HORNOS DE COMBUSTIÓN

HORNOS DE COMBUSTIÓN

Generalidades

Un horno se define como un equipo donde se genera calor, el cual se obtiene de la reacción de combustión, generalmente de combustibles líquidos o gaseosos con el oxígeno. En el horno los gases de combustión ocupan la mayor parte del volumen del horno. Los hornos poseen una o varias cámaras formadas por una serie de tuberías o serpentines por cuyo interior circula el fluido que se desea calentar con el calor que se genera en la combustión.

A los hornos también se les denomina calentadores. Sin embargo, la palabra calentadores también se emplea para denominar a los intercambiadores de calor. La diferencia básica de un horno con los intercambiadores de calor es que el horno posee equipos de fuego en su interior y los intercambiadores de calor no los poseen.

Secciones del horno: El horno consta de dos secciones principales:

Sección de radiación:  En esta sección la energía viaja en forma de ondas radiantes desde los quemadores hasta los tubos por donde fluye el fluido a calentar. En esta sección es donde se transfiere la mayor cantidad de calor. La mayoría de los hornos son diseñados para transferir 70 % del calor total por radiación y 30 % por convección.

El ajuste correcto de aire en exceso al horno y la condición de los tubos del horno son factores en la obtención de eficiencia alta del horno en la sección de radiación. El ajuste correcto del aire en exceso hace posible la obtención de la temperatura más alta posible de la llama y la no formación de incrustaciones y depósitos en los tubos.

Sección de Convección: El traspaso de calor por convección ocurre cuando los gases calientes de combustión dan su calor a los gases fríos que están alrededor de las paredes de los tubos en el horno. En la sección de convección de los hornos se aprovecha la energía de los gases calientes que van ascendiendo por que se van enfriando para precalentar la carga antes que llegue a la sección de radiación.

La cantidad de energía transferida por convección depende de los siguientes factores:

• La diferencia de temperatura entre los gases calientes y las capas de gases estancados alrededor de los tubos. Cuanta más diferencia exista, se transmite más energía.
• La velocidad de los gases. Cuanta más alta es la velocidad, más transferencia ocurre.

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Mecanismo de transferencia de calor por conducción en los hornos: La transferencia de calor a través de la pared metálica del tubo hacia la sustancia que fluye por su interior es por el mecanismo de conducción.  El calor fluye desde la pared externa del tubo, a través del metal, hacia la pared interna. En la pared interna el líquido hace contacto con la superficie caliente y se calienta y en el fluido la transferencia de calor  se da por el paso de energía de moléculas en moléculas.

Componentes del Horno:

Cobertura y marco estructural: Normalmente la pared externa del horno es construida con láminas de acero. La estructura metálica provee las facilidades para el manejo de la carga lo cual permite la expansión lateral y vertical de todas las partes del horno. La estructura también soporta los serpentines de forma independiente a los refractarios.

Refractarios: La cobertura metálica está recubierta internamente con materiales aislantes, las cuales previenen el sobrecalentamiento del metal y permiten mantener la cámara de combustión a altas temperaturas. Además el aislamiento interno previene las pérdidas de calor y funciona como una barrera para prevenir la corrosión del metal de la cobertura.

Los tipos de aislantes que se pueden usar en los hornos se clasifican en tres grandes grupos:

.-  Ladrillos refractarios aislantes. Estos ladrillos se fabrican mediante la combustión de aserrín, coque y arcillas refractarias con un alto porcentaje de alúmina. Las temperaturas de trabajo a las cuales se pueden soportar estos ladrillos están en el rango entre 1600 y 2800 ºF.

.- Refractarios aplicados mediante el método del vaciado: En aquellos hornos que se                          ensamblan en forma modular, el uso de ladrillos es limitado. Este método consiste en utilizar una mezcla de lumina- haydita vermiculita (LHV). Esta mezcla es de bajo costo y de un coeficiente de expansión alto y se aplica mediante un rociado con pistola neumática.

