica. Pero si sus valores puntuales.
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Definido el tiro en el plano de control 5-5 se van sumando las
Ap. aguas arriba hasta alcanzar el plano 22. El salto de presiones
p1-p2 debe estar a cargo del VTF. El tiro de aguas arriba del hogar
es positivo. Restando prdidas de cargas aguas abajo del hogar hasta
alcanzar el plano 9-9 y considerando la correspondiente al tramo
10-11 se tendr el perfil completo. El salto de presiones a carga
del VTF ser p9-p10. Como no se ha considerado el efecto chimenea el
tramo 10-11 tiene tiro positivo. Para considerar el efecto chimenea
a la presin en el plano 10-10 se deber restar el producto H10-11 .
10-11. Como normalmente es mayor el efecto chimenea que la prdida
de carga dentro de ella, el perfil manomtrico resultar con tiro
negativo desde la salida del can hasta el hogar. Fig.11 Ntese que
el requerimiento sobre el VTI. se ha reducido en un valor igual al
efecto de chimenea.
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A efectos de proporcionar una idea aproximada de los valores de
cadas de presin en los pasajes, se detallan para un GV. de las
siguientes caractersticas:
GV. acuotubular. TE. Produccin de vapor 170 ton./h Potencia
elctrica en bornes de la TV. 40 MW.
Aire terico para la combustin 310.340 1b/h
Exceso de aire requerido por el quemador FO. 5% 15.520
Compensacin de prdidas por filtracin en el
precalentador de aire 10% 31.030
Margen de seguridad 10% 35.680
Gasto de aire requerido 392.580 1b/h
- Prdidas de carga conductos aspiracin VTF y
calefactor de vapor 2 in.ca
- Prdida de carga en el Precalentador de Aire 3,3
- Prdidas de carga conducto + Caja de vientos +
Quemador de FO 5
- Margen de seguridad 25% 2,6
- Requerimiento para VTF. 12,8 in.ca
Temperatura del aire a desplazar 80 F
Margen de Seguridad 105 F
Para el VTI.
- Gasto de aire terico 310.340 1b/h
- Exceso de aire requerido 15.520
- Gasto de combustible quemado 22.500
- Infiltracin de aire en el hogar y pozo de con-
veccin 6.210
- Infiltracin del VTF. en el Precalentador de Aire 31.030
- Margen de seguridad 10% 38.560
- Gasto de aire requerido al VTI 424.160 1b/h
- Prdidas de carga en el Hogar 0,1 in. ca
- Prdidas de carga en T.Hervidores + Sobrecalent. 1,3
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- Prdidas de carga economizador 1,9
- Prdida de carga Precalentador de Aire 4,4
- Prdida de carga en chimenea 0,9
- Margen de seguridad 25% 2,2
- Requerimiento para VTI 10,8 in.ca.
- Temperatura de gases a desplazar 335 F
- Margen de seguridad (25F ) 360 F
No se considerar efecto de chimenea. Las prdidas de cargas a
cargo del VTI corresponden a la sumatoria de las respectivas a
considerar desde el hogar hasta la salida del can de chimenea, ms
la prdida de carga dinmica. La potencia del VTI resulta :
PVTI = p 9-10 . Q9-Q10 (15) Rendimiento VTI
El rendimiento del VTI. puede considerarse dentro de los valores
dados para el VTF.
3.4.3 Tiro Inducido.
Se lo emplea en escasas ocasiones. Los GV. humotubulares
quemando lea o residuos de aserraderos son un ejemplo. Fig.12.
1
1
2
2
3 3
HOGAR
Aire de combustin
Gases de combustin
Sistema de alimentacin
Fig. 12 Fig. 13
1 3
2
P atm
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Sistema de gases Parte I.
