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Estudio terico y experimental de latransferencia de calor en un horno de

secado por radiacin infrarroja

Tolo

1 Resumen

En este proyecto se realiz un estudio terico y experimental de

los procesos de transferencia de calor en un horno a gas natural

con quemadores auto-recuperativos desarrollado por el grupo de

Ciencia y Tecnologa del Gas y Uso Racional de la Energa -

GASURE en el proyecto: Desarrollo, evaluacin y demostracin

de un sistema de combustin y calentamiento por radiacin

infrarroja y recuperacin de calor para procesos de baja

temperatura, el prototipo en general cuenta con dos quemadores

auto-recuperativos y dos tubos radiantes de carburo de silicio, loscuales emiten la energa hacia el reflector y la carga.

El trabajo se centr principalmente en la medicin y el clculo de

la transferencia de calor por radiacin hacia la carga. Para

determinar experimentalmente el flux de calor por radiacin se

abord el mtodo simplificado del factor de forma, en el cual se

necesita principalmente un conjunto radimetro-restrictor con el

que se hace un barrido a lo largo de toda la superficie de control,

mientras que para determinar tericamente la energa por

radiacin a la carga, se aplica el mtodo de la radiosidad, el cual

requiere como parmetro de entrada la temperatura de cada

superficie y para el caso de los tubos las temperaturas se obtienen

mediante una termografa. Todo esto para determinar la

eficiencia de radiacin y la eficiencia global del proceso.

Palabras clave: Transferencia de calor, radiacin, auto-recuperativo,tubos radiantes, termografa, radiosidad, radimetro, eficiencia

Aporte al conocimiento Se ha realizado un riguroso

tratamiento terico y experimental con lo cual se ha logrado

coherencia y calidad en la ejecucin del proyecto y la obtencin

de resultados importantes y con gran potencial de impacto, ya

que en los sistemas de combustin y calentamiento se pueden

presentar perfiles de radiacin no uniformes debido a problemas

de distribucin de la fuente de energa. Con la metodologa

utilizada es posible identificar como son estos flujos de energa y

as optimizar la transferencia de calor y mejorar la uniformidad

en el calentamiento.

Aporte al sector energticoEn el prototipo evaluado se alcanz

una reduccin del consumo especfico de energa, esto significa

que para la misma cantidad de producto el equipo va a demandar

menos energa y adems la metodologa utilizada servira de

herramienta para para la optimizacin y diseo de hornos

elctricos o a gas que utilicen la radiacin como mecanismo

principal de calentamiento.

Potencial de Innovacin Las metodologas de medicin de la

radiacin trmica son complejas y requieren de montajes

experimentales robustos, mientras que con la metodologa

utilizada se simplifica la medicin de la radiacin emitida por

superficies en hornos con potencial de uso industrial y adems el

factor de correccin propuesto hace que sea sencilla la medicin

en sitio de geometras no circulares.

Potencial de AplicacinA partir de la caracterizacin trmica

y radiante del horno prototipo, se encontraron potenciales de

mejora en eficiencia y reduccin del tamao en futuros

desarrollos para este tipo de sistemas de calentamiento. Elprototipo evaluado puede ser utilizado para curado, secado,

deshidratacin de frutas, tratamientos trmicos a bajas

temperaturas y horneado.

Valor social y/o ambiental del trabajo Con la reduccin del

consumo especfico se deducen tambin las emisiones de gases

contaminantes. Por otro lado se ha formado recurso humano en

el tema de combustin y transferencia de calor lo que contribuye

al aumento de masa crtica para el desarrollo de estos temas en el

pas.

Mencin de reconocimientos acadmicos El Trabajo de Gradoobtuvo el segundo puesto en el Premio a la Investigacin Universidadde Antioquia en la categora estudiantes, en el rea de Ingeniera y

Tecnologas mediante Resolucin Acadmica 2008 del 25 deseptiembre de 2014.

Lnea de investigacin Este trabajo contribuye a la lnea dedesarrollo de equipos de combustin y calentamiento de altaeficiencia de grupo de Ciencia y Tecnologa del Gas y Uso Racionalde la EnergaGASURE de la Universidad de Antioquia, con el cualse desarroll el proyecto.

