Un horno industrial , también conocido como calentador directo o calentador de fuego directo , es un dispositivo utilizado para proporcionar calor para un proceso industrial, típicamente superior a 400 grados Celsius. [1] Se utilizan para proporcionar calor para un proceso o pueden servir como reactor que proporciona calores de reacción. Los diseños de hornos varían en cuanto a su función, tarea de calentamiento, tipo de combustible y método de introducción de aire de combustión. Un horno industrial genera calor al mezclar combustible con aire u oxígeno, o a partir de energía eléctrica . El calor residual saldrá del horno como gas de combustión . [1] Estos están diseñados según códigos y estándares internacionales, los más comunes de los cuales son ISO 13705 (Industrias del petróleo y el gas natural: calentadores de fuego para servicio general de refinería) / Estándar 560 del Instituto Americano del Petróleo (API) (Calentador de fuego para servicio general de refinería). Los tipos de hornos industriales incluyen hornos discontinuos , hornos metalúrgicos , hornos de vacío y hornos solares . Los hornos industriales se utilizan en aplicaciones tales como reacciones químicas , cremación , refinación de petróleo y cristalería .
El combustible fluye hacia el quemador y se quema con el aire que proporciona un soplador de aire. Puede haber más de un quemador en un horno en particular, que se pueden organizar en celdas que calientan un conjunto particular de tubos. Los quemadores también pueden montarse en el suelo, en la pared o en el techo, según el diseño. Las llamas calientan los tubos, que a su vez calientan el fluido en el interior de la primera parte del horno, conocida como sección radiante o caja de fuego . En esta cámara donde tiene lugar la combustión, el calor se transfiere principalmente por radiación a los tubos que rodean el fuego en la cámara.
El fluido que se va a calentar pasa a través de los tubos y, por lo tanto, se calienta hasta la temperatura deseada. Los gases de la combustión se conocen como gases de combustión . Después de que el gas de combustión sale de la cámara de combustión, la mayoría de los diseños de hornos incluyen una sección de convección donde se recupera más calor antes de ventilarlo a la atmósfera a través de la chimenea de gases de combustión . (HTF = Fluido de transferencia de calor. Las industrias también utilizan sus hornos para calentar un fluido secundario con aditivos especiales como antioxidantes y alta eficiencia de transferencia de calor. Luego, este fluido calentado circula por toda la planta hasta los intercambiadores de calor para usarlo donde sea necesario el calor en lugar de calentar directamente la línea de producto, ya que el producto o el material pueden ser volátiles o propensos a agrietarse a la temperatura del horno).
La sección radiante es donde los tubos reciben casi todo su calor por radiación de la llama. En un horno vertical y cilíndrico, los tubos son verticales. Los tubos pueden ser verticales u horizontales, colocados a lo largo de la pared refractaria , en el medio, etc., o dispuestos en celdas. Se utilizan pernos para mantener el aislamiento unido y en la pared del horno. Están colocados a aproximadamente 1 pie (300 mm) de distancia en esta imagen del interior de un horno.
Los tubos que se muestran a continuación, que son de color marrón rojizo debido a la corrosión , son tubos de acero al carbono y recorren la altura de la sección radiante. Los tubos están a cierta distancia del aislamiento para que la radiación pueda reflejarse en la parte posterior de los tubos y mantener una temperatura uniforme en las paredes de los tubos. Las guías de los tubos en la parte superior, media e inferior mantienen los tubos en su lugar.
La sección de convección está situada encima de la sección radiante, donde hace más frío para recuperar calor adicional. La transferencia de calor se produce aquí por convección y los tubos tienen aletas para aumentar la transferencia de calor. Las primeras tres filas de tubos en la parte inferior de la sección de convección y en la parte superior de la sección radiante son una zona de tubos desnudos (sin aletas) y se conocen como la sección de protección ("tubos de choque"), llamada así porque todavía están expuestos a mucha radiación de la caja de fuego y también actúan para proteger los tubos de la sección de convección, que normalmente son de un material menos resistente de las altas temperaturas en la caja de fuego.
El área de la sección radiante justo antes de que el gas de combustión ingrese a la sección de protección y a la sección de convección, llamada zona de puente. Un cruce es el tubo que conecta la salida de la sección de convección con la entrada de la sección radiante. La tubería de cruce normalmente se ubica en el exterior para que se pueda monitorear la temperatura y calcular la eficiencia de la sección de convección. La mirilla en la parte superior permite al personal ver la forma y el patrón de la llama desde arriba e inspeccionar visualmente si se produce un impacto de llama. El impacto de llama ocurre cuando la llama toca los tubos y causa pequeños puntos aislados de temperatura muy alta.
Se trata de una serie de tubos de tipo horquilla horizontal/vertical conectados en los extremos (con curvas de 180°) o de construcción helicoidal. El serpentín radiante absorbe el calor a través de la radiación. Pueden ser de un solo paso o de múltiples pasos según la caída de presión permitida en el lado del proceso. Los serpentines radiantes y las curvas están alojados en la caja radiante. Los materiales de los serpentines radiantes varían desde acero al carbono para servicios de baja temperatura hasta aceros de alta aleación para servicios de alta temperatura. Estos se sostienen desde las paredes laterales radiantes o cuelgan del techo radiante. El material de estos soportes es generalmente acero de alta aleación. Al diseñar el serpentín radiante, se tiene cuidado de mantener la previsión para la expansión (en condiciones de calor).