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Les resulta conveniente la aspiracin de los quemados para crear
una depresin en el hogar y evitar el retroceso de llama hacia el
sistema de alimentacin de combustible. El perfil de presiones est
representado en Fig.13. La Fig.13 corresponde a la accin del Tiro
Natural. Cuando se pretende una accin ms intensa en la combustin,
se coloca el VTI al pie de la chimenea. Fig.14 con perfil de
presiones segn Fig.15. En esta figura se ha considerado el efecto
chimenea, donde el efecto chimenea es mayor que la prdida de carga
en su interior. Si Ap 34 (dentro de la chimenea) fuese mayor que el
efecto chimenea, el perfil estara representado en Fig.16.
1
1
2
2
3 3
HOGAR
Aire de combustin
VTI
Sistema de alimentacin
Fig. 14
4 4
Fig. 16
1 4
2
P atm 3
Fig. 15
1 4
2
P atm
3
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3.5. Ventiladores.
Cualquiera sea la naturaleza del combustible empleado, los GV.
industriales para CTE, marinos, todos emplean para el
desplazamiento del aire para la combustin y gases productos de
ella, ventiladores. Los ventiladores proporcionan al aire primario
para el transporte del polvo de carbn desde los molinos hasta el
quemador. Asimismo proporcionan el aire secundario y terciario a
travs de las cajas de viento para completar la combustin. Su funcin
les confiere la denominacin especfica:
- Ventilador de Tiro Forzado VTF.
- Ventilador de Aire Primario VAP.
- Ventilador de Tiro Inducido VTI.
- Ventilador de Recirculacin de Gases VRG.
Ventilador de Tiro Forzado: Proporcionan la totalidad del aire
requerido para la combustin. Deben por lo tanto, desplazar el gasto
estequiomtrico, ms el exceso de aire requerido, ms el aire que
pierde por infiltracin en el precalentador de aire Ljunstrm. Ello
en tanto no haya un ventilador de Aire Primario. Este ltimo
proporcionan una parte del gasto de aire total requerido.
Se prefiere para VTF. los ventiladores radiales o con labes
inclinados para atrs tipo airfoil, o bien en GV. de las mximas
capacidades actuales de generacin, los axiales. El VTF. opera con
aire limpio y a temperatura ambiente. Resultando los ms
equilibrados dinmicamente y eficientes. Se adecuan para operar a
elevados regmenes de r.p.m. La mayora de las instalaciones prevn un
silenciador en su aspiracin. Este aditamento es indispensable segn
sea la ubicacin del VTF. Normalmente el nivel de presin sonora
supera los valores admisibles para el personal. Incorporan, tambin
segn el punto de instalacin, rejilla para su proteccin del ingreso
de slidos que puedan ser arrastrados por el viento, incluso aves y
roedores. Se tendr en cuenta la temperatura, humedad y p.atmosfrica
donde se ha de instalar por cuanto son factores que afectan su
capacidad.
Ventiladores de Aire Primario: Como se anticipara son los
encargados de transportar el polvo de carbn desde los molinos hasta
los quemadores. El aire empleado para el transporte del polvo puede
ser tomado desde el ducto de aire secundario, aire precalentado, o
bien con aire a temperatura del medio ambiente tomado aguas arriba
del Precalentador de Aire. El primer sistema es el ms empleado.
Emplea un solo ventilador con labes de tipo radial. Su caudal
depende de los requerimientos para el transporte del polvo de
carbn. Cabe destacar que al emplearse un VAP. que aspira aire aguas
arriba del Precalentador de Aire, lo toma del medio ambiente, el
caudal que ste desplaza debe deducirse del total requerido para
determinar el caudal del VTF. No ocurre as con el VAP. que aspira
aire precalentado desde el ducto de aire secundario.
Ventilador de Aire Inducido: Son lo encargados de producir una
depresin en el hogar del orden de 5 a 12 mm ca. Su capacidad debe
tener en cuenta la falta de hermeticidad del GV.
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(infiltracin de aire del medio ambiente). Se eligen ventiladores
con labes con el disco posterior, se refuerzan con superficies
supletorias para compensar el desgaste que le provoca la ceniza y
elementos volantes. Los labes para reducir su desgaste requieren de
modificaciones en el diseo que significan escaso detrimento de su
eficiencia. Mediante estos artificios se pueden emplear labes
radiales y curvados hacia atrs.