Mencin de publicacionesProducto del trabajo desarrollado y conlos resultados obtenidos se realiz una publicacin en la revista

Applied Thermal Engineering, con el ttulo Theoretical,experimental and numerical study of infrared radiation heat transferin a drying furnace, volumen 90, paginas 395-402. Ao 2015

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Introduccin

La energa es un factor de produccin determinante en los procesosindustriales, ya que afecta de manera significativa en la competitividadde las empresas, en tanto tiene incidencia sobre los costos de

produccin, productividad de los procesos, calidad de los productos,salud ocupacional de los trabajadores y disminucin de emisionescontaminantes [1].

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En Colombia muchos procesos industriales de baja temperatura comoel secado, el curado de pinturas y recubrimientos, la evaporacin desolventes orgnicos, la esterilizacin entre otros, se realizan contecnologas convencionales con baja eficiencia energtica, singarantizar calentamiento rpido, uniforme y con bajas emisionescontaminantes [2].

Una alternativa es la utilizacin del calentamiento infrarrojo utilizandocomo energtico el gas natural mediante un proceso de combustin,

para obtener alta eficiencia energtica, rapidez, uniformidad en elcalentamiento y bajas emisiones de monxido de carbono, xidos denitrgeno y material particulado [1].

En este trabajo se muestran los resultados de un estudio terico yexperimental de la transferencia de calor por radiacin en un horno agas natural con quemadores auto-recuperativos desarrollado por elgrupo GASURE en el proyecto: Desarrollo, evaluacin ydemostracin de un sistema de combustin y calentamiento porradiacin infrarroja y recuperacin de calor para procesos de bajatemperatura, con el fin de obtener un algoritmo de clculo que

permita determinar la cantidad de energa transferida a la carga porradiacin y la eficiencia de radiacin.

3 La radiacin

La radiacin es la energa emitida por la materia en forma de ondaselectromagnticas (o fotones) como resultado de cambios en lasconfiguraciones electrnicas de los tomos. Toda sustancia atemperatura mayor a cero Kelvin emite radiacin. A diferencia de latransferencia de calor por conduccin y conveccin, la radiacin norequiere de un medio fsico para transferirse, por lo que se puede

presentar en el vaco. [3,4]. En la mayora de las aplicaciones, elcalentamiento por radiacin ofrece numerosas ventajas sobre elcalentamiento por conveccin entre ellos mayor tasa de transferenciade calor y mayor eficiencia [5]

3.1 Medicin de la radiacin

La cantidad de radiacin incidente sobre un radimetro depende de la

forma de la superficie del radimetro, su orientacin con respecto a lasfuentes de radiacin, la distancia entre las fuentes y el radimetro, yotros factores como el factor de forma [7]. Existen diferentes mtodos

para la medicin de la radiacin como lo son: el mtodo del flux deenerga, el mtodo Alemn, el mtodo de la radiosidad y el mtodosimplificado del factor de forma [8,9]. Este ltimo es que se utiliz eneste trabajo en el cul conocida la lectura del instrumento y la

proyeccin del rea sobre la superficie medida, es posible encontrar laenerga hemisfrica que emite sta; siempre y cuando la superficie encuestin sea altamente difusa, y el detector se encuentre posicionadode la manera ms precisa posible viendo en verdadera longitud dichasuperficie, es decir en un ngulo paralelo igual a cero. Dicho clculo seexpresa en la siguiente ecuacin [9]:

Entendindose que es la mitad del ngulo de vista del conjunto

radimetro-restrictor como se muestra en la Figura 1, el cual para elrestrictor de que se dispone es aproximadamente 14. Debido a que elcampo de vista que se genera con este instrumento es un cono, la

proyeccin de este sobre la superficie de control medida es un circulode radio , es por esto entones que el rea sobre la superficie de

control vista por el radimetro ( ) es [9].

Figura 1. Restrictor de vista y ngulo de visin [9].

4 Estudio de la transferencia de calor por radiacin en el

horno

El equipo utilizado para las pruebas es un prototipo desarrollado en elproyecto: Desarrollo, evaluacin y demostracin de un sistema decombustin y calentamiento por radiacin infrarroja y recuperacin decalor para procesos de baja temperatura, el cual consta principalmentede dos quemadores con recuperacin de calor, que pueden funcionar

tanto en modo recuperativo como regenerativo, en el que los cambiosms significativos se dan en el arreglo de los tubos radiantes, como semuestra en laFigura 2.

