Modelación de la transferencia de calor radiativa, en un horno de refino a fuego de cobre

[Resumen del autor]

El presente informe como principal objetivo desarrolla un modelo de transferencia de calor, (en estado estacionario) en un hamo cilíndrico de refino a fuego de cobre, calentado por una llama de petróleo (Fuel Oil N°6). Como modelo radiativo se utiliza el método propuesto por Siegel y Howell de intercambio radiativo neto en un recinto cerrado compuesto por superficies grises difusas, en presencia de un medio absorbente, transmisor y emisor, a una temperatura promedio (gases producto de la combustión). La resolución del sistema radiativo al interior del hamo contempla la discretización de las paredes interiores del horno en 384 superficies planas (incluyendo una subdivisión en la superficie del baño de cobre líquido). La llama es considerada como un sólido no transparente, con una forma obtenida de la teoría de chorro libre difusivo turbulento. Su forma es aproximada por 6 superficies radiantes grises y difusas en forma de troncos de cono, cada una con distinta emisividad y temperatura. Por ser de poca importancia en el intercambio de calor total, no se realiza un estudio de los fenómenos convectivos que ocurren en el interior del horno, resumiéndose su consideración sólo a la pérdida de calor de las paredes exteriores del horno hacia el ambiente, a un coeficiente de convección constante. El flujo de calor por las paredes horno y el baño de cobre líquido es modelado como un sistema conductivo tridimensional, discretizado en 6468 nadas y resuelto por el método de diferencias finitas. Los nadas exteriores entregan calor por radiación y convección al ambiente. Para el tratamiento de las propiedades radiativas de los gases productos de la combustión al interior del horno, son comparados métodos de distinto nivel de aproximación: Gas Transparente, Gas gris y Gas no gris. En los casos de Gas gris y Gas no gris, las propiedades radiativas de los gases se calculan primero con el largo medio del horno, y luego, con el largo medio geométrico. Se concluye que dada una detallada discretización del interior del horno y un correcto cálculo de los factores de forma, es innecesario el cálculo de los largos geométricos medios, y las consideraciones no grises en los gases. Como resultados se muestran las distribuciones de temperaturas y los flujos de calor dentro del horno, en distintas capas y cortes. Estos resultados muestran niveles de temperaturas y flujos de calor, en el baño de cobre y paredes exteriores, muy cercanos a los valores esperables, según datos de investigaciones en 'hornos de similares características. Con respecto al desempeño del horno de refino a fuego de cobre, el modelo entrega como resultado que el sistema (en estado estacionario) posee eficiencias cercanas al 14% (calor ingresado al cobre) al quemar una llama de petróleo de 100 GPH y, principalmente, el modelo detalla que a medida que mayor potencia es ingresada, el sistema horno es capaz de entregar a la carga cada vez menos calor, disminuyendo la eficiencia del proceso.

Incluye apéndices

Tesis (Ing. Civil Mecánico) - - Prof. guía : Alejandro Sáez Carreño; prof. corref : Carlos Eduardo Rosales Huerta

h. 65-66

2