Ventiladores de Recirculacin de Gases Estos ventiladores aspiran
quemados desde un sector localizado aguas abajo del economizador y
aguas arriba del Precalentador de Aire. Lo descargan en la parte
inferior del hogar. Ello tiene por objeto:
- control de temperatura de sobrecalentamiento del vapor.
- favorecen la combustin del coke volante.
Se eligen labes radiales o inclinados para atrs con
modificaciones por las mismas razones apuntadas para el VTI. El VRG
solo se usa para quemar carbn.
3.5.1 Caractersticas Constructivas y Operativas de los
Ventiladores.
Un ventilador V. es una mquina volumtrica que desplaza aire y
productos de combustin, proporcionndoles para ello la energa
necesaria para vencer las resistencias que le ofrece el circuito a
recorrer. El V. dispone de un rodete que el rgano mecnico destinado
al intercambio de energa entre mquina y fluido. Este dispone a su
vez de labes, que son elementos mecnicos cuya geometra particular
posibilita el intercambio energtico deseado. Segn la direccin del
flujo de gases que circula por el V. ste puede ser clasificado
como:
- Ventilador de flujo Axial.
- Ventilador de flujo Diagonal.
Los V. de flujo Axial son empleados para el desplazamiento de
significativos volmenes de aire, que solo son requeridos por GV. de
gran produccin de vapor. En nuestro pas no hay en la actualidad GV.
que empleen estos V. En trminos econmicos solo son competitivos en
dicho rango operativo. Fig.17 - 17.1 - 17.2 - 17.3 - 17.4 Para
regulacin del caudal desplazado varan el ngulo de incidencia de sus
labes. Generalmente son de un solo rodete, o eventualmente 2
rodetes en serie instalando siempre a continuacin un difusor para
el incremento de la presin esttica.
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Los V. diagonales llamados tambin centrfugos su rodete gira
encerrado dentro de una carcaza con forma espiral o voluta que segn
su diseo colabora en el incremento de la presin. Los labes de los
V. centrfugos segn su geometra pueden clasificarse:
- labes curvados hacia atrs.
- labes radiales.
- labes curvados hacia adelante.
Fig. 18. Tal como se aprecia en la figura, la velocidad de
salida del gas, para una misma velocidad tangencial, e igual gasto,
es mayor en los curvados hacia adelante que en los curvados hacia
atrs. Como la cesin de energa depende de este factor, se comprender
la mayor entrega para los V. con labes curvados hacia adelante. El
radial ocupa una posicin intermedia. En general la geometra del
labe limita la velocidad de giro del V. As, los V. con labes
curvados hacia atrs pueden operar a mayor velocidad de giro lo cual
les facilita el acople directo a los motores de accionamiento.
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Sistema de gases Parte I.
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La geometra del labe est relacionada con diversos factores tales
como velocidad de giro, ruido, rendimiento, comportamiento del V.
ante cargas variables sensibilidad a la erosin. Fig. 19.
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Sistema de gases Parte I.
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La Fig. 20 muestra un V. centrfugo con labes curvados hacia atrs
con ingreso de aire al rodete por ambos extremos.
El trabajo terico desarrollados por el V. puede ser representado
en un par de ejes p-V. Correspondiendo a la fase aspiracin 1-2
isobrica, compresin 2-3 politrpica, barrido isobrico 3-4. El cambio
de volumen especfico del fluido entre las condiciones de entrada y
salida al V. es muy reducido, del orden del 7% para 0,1 bar. En
consecuencia la compresin politrpica 2-3 puede ser reemplazada por
la isovolmica 2-3 resultando de esta manera el trabajo terico
Wu = V12 (p3 - p2) = V12 p. (16)
Es decir, igual a producto del volumen desplazado por el salto
de presin medido entre la salida y la entrada.