Figura 2. Izquierda: Tubos radiantes modo recuperativo. Derecha:

Tubos radiantes modo regenerativo [1].4.1 Equipos utilizados para las pruebas

Los principales equipos utilizados para llevar a cabo laexperimentacin son:

Radimetro con sistema de refrigeracin por lquido modeloSBG01/5 marca Hukseflux, el cual tiene como lmitemximo de lectura 5 kW/m2, y viene acompaado de unindicador transductor modelo LI19 el cual tiene para eserango de mediciones una sensibilidad de hasta 0,001 mV.

Cmara termogrfica marca Testo modelo 885 acompaada

del software IRSoft para el procesamiento de las imgenes

Para las lecturas de los flujos de gas y aire se utilizaron

respectivamente un medidor OMEGA fma5400 y SIERRA620s en ambos medidores la tcnica es por dispersintrmica.

Para verificar condiciones de combustin se hace uso de unanalizador de gases tipo SICK MAIHAK S700, el cual operacon el principio de infrarrojo no dispersivo para las lecturasde CH4 (%), CO2 (%) y CO (ppm) y el paramagntico paraO2 (%).

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4.1.1 Balance de energa mediante el mtodo de las

radiosidades

Para todas las superficies en el sistema mostrado en la Figura 5, elintercambio de calor por radiacin se determina mediante la siguienteecuacin, ya que para la solucin por este mtodo se tomarn lastemperaturas superficiales como parmetros de entrada en las cuatrosuperficies:

Despejando para las cuatro superficies

La emisividad del carburo de silicio se fija en 0,7 [10,11] y para lacarga que es tela hmeda, se fija un emisividad de 0.9 [12]. Laemisividad del reflector es 0,17 tomado de las tablas para el aceroinoxidable pulido [3,13]. Conocidas las emisividades de los materialesde cada superficie, determinando los factores de forma entre cadasuperficie, con ayuda del catlogo realizado por Siegel y Howell [7] yentregando la temperatura de los tubos para cada potencia (27, 41 y55 kW), se tiene un sistema de ecuaciones de 4x4 para determinartericamente la energa radiada a la carga, o superficie 4.

En el trascurso de la prueba, mientras se est midiendo el flux de calorpor radiacin que est pasando por la superficie de control, se realiza

una termografa, de la cual se obtiene el perfil de temperaturasuperficial de emisor. En la Figura 3 (a) se muestra una de las

termografas tomadas.

En laFigura 3 (b) se muestra que los reflejos de los tubos se ven en lasuperficie del reflector, es por esto que en la termografa se aprecia

como su hubiesen ms de dos tubos, en el momento se procesar losdatos se debe ser cuidadoso ya que se podra tomar el perfil de

temperatura equivocado.

a

b Figura 3. (a) Termografa en los tubos para una potencia de 55 kW. (b)

Vista superior del horno.

De la imagen termogrfica tomada, mediante el software IRSOFT se

procesa y se determina el perfil de temperatura, este perfil es exportadoal software Matlab y se calcula el calor por radiacin mediante el

mtodo de radiosidades. En laFigura 4 se muestra la grfica del perfilde temperatura de los tubos.

Figura 4. Perfil de temperatura de los tubos a una potencia de 55 kW

4.1.2 Clculo de la eficiencia de radiacin y la eficiencia global

La eficiencia de radiacin ( ) est definida como la relacin entre la

potencia radiada ( ) y la potencia de entrada ( ) [15,16]. Para este

caso la potencia radiada ( ) es la suma del calor por radiacin en los

dos tubos. En el balance de energa esta se determina directamente conel calor por radiacin en cada tubo, en la medicin experimental estese determina comparando la fraccin de la radiacin que va a la cargacon la que es absorbida por el reflector tericamente. Los valores

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tpicos para la eficiencia de radiacin en equipos que operan concombustibles gaseosos se reportan entre el 35 y 55% [17,18]:

4.2 Mediciones experimentales para determinar el calor por

radiacin

Para la medicin del flux de calor por radiacin que pasa por lasuperficie de control, la cual se representa como la carga, se procedera aplicar el mtodo simplificado del factor de forma explicadoanteriormente, tomando crculos de 40 cm de dimetro comosuperficies de control, como se muestra en laFigura 5[9].

