An industrial furnace, also known as a direct heater or a direct fired heater, is a device used to provide heat for an industrial process, typically higher than 400 degrees Celsius.[1] They are used to provide heat for a process or can serve as reactor which provides heats of reaction. Furnace designs vary as to its function, heating duty, type of fuel and method of introducing combustion air. Heat is generated by an industrial furnace by mixing fuel with air or oxygen, or from electrical energy. The residual heat will exit the furnace as flue gas.[1] These are designed as per international codes and standards the most common of which are ISO 13705 (Petroleum and natural gas industries — Fired heaters for general refinery service) / American Petroleum Institute (API) Standard 560 (Fired Heater for General Refinery Service). Types of industrial furnaces include batch ovens, metallurgical furnaces, vacuum furnaces, and solar furnaces. Industrial furnaces are used in applications such as chemical reactions, cremation, oil refining, and glasswork.
Fuel flows into the burner and is burnt with air provided from an air blower. There can be more than one burner in a particular furnace which can be arranged in cells which heat a particular set of tubes. Burners can also be floor mounted, wall mounted or roof mounted depending on design. The flames heat up the tubes, which in turn heat the fluid inside in the first part of the furnace known as the radiant section or firebox. In this chamber where combustion takes place, the heat is transferred mainly by radiation to tubes around the fire in the chamber.
El fluido a calentar pasa a través de los tubos y así se calienta a la temperatura deseada. Los gases provenientes de la combustión se conocen como gases de combustión . Después de que los gases de combustión salen de la cámara de combustión, la mayoría de los diseños de hornos incluyen una sección de convección donde se recupera más calor antes de ventilar 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. Este fluido calentado luego circula por toda la planta hasta los intercambiadores de calor para usarse donde sea que se necesite calor. en lugar de calentar directamente la línea de productos, ya que el producto o material puede ser volátil o propenso 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 cilíndrico vertical, 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 montantes 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 corren a lo largo de la altura de la sección radiante. Los tubos están a una distancia del aislamiento para que la radiación pueda reflejarse hacia la parte posterior de los tubos para mantener una temperatura uniforme en la pared del tubo. Las guías de tubos en la parte superior, media e inferior mantienen los tubos en su lugar.
La sección de convección está ubicada encima de la sección radiante donde hace más frío para recuperar calor adicional. Aquí la transferencia de calor se realiza 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 un área de tubos desnudos (sin aletas) y se conocen como sección de escudo ("tubos de choque"), llamada así porque todavía están expuestos a mucha radiación del hogar y también actúan para proteger los tubos de la sección de convección, que normalmente son de un material menos resistente a las altas temperaturas en el hogar.
El área de la sección radiante justo antes de que los gases de combustión entren en la sección de protección y en la sección de convección llamada zona puente. Un cruce es el tubo que conecta desde la salida de la sección de convección a la entrada de la sección radiante. La tubería de cruce normalmente está ubicada en el exterior para poder controlar 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 está produciendo un impacto de la llama. El impacto de la llama ocurre cuando la llama toca los tubos y provoca 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. La bobina radiante absorbe calor a través de la radiación. Pueden ser de paso único o de paso múltiple dependiendo de la caída de presión permitida en el lado del proceso. Las bobinas radiantes y los codos se alojan en la caja radiante. Los materiales de las bobinas radiantes varían desde acero al carbono para servicios de baja temperatura hasta aceros de alta aleación para servicios de alta temperatura. Estos se apoyan en 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 provisión para la expansión (en condiciones de calor).
El quemador en el horno cilíndrico vertical como el anterior, está ubicado en el piso y dispara hacia arriba. Algunos hornos tienen quemadores laterales, como en las locomotoras de tren . La loseta del quemador está hecha de 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 provocaría que las llamas impactaran. Los registros de aire se pueden clasificar en primarios, secundarios y en su caso terciarios, según el momento de introducción de su aire.
El registro de aire primario suministra aire primario, que es el primero que se introduce en el quemador. Se agrega 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 introducirlo 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 piso del horno está hecho principalmente de un material diferente al de la pared, generalmente refractario duro moldeable para permitir a los técnicos caminar sobre el piso durante el mantenimiento.
Un horno se puede encender con una pequeña llama piloto o, en algunos modelos más antiguos, a mano. Hoy en día, la mayoría de las llamas piloto se encienden mediante un transformador de encendido (muy parecido a las bujías de un automóvil). La llama piloto enciende a su vez 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. El soplado de hollín normalmente se realiza cuando disminuye la eficiencia de la sección de convección. Esto se puede calcular observando el cambio de temperatura en la tubería cruzada 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. Por lo general, esto se hace durante el mantenimiento con el soplador de aire encendido. Se utilizan varios tipos diferentes de sopladores de hollín. Los sopladores de pared de tipo rotativo 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 se enciende, gira y expulsa el hollín de los tubos a través de la pila.
La chimenea de gases de combustión es una estructura cilíndrica en la parte superior de todas las cámaras de transferencia de calor. La recámara directamente debajo recoge los gases de combustión y los eleva a la atmósfera donde no pondrá en peligro al personal.
La compuerta de chimenea contenida en su interior funciona como una válvula de mariposa y regula el tiro (diferencia de presión entre la entrada y salida de aire) en el horno, que es lo que empuja los gases de combustión a través de la sección de convección. La compuerta de chimenea también regula el calor perdido a través de la chimenea. A medida que se cierra la compuerta, 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 alrededor de él. Si hay fugas de aire en el horno, las llamas pueden escapar de la cámara de combustión o incluso explotar si la presión es demasiado grande.
El aislamiento es una parte importante del horno porque mejora la eficiencia al minimizar el escape de calor de la cámara calentada. Para el aislamiento se utilizan materiales refractarios como ladrillo refractario , refractarios moldeables y fibra cerámica . El piso del horno normalmente son 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 según su densidad y luego su clasificación de temperatura máxima. Por ejemplo, 8# 2300 °F significa 8 lb/ft 3 de densidad con una clasificación de temperatura máxima de 2300 °F. La temperatura nominal de servicio real para la fibra cerámica es un poco más baja que la temperatura nominal máxima. (es decir, 2300 °F sólo es válido hasta 2145 °F antes de una contracción lineal permanente).
Los pilares de hormigón son la base sobre la que se monta el calentador. Pueden ser cuatro números. para calentadores más pequeños y puede tener hasta 24 nos. Para calentadores de gran tamaño. El diseño de los pilares y toda la cimentación se realiza en función de la capacidad de carga del suelo y las condiciones sísmicas que prevalecen en la zona. Los pernos de cimentación se inyectan en los cimientos después de la instalación del calentador.
El cuerpo del calentador cuenta con puertas de acceso en varios lugares. Las puertas de acceso deben usarse únicamente durante el apagado del calentador. El tamaño normal de la puerta de acceso es de 600x400 mm, que es suficiente para el movimiento de personas/material dentro y fuera del calentador. Durante el funcionamiento, las puertas de acceso se atornillan correctamente utilizando juntas a prueba de fugas y altas temperaturas.
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