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La diferencia de presin es expresada generalmente en mm. de col.
de agua e identificada como Altura (piezomtrica) H. La altura H.
constituye una energa suministrada por unidad de peso que circula
por el V. (.FL./F )
Si a la altura H. se le multiplica por el peso especfico del
fluido se tiene la diferencia de presin alcanzada por ste. (
L..F/L3 = F/L 2)
En los V. generalmente solo se consideran las variaciones de
presin esttica. Ello por cuanto la presin dinmica es de reducido
empleo para vencer resistencias.
El comportamiento de un V. ante condiciones externas variables
es sencillamente interpretada en forma de grficos conformando stos
una familia de curvas llamadas caractersticas de un V. Los
parmetros frecuentemente representados son:
- Altura - Caudal H-Q
- Potencia - Caudal P-Q
- Rendimiento - Caudal Y-Q
Estas relaciones resultan sensiblemente afectadas por la
geometra de los labes. Fig. 19. De esta se desprende que la
caracterstica H-Q de los rodetes con labes curvados hacia atrs
presenta un mximo para luego decrecer para caudales mayores.
En los labes curvados hacia adelante la caracterstica H-Q
presente una inflexin. Ambos
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aspectos ocasiona un inconveniente. Distintos valores del Q.
pueden ser satisfechos con una misma altura. Ello genera
inestabilidad en el funcionamiento del V. Los labes curvados hacia
atrs solo son inestables para caudales muy reducidos. No ocurre lo
mismo con los curvados hacia adelante. La zona utilizable del V. es
aquella de caudales que se satisfacen con una sola altura.
La zona inestable de los V. se manifiesta con un problema
llamado bombeo. En esta zona el flujo puede ser oscilante,
cambiante en su valor incluso en el sentido del desplazamiento.
Ello se traduce en esfuerzos pulsantes sobre el rodete cuya
permanencia es inadmisible por las consecuencias mecnicas que trae
aparejado sobre el V. y el sistema a que sirve.
La caracterstica Potencia-caudal P-Q tambin presente
diferencias. Los diseos de labes inclinados hacia adelante y
radiales, la potencia demandada es siempre creciente con el caudal.
Ello tiene como inconveniente el hecho de prever una potencia
adicional al motor de accionamiento en el caso que ste pueda
funcionar con menor resistencia en el circuito. Los V. con labes
inclinados hacia atrs tienen la caracterstica P-Q autolimitante,
por lo tanto bajo ninguna condicin superan la demanda de potencia
cuando el caudal es mayor al nominal. Solo en un 10% sobre la
demanda para la condicin de mximo rendimiento.
En relacin a la caracterstica Rendimiento-Caudal, ntese que para
cualquiera de los diseos de labes, la zona de ptimo rendimiento es
relativamente estrecha. Por ello el punto de funcionamiento ms
frecuente de los ventiladores debe estar comprendido dentro de un
valor razonable del rendimiento. La eleccin del V. debe considerar
adems del caudal, la altura, el diseo de labes, la zona de ms
frecuente empleo corresponda un razonable rendimiento.
Actuando sobre el ngulo de salida del rodete, es posible lograr
una caracterstica H-Q ms o menos empinada. Cuanto ms empinada su
funcionamiento resulta ms estable en el sentido que, el caudal vara
levemente frente a alteraciones razonables en la resistencia del
sistema. Las caractersticas H-Q empinadas son asimismo adecuadas
para operar en paralelo. Las aplanadas tienen el inconveniente de
variar ampliamente el caudal suministrado, cuando levemente se
altera la resistencia del sistema.
En general los V. con labes inclinados para atrs se emplean para
VTF. Los radiales y curvados hacia adelante para el VTI.
Preferentemente los radiales que toleran ms eficientemente la
erosin. Ver tabla Y. Esto constituye un factor decisivo para la
eleccin del VTI.
La caractersticas operativas de los V. resultan sensiblemente
afectadas por la velocidad de giro, pudiendo expresarse:
- El caudal Q. es directamente proporcional a la velocidad de
giro n.