El quemador del horno cilíndrico vertical, como el de arriba, está ubicado en el piso y enciende hacia arriba. Algunos hornos tienen quemadores de encendido lateral, como los de las locomotoras de tren . La placa del quemador está hecha de material refractario de alta temperatura y es donde se contiene la llama. Los registros de aire ubicados debajo del quemador y en la salida del soplador de aire son dispositivos con aletas o paletas móviles que controlan la forma y el patrón de la llama, ya sea que se extienda o incluso se arremoline. Las llamas no deben extenderse demasiado, ya que esto provocará un impacto de llama. Los registros de aire se pueden clasificar como primarios, secundarios y, si corresponde, terciarios, según cuándo se introduzca el aire.
El registro de aire primario suministra aire primario, que es el primero que se introduce en el quemador. Se añade aire secundario para complementar el aire primario. Los quemadores pueden incluir un premezclador para mezclar el aire y el combustible para una mejor combustión antes de introducirlos en el quemador. Algunos quemadores incluso utilizan vapor como premezcla para precalentar el aire y crear una mejor mezcla del combustible y el aire caliente. El suelo del horno está hecho principalmente de un material diferente al de la pared, normalmente refractario duro moldeable para permitir que los técnicos caminen sobre él durante el mantenimiento.
Un horno se puede encender con una pequeña llama piloto o, en algunos modelos más antiguos, con la mano. La mayoría de las llamas piloto actuales se encienden con un transformador de encendido (muy parecido a las bujías de un automóvil). La llama piloto, a su vez, enciende la llama principal. La llama piloto utiliza gas natural, mientras que la llama principal puede utilizar tanto diésel como gas natural. Cuando se utilizan combustibles líquidos, se utiliza un atomizador; de lo contrario, el combustible líquido simplemente se derramará sobre el piso del horno y se convertirá en un peligro. El uso de una llama piloto para encender el horno aumenta la seguridad y la facilidad en comparación con el uso de un método de encendido manual (como una cerilla).
Los sopladores de hollín se encuentran en la sección de convección. Como esta sección está por encima de la sección radiante y el movimiento del aire es más lento debido a las aletas, el hollín tiende a acumularse aquí. La limpieza con soplador de hollín se realiza normalmente cuando la eficiencia de la sección de convección disminuye. Esto se puede calcular observando el cambio de temperatura de la tubería de cruce y en la salida de la sección de convección.
Los sopladores de hollín utilizan medios fluidos como agua, aire o vapor para eliminar los depósitos de los tubos. Esto se hace normalmente durante el mantenimiento con el soplador de aire encendido. Existen varios tipos diferentes de sopladores de hollín. Los sopladores de pared del tipo rotatorio se montan en las paredes del horno que sobresalen entre los tubos de convección. Las lanzas están conectadas a una fuente de vapor con orificios perforados a intervalos a lo largo de su longitud. Cuando está encendida, gira y expulsa el hollín de los tubos y a través de la chimenea.
La chimenea de gases de combustión es una estructura cilíndrica situada en la parte superior de todas las cámaras de transferencia de calor. El conducto de ventilación situado justo debajo recoge los gases de combustión y los eleva a la atmósfera, donde no ponen en peligro al personal.
La compuerta de chimenea que se encuentra dentro del horno funciona como una válvula de mariposa y regula el tiro (diferencia de presión entre la entrada y la salida de aire) en el horno, que es lo que hace que los gases de combustión pasen por la sección de convección. La compuerta de chimenea también regula el calor que se pierde a través de la chimenea. A medida que la compuerta se cierra, la cantidad de calor que escapa del horno a través de la chimenea disminuye, pero la presión o el tiro en el horno aumenta, lo que plantea riesgos para quienes trabajan cerca de él. Si hay fugas de aire en el horno, las llamas pueden escaparse de la cámara de combustión o incluso explotar si la presión es demasiado alta.
El aislamiento es una parte importante del horno porque mejora la eficiencia al minimizar el escape de calor de la cámara calentada. Los materiales refractarios como el ladrillo refractario , los refractarios moldeables y la fibra cerámica se utilizan para el aislamiento. El piso del horno normalmente es de refractarios de tipo moldeable, mientras que los de las paredes están clavados o pegados en su lugar. La fibra cerámica se usa comúnmente para el techo y la pared del horno y se clasifica por su densidad y luego por su clasificación de temperatura máxima. Por ejemplo, 8# 2300 °F significa una densidad de 8 lb/ft 3 con una clasificación de temperatura máxima de 2300 °F. La clasificación de temperatura de servicio real para la fibra cerámica es un poco más baja que la temperatura nominal máxima. (es decir, 2300 °F solo es bueno hasta 2145 °F antes de la contracción lineal permanente).
Los pilares de hormigón son la base sobre la que se monta el calentador. Pueden ser cuatro para calentadores más pequeños y hasta 24 para calentadores de gran tamaño. El diseño de los pilares y toda la base se realiza en función de la capacidad de carga del suelo y las condiciones sísmicas predominantes en el área. Los pernos de cimentación se colocan en la base después de la instalación del calentador.
El cuerpo del calentador está provisto de puertas de acceso en varios lugares. Las puertas de acceso solo se deben utilizar durante el apagado del calentador. El tamaño normal de la puerta de acceso es de 600 x 400 mm, lo que es suficiente para el movimiento de personas/materiales dentro y fuera del calentador. Durante el funcionamiento, las puertas de acceso están correctamente atornilladas utilizando juntas a prueba de fugas para altas temperaturas.
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