.- Fibras cerámicas usadas como aislante térmico. Actualmente son las que mas se usan. Estos forros consisten en varias capas: la capa del lado caliente a base de fibra de cerámica y varias capas de material de apoyo o soporte. La principal ventaja de usar fibras cerámicas como aislantes está en que su peso es relativamente liviano. Por lo tanto se requiere menos acero para soportar estas fibras. Otra de las ventajas es la rapidez con la que se puede utilizar, es decir no requieren periodos de cura ni de secado. No obstante, la fibra de cerámica posee una porosidad mayor que la de los otros aislantes. Por esta razón con el fin de prevenir corrosión del acero es deseable proveer la fibra con revestimiento interno. Esto evita el pase de gases a través del aislante.

Serpentines: Son los componentes de mayor importancia en la instalación de un horno y son los que mas influyen en el costo total del horno. Por lo general el serpentín está formado por una serie de tubos que están conectados en serie mediante curvaturas de retorno de 180 grados. Cuando los tubos se obstruyen se debe aplicar una metodología de limpieza, que consiste en hacer pasar por los tubos una mezcla de vapor de aire a alta velocidad. También se puede usar una corriente de gas a alta velocidad la cual impulsa una material abrasivo.

El tiempo de vida útil depende de las aplicaciones particulares de calentamiento. La obstrucción de los tubos hace que el horno pierda eficiencia, estas obstrucciones hacen que la temperatura en la pared del tubo sea mayor, lo que puede originar que los tubos fallen por tensión térmica. También es fundamental tomar en cuenta las variaciones críticas de las tensiones mecánicas y térmicas que se producen al inicio y al final de un ciclo de operación del horno, ya que estas tensiones iniciales y finales pueden ser de una magnitud superior a las tensiones operacionales estabilizadas.

Por otra parte el medio en el cual opera la tubería influye apreciablemente en la vida útil de los tubos debido a la oxidación o corrosión de la tubería. Por esta razón si se prevé un medio corrosivo severo se deben seleccionar tubos de alta resistencia a la oxidación y a la formación de escamas. Los materiales adecuados para la fabricación de los tubos en función de las temperaturas de trabajo son: Acero al carbono, aleaciones de Carbón Molibdeno, o Cromo Molibdeno , y Cromo Níquel  Molibdeno , en diferentes proporciones.

Quemadores:    Son dispositivos donde se mezcla el combustible y el aire y se produce la combustión. Existen quemadores para combustibles gaseosos y combustibles líquidos.

Los quemadores de Gas se fundamentan en la energía cinética disponible de la expansión de un gas combustible a través de un orificio se usa para inspirar y mezclarse con el aire de combustión antes de quemarse.

En los quemadores de Líquido, el líquido debe ser atomizado en gotas de tamaño micrométrico, lo que permite un incremento de la relación de superficie de masa la cual permite una vaporización y un calentamiento extremadamente rápido.

Chimeneas: son los dispositivos a través de la cual se descargan del horno los gases de combustión. Deben ser diseñadas para trabajar entre un 30 % y un 130 % del diseño. Cuando los gases se descargan a altas temperaturas  se deben prever revestimientos para evitar la corrosión. Mientras mas alta es la chimenea la presión de descarga es menor. Las temperaturas de las chimeneas están predeterminadas, por lo tanto niveles anormales fuera de las temperaturas de diseño deben ser investigados, Si el incremento es gradual significa que la transferencia de calor en la sección de convección está disminuyendo debido a incrustaciones externas en los tubos. Un aumento brusco pero pequeño puede ser debido a un incremento en el exceso de aire. Un incremento anormal elevado puede ocurrir  por  la combustión en la sección de convección de gases parcialmente quemados.

Llama: Si la llama es de un color blanco incandescente y las paredes del horno son claramente visibles a través de ella, es indicativo de un alto porcentaje de aire en exceso. A medida que el exceso se reduce el color de la llama se hace amarillo pálido, luego color naranja amarillento y más tarde rojo anaranjado. En general, con una instalación operando eficientemente y con un mínimo de aire en exceso, los extremos de la llama más alejados del quemador son de color naranja amarillento con un matiz dorado. La presencia de llamas largas y brumosas que chocan con los tubos es indicio de una combustión pobre.

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