- La Altura H. es directamente proporcional a n2.
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- La Potencia P. es directamente proporcional a n3.
La Fig. 21 muestra la variacin de la caracterstica H-Q de un V.
para distintas velocidades de giro. 960-880-800-720-640 r.p.m. En
el mismo diagrama se han representado las variaciones del
rendimiento en forma de curvas de igual rendimiento llamadas curvas
de nivel de la colina de rendimiento. Estas curvas de nivel son
resultantes de considerar H-Q en tres ejes normales, donde para
cada condicin operativa sobre la curva H-Q de Fig. 21.1 se
representa normalmente el valor del rendimiento para dicha
condicin. As se opera para distintas velocidades de giro. El lugar
geomtrico de los valores de los rendimientos, conforma una
superficie en el espacio, llamada colina de rendimiento. Cortando
dicha colina con un plano horizontal paralelo al H-Q se tendrn
isolneas de rendimiento, las curvas de nivel de rendimiento.
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Sistema de gases Parte I.
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La especificacin de los parmetros caractersticos que debe
satisfacer un V. es tema a considerar en alguno de sus aspectos con
el fabricante del mismo. Ms an los conductos de conexin del V.
pueden afectar su performance de tal modo que resulta aconsejable
consultar con su constructor, del V. el diseo de stos para su
evaluacin
Paralelamente, se deben adoptar mrgenes de seguridades cuanto a
las cadas de presin y caudal a cumplimentar. La definicin del gasto
deber tener en cuenta la falta de estanqueidad de los conductos y
equipos por donde se ha de desplazar el aire y los gases. Asimismo
que la hermeticidad es variable con el uso. Tambin que las
eventuales modificaciones de las caractersticas de los combustibles
a emplear en el GV. pueden requerir distintos excesos y gastos de
aire. Por todo ello, Combustion Engineering aconseja:
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(pg. 6-39)
- VTF presin esttica 25% en exceso.
caudal 20% en exceso.
- VT Balanceado presin esttica 50% en exceso.
caudal 25% en exceso.
Estos valores son recomendados en la medida que los mismos
obtenidos por clculo no hayan sido obtenidos para valores picos
inusuales muy por encima de las condiciones de Rgimen Mximo
Continuo MCR.
- Resistencia adicional intercalada en el circuito.
- labes directrices en el ingreso del V.
- Motor elctrico de 2 velocidades.
- Motor elctrico de velocidad variable.
- Acoplamiento hidrulico.
La colocacin de una resistencia adicional (Fig. 23) intercalada
en el circuito consiste en un artificio de un bajo costo de
adquisicin, pero de elevado costo operativo por cuanto se adiciona
una prdida de carga, un mayor consumo de energa, por unidad de masa
de aire entregada. Este mtodo resulta interesante cuando la mayor
frecuencia operativa del GV. corresponde a plena carga GV. de base.
De este modo, la economa introducida en su adquisicin compensa el
mayor costo de la energa elctrica consumida en las escasas horas
que trabaja a carga parcial.
Los labes directrices en aspiracin Fig. 23.1 basan su regulacin,
en una prerotacin que le
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producen al aire al ingresar al rodete. La prerotacin tiene el
mismo sentido de giro que la del rodete. De este modo la energa
transferida por ste, de acuerdo a la expresin de Euler:
Wu = ( C 2u U2 - C 1u U1 ) (18)
Cuando el V. opera sin prerrotacin, la componente tangencial C1u
del vector velocidad absoluta de entrada, es nula por cuanto C1
ingresa al rodete en forma normal a ste. Al prerrotarlo los labes
directrices, deja C1 de ser normal y aparece la componente
tangencial C1u. Esta componente reduce el intercambio de energa y
por lo tanto el valor de H. a la salida del V. (U; corresponde a la
velocidad tangencial del rodete a la entrada subuno; a la
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salida subdos). Fig.24 la variacin de eficiencia.