Tubo 2

40 cm ->

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Figura 6. Energa por radiacin a la carga para diferentes potencias.

En laFigura 7 se presentan los resultados de la eficiencia de radiacin,en la que se observa que la eficiencia de radiacin permanece casiconstante con el incremento de la potencia. A bajas potencias se

presentan mayores diferencias entre la medicin experimental y laterica, esto se debe la sensibilidad del equipo de medicin puesto quea menores potencias el equipo no percibe la radiacin emitida en las

zonas ms fras en los tubos radiantes.

Figura 7. Eficiencia de radiacin para diferentes potencias.

4.4 Mediciones experimentales en secado de tela

El secado es una operacin esencial en las industrias qumica, textil,

agrcola, alimentos, polmeros, cermicas, pulpa y papel, y madera. Senecesita de secado en diversas materias primas para una o varias de las

siguientes razones: necesidad de fcil manejo de slidos que fluyenlibremente, conservacin y almacenamiento, la reduccin en el costo

de transporte, lograr la calidad deseada del producto, etc. En muchosprocesos, el secado inadecuado puede conducir a un dao irreversible

en la calidad del producto y por lo tanto un producto desperdiciado

[19]. En laFigura 8 se muestra el prototipo evaluado y enTabla 2 sepresentan los resultados del proceso de secado de tela en modo

recuperativo, estas pruebas fueron realizadas para el proyecto:

Desarrollo, evaluacin y demostracin de un sistema de combustin y

calentamiento por radiacin infrarroja y recuperacin de calor para

procesos de baja temperatura. En dicha tabla se observa que enpromedio la energa til para secado es de 12 kW.

Figura 8. Esquema del horno secando tela.

Tabla 2. Resultados pruebas secado de tela [1].Potencia de entrada (kW) 55 55 55Masa agua evaporada (kg) 27,65 27,6 23,6Tiempo operacin (h) 1,41 1,50 1,18Energa trmica total (kWh) 77,55 82,50 65,08Entalpa vaporizacin agua@57C (kJ/kg)

2222,80 2222,80 2222,80

Energa secado (kWh) 17,07 17,04 14,57

Energa secado (kW) 12,11 11,36 12,35Consumo especfico secado(kWhgas/kg_agua)

2,80 2,99 2,76

En elHandbook Industrial Drying [19], se expone que para el secadode textiles utilizando secado infrarrojo los requerimientos de energason de 9.300 kJ/kg agua, es decir, 2,58 kWh por cada kilogramo deagua evaporada [1,19]. Comparando este valor de consumo especficocon el sistema de secado por radiacin infrarroja y recuperacin decalor en modo recuperativo se encuentra que se est por encima un 7%en el consumo especfico de energa. Mientras que el mismo equipooperando en modo regenerativo y haciendo modificaciones en ladistancia entre la tela y los tubos se alcanzaron consumos especficosde 2,03 kWh por cada kilogramo de agua evaporada, lo querepresentan disminuciones de hasta el 21% en el consumo especficode secado.

5 Conclusiones

Se logr desarrollar un cdigo que permite determinar la transferenciade calor entre las superficies del sistema teniendo como parmetro deentrada los resultados obtenidos mediante una termografa.

En cuanto a la medicin del flux de calor se pudo probar que con elmtodo del factor de forma simplificado se pueden reducirnotablemente los tiempos de experimentacin sin verse afectado elresultado del calor por radiacin a la carga.

En general tanto terica como experimentalmente se encontr que la

eficiencia de radiacin permanece casi constante para todos los nivelesde potencia, siendo tericamente de 45% y estimada en 40%experimentalmente, adems la fraccin de energa radiada por lostubos que llega a la carga que es en promedio el 83,4%, de ah laimportancia del reflector para direccionar la energa hacia la carga.

Las diferencias entre las mediciones experimentales y los resultadosobtenidos por el mtodo de radiosidades se deben a que en la solucinterica no se tiene en cuenta la participacin de las paredes lateralesdel horno.

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6 Referencias bibliogrficas

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