Este sistema es ms costoso de adquisicin, pero su eficiencia es
mayor que el mtodo de la resistencia adicional. Es muy empleado en
instalaciones pequeas (humotubulares) y en GV. industriales y en
CTE. de pequea y mediana potencia (100.000 MW). Requiere de escaso
mantenimiento y es accionado directamente por varillaje
(humotubulares) o con servomotor (acuotubulares de CTE).
Como inconveniente tiene este sistema, que no es capaz de
reducciones del suministro de aire a valores menores que el 30% del
gasto mximo. No obstante es de reconocer, que no todos los GV. estn
capacitados para operar a cargas tan reducidas. Si fuera necesario
se puede complementar con una resistencia adicional para lograr
mayor reduccin del gasto de aire.
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El mtodo que emplea al motor elctrico de dos velocidades, se
suele adoptar como complemento de un control de labes directrices o
con resistencia adicional.
Ello posibilita al V. operar con menor alejamiento de la zona de
mxima eficiencia. Fig.21.
El empleo de motores elctricos de velocidad variable segn lo
cual la altura es funcin de n2 obtiene la reduccin de Q. tal como
lo muestra la Fig.21. En cuanto a la economa de energa respecto al
sistema que adiciona una resistencia al circuito, resulta del
siguiente anlisis. Sea Q el caudal obtenido mediante resistencia
adicional, le corresponde el mismo caudal reducido Q, pero la
altura H. Como la potencia resulta del producto H . O el mtodo
mediante resistencia adicional consume mayor potencia que con
velocidad variable H . O. Fig. 22.1 - 22.2
Como inconveniente este sistema tiene el mayor costo de
adquisicin del motor elctrico. Su justificacin se encuentra en
unidades de gran potencia de generacin de vapor que operan con
regmenes de carga fuertemente variables.
Empleando un acople hidralico, el V. tambin opera con velocidad
de giro variable al igual que el caso anterior. La variacin angular
la obtiene el variador hidralico. Es tambin costoso de
adquisicin.
La Fig.24 muestra la variacin de potencia demandada sobre el eje
del motor, expresado porcentualmente respecto de la plena potencia,
versus variacin del suministro de aire tambin en %. Como se aprecia
de la figura, el mayor consumo porcentual de energa, menor
eficiencia, corresponde al mtodo que incorpora una resistencia
adicional al circuito (Damper Control). Le sigue en mejor condicin
el sistema de labes directrices a la entrada del rodete (Inlet Vane
Control) accionada con motor elctrico de una velocidad. En mayor
eficiencia an el acoplamiento hidralico o magntico de velocidad
variable, tambin el motor elctrico de velocidad variable ( Magnetic
o Hydraulic Coupling). En comportamiento bastante particular el
sistema de labes direccionales al ingreso del rotor acoplado a
motor elctrico de dos velocidades. (Inlet vane control + two speed
motor).
La eleccin final ser una resultante de un anlisis tcnico -
econmico que contemplar adems de los costos de adquisicin y consumo
de energa, las caractersticas operativas del GV. As tambin la
seguridad de operacin.
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Sistema de gases Parte I.
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3.6 Gasto de aire para la combustin. Productos de combustin.
De acuerdo a Combustion Engineering D.23 la Tabla V. proporciona
las caractersticas de Combustibles Lquidos. La primera columna
detalla los diferentes combustibles considerados: Gasolina -
Kerosene - Gas Oil - Fuel Oil. La segunda columna expresa el peso
especfico en grados API (American Petroleum Institute). Las
siguientes columnas la composicin qumica elemental en %. La octava
columna el poder calorfico superior (High Heating Value) expresado
en BTU/1b. La novena columna el peso de aire requerido en forma
estequiomtrica para producir 10 BTU. La dcima columna el % de C02
en los quemados para exceso de aire nulo. La ltima columna
proporciona el porcentaje de C02 con exceso de aire nulo.
La tabla VI proporciona informacin relativa al Gas Natural con
diferentes composiciones. Considerando la masa de gas a 60 F y a
presin de 30 pulgadas de mercurio (29,92 es el valor STD). Los
gases naturales, secos. Las ocho columnas iniciales proporcionan el
anlisis qumico elemental expresado en % volumtrico. La novena
columna la densidad del GN. La dcima columna expresa el Poder
calorfico superior por pie cbico y por libra de peso. La undcima
columna expresa el peso del aire requerido en forma estequiomtrica
para producir 10 6 BTU. La ltima columna proporciona el % de C02
con exceso de aire nulo.
Cualquiera sea el tipo de combustible para determinar el peso de
aire requerido por unidad de peso de combustible, se opera de la
siguiente manera: Tomando como ejemplo al Fuel Oil:
758 1b. de aire 18.500 BTU/1b FO. = 14,023 1b. de
aire/1b.FO.
106 BTU
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Si se desea un determinado exceso de aire, por ejemplo 10%; el
peso de aire ser:
14,023 1b. aire x Exceso = 14,023 x 1,10 = 15,42 1b de aire / 1b
FO.
Para considerar la humedad del aire del medio ambiente, se sumar
el peso de vapor de agua (humedad absoluta) al peso de aire
requerido.
G aire = G.aire estequiomtrico Exceso de aire (1+ Hum.abs)
(19)
El gasto de productos de combustin Gg. resulta de la suma de los
gastos de aire ms el combustible deducida su ceniza.
Gg = G.aire + G.comb. - G.cenizas (20)
Esta ltima expresin asume que la ceniza queda separada en el
hogar. Las expresiones de clculo del gasto de aire no han
considerado las infiltraciones acerca de las cuales se trat en el
tema Ventiladores.
Por exceso de aire se define: Peso de aire sum./ Peso de aire
terico.
La humedad absoluta se expresa: kg. de vapor de agua / kg. de
aire seco.
3.7 Prdidas de Carga. Los pasajes del aire y de los gases
productos de combustin tienen lugar por distintos sectores del GV.
en los que en cada uno de ellos ofrece una resistencia particular
flujo. Los conductos con sus curvas, bosques de tubos, son
elementos comunes en los GV. Tanto el aire como los quemados se
desplazan a velocidades cuyos regmenes estn dentro del tipo
turbulento. A modo de gua Babcock & Wilcox pag. 8-10
proporciona la siguiente tabla.
Rango de Velocidades Usuales en Conductos de Aire y Gases.
Conductos para aire del Tiro Forzado 1500 - 3600 ft/min.
Entrada del Tiro Forzado a la Caja de Vientos 1500 - 2000
Conductos para gases del Tiro Inducido 2000 - 3500
Chimenea 2000 - 5000
Pasajes por tubos hervidores 3000 - 60
Aire y gases por Precalentador de Aire (tubos) 1000 - 5000
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La viscosidad absoluta del aire y de los productos de combustin
(flue gases) es proporcionada por B&W en la Tabla 4 Al respecto
cabe considerar que estos valores de los quemados es un valor medio
aproximado, por cuanto en rigor la naturaleza de los mismos depende
del tipo de combustin empleado, del exceso de aire y humedad. Pero
con suficiente aproximacin es factible su empleo. El valor es
proporcionado para la viscosidad absoluta, para pasar a la
viscosidad relativa bastar dividir su valor por el peso esp. del
fluido.
En cuanto al peso especfico, con suficiente aproximacin puede
tomarse el del aire a la misma temperatura. Caso contrario
resolverlo en funcin de su composicin molar.
La tabla 5 corresponde a B&W. pag. 8-13 proporciona las
equivalencias entre distintas unidades de viscosidad.
Dentro del rgimen turbulento las prdidas de carga son
proporcionales al cuadrado de la velocidad y a su densidad.
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Sistema de gases Parte I.
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3.7.1 Prdidas de carga dentro de Conductos.
La prdida de carga resulta:
p = f L (G.10 -5 ) 2 V (21)
p ; prdida de carga (psi.) F ; factor de friccin tomado del
Diagr.Moody
L ; longitud del conducto incluido curvas, etc.) ft.
De ; dimetro equivalente del conducto . in.
G ; gasto msico 1b/sq .ft.hr
V ; volumen especfico del gas.cu.ft/1b.
Cuando el conducto no es circular, sino rectangular o cuadrado,
debe determinarse el dimetro especfico equivalente De.
De = 4 Seccin transversal conducto (22)
Permetro del conducto
Para poder determinar el factor de friccin f. es necesario
determinar previamente la rugosidad relativa del interior del
conducto E/Di. Para ello se emplea la fig. 26 tomada de B&W. En
abscisas corresponde Nre .
- Calcular el Nre
Nre = G De/ 12 .Viscosidad (23)
G ; gasto msico 1b / sq.ft.hr
De ; dimetro equivalente in.
Viscosidad ; viscosidad absoluta 1b / ft.hr
La Fig.26 corresponde al diagrama de Moody tomado de B&W
pag. 8-10.
3.7.2 Prdida de carga en codos y curvas.
B&W propone para el clculo de la prdida la siguiente
expresin:
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p = N V (G.10 -5) 2 / 12 (24) donde:
p ; 1b / sq.in prdida de carga. N ; altura de velocidad, tomada
de las Fig.27 - 27.1 a-b
G ; gasto msico 1b /sq.ft.hr
V ; volumen especfico cu.ft./1b.
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Sistema de gases Parte I.
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Dado el complejo carcter del flujo que tiene lugar en las curvas
y codos, el clculo por el mtodo analtico resulta dificultoso y de
poco xito. Es por ello que los constructores lo resuelven
empricamente. La prdida de carga como se ver de las grficas,
depende de la geometra del ducto y del radio de curvatura.
La Fig. 27. corresponde a curvas cuya geometra variable es
contemplada por las relaciones b/d (alto ancho) y el radio exterior
ro = ri + d (radio interior + ancho) . Asimismo considera que,
cuando el radio de curvatura interior sea igual a cero (en
escuadra) la relacin de radios Curve ratio, debe considerarse igual
a cero.
La Fig. 27.1 corresponde a curvas con el radio de curvatura
externo, a escuadra.
Prdida de carga para flujo Transversal a un Haz Tubular.
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Sistema de gases Parte I.
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La prdida de carga para flujo transversal a un haz tubular
resulta determinada por la expresin de JAKOB + GRIMISON:
(Automatic. Refrigeration.Andersen. pag. 453).
p = f n C2 densidad. (25) 2g
p ; prdida de carga N/m2 (tubos alineados). n ; nmero de tubos
paralelo a la direccin del flujo.
C ; velocidad del fluido medida en el estrechamiento m/s
g ; aceleracin gravitatoria m / s2
; densidad Kg / m3
f ; factor de friccin de acuerdo a JAKOB y GRIMISON.
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f = 0,176 + 0,32 XL Nre 0,15 (26)
(XT - 1) m
XT = b/De (paso transversal)
XL = a/De (paso longitudinal)
NRe = C De / viscosidad cinemtica (27)
De = dimetro exterior del tubo.
m = 0,43 + (1,13 XL) (28)
Para el caso de tubos alternados (tresbolillo)
f = 0,92 + 0,44 XL 1,08 Nre 0,15
(XT - 1)
Estas ecuaciones son vlidas para 2000 menor Nre menor 40000
1,5 menor XT menor 4
Nota: relacionado con las prdidas de carga en curvas, se hace
notar que cuando la relacin entre b/d (aspect ratio) es mayor que
2, se debe tomar 2. Asimismo cuando la relacin es menor que 0,5, se
debe tomar 0,5
Para las prdidas de carga de flujo transversal a un haz tubular,
el denominador de la ltima expresin de la prdida de carga es (XT -
1)1,08
Para valores de XT y Nre fuera de los rangos establecidos, las
prdidas de carga que se tendrn, sern excesivamente altas.