INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA

DISEÑO DE UN PRECALENTADOR DE AIRE.

INGENIERÍA MECÁNICA

GENERADORES DE VAPOR

Ing. Leal Cruz Daniel Salvador

Integrantes del equipo:

Carlos Reyes Olguín

Edgar Eduardo Castro Sarmiento

Gabriel Pérez Contreras

INTRODUCCIÓN

Los altos consumos de combustible y sus elevados costos, así como, la problemática de la contaminación atmosférica, han llevado a buscar métodos que permitan el uso racional y eficiente de la energía. Una de las fuentes fijas con mayor consumo de combustible son las calderas y hornos industriales, cuyas temperaturas de los gases de escape son mayores a 150°C, para recuperar esta energía si se utilizan intercambiadores de calor convencionales, se tiene el inconveniente de que sus dimensiones son extremadamente grandes. Para solucionar este problema, se han empleado intercambiadores de calor compactos compuestos de termosifones aletados altamente eficientes, los cuales recuperan la energía de desecho en los equipos anteriormente mencionados (Gershuni et al. 2004).

A pesar de que, en la actualidad existe una gran variedad de metodologías de cálculo y diseño de intercambiadores de calor convencionales, para el diseño de intercambiadores de calor en base a termosifones aletados, no existen estándares que sean del dominio público.

Este trabajo propone el desarrollo de precalentadores de aire compuestos de caloductos, con la finalidad de aprovechar al máximo el calor contenido por los gases de combustión en calderas industriales, para de esta forma, incrementar su eficiencia y por consecuencia, reducir el consumo de combustible y sus emisiones contaminantes.

Precalentadores de aire

Un Precalentador de aire es un intercambiador de calor se puede describir, como un equipo en el que dos corrientes a distintas temperaturas que fluyen sin mezclarse con el objeto de enfriar una de ellas o calentar la otra o ambas cosas a la vez. Al realizar un balance térmico en una caldera, se nota que la pérdida de calor más considerable es la debida al existente en los gases de escape.

Para recuperar el calor pueden emplearse los precalentadores de aire. El precalentador de aire sirve para reducir la temperatura de salida de los gases de combustión transmitiendo su calor sensible, que se perdería, al aire que ha de alimentar la combustión, que es obligado a atravesar el precalentador por medio de un ventilador de tiro forzado.

La disposición de las corrientes en el intercambiador puede ser en contracorriente o corrientes opuestas. En cambio si ambas corrientes tienen el mismo sentido se trata de corrientes paralelas o equicorrientes de acuerdo a la siguiente figura [1.2].

Figura. 1.2 Tipos de corriente en un intercambiador [7].

También se presenta una situación en la que ambas corrientes se cruzan en ángulo recto. En ese caso se habla de corrientes cruzadas o perpendiculares. Esta disposición se da con mayor frecuencia en el intercambio de calor de gases con líquido, como vemos a continuación.

Figura. 1.3 Corriente cruzada o perpendicular en un intercambiador [7].

El intercambiador de calor es uno de los equipos industriales más frecuentes.

Prácticamente no existe industria en la que no se encuentre un intercambiador de calor, debido a que la operación de enfriamiento o calentamiento es inherente a todo proceso que maneje energía en cualquiera de sus formas. Existe mucha variación de diseños en los equipos de intercambio de calor. En ciertas ramas de la industria se han desarrollado intercambiadores muy especializados para ciertas aplicaciones puntuales.

En general, los intercambiadores de calor se pueden clasificar como regeneradores (rotativo) o recuperadores (tipo tubular, placas). El término regenerador, se aplica al tipo de intercambiador de calor de flujo periódico, ya que este término ha sido aplicado durante mucho tiempo a las unidades de este tipo empleadas para altos hornos y hornos de acero, mientras que el término recuperador se aplica a unidades por las cuales el flujo es continuo [15].

Recuperativos tipo tubular

En los calentadores de tipo tubular, los tubos se colocan verticalmente y se mandrilan en las placas tubulares superior e inferior, para la mejor distribución del aire, la anchura del calentador de aire se hace que corresponda con la del hogar, la separación entre tubos viene a ser igual al diámetro de los mismos o algo menos. Los gases calientes circulan por el interior de los tubos en sentido opuesto al del aire. Los paneles, al menos en un lado del calentador, son desmontables de modo que los tubos queden accesibles y puedan desmontarse. Se puede invertir el flujo de los gases de combustión hacia el fondo del calentador donde se coloca una tolva para hollín en la parte inferior del mismo.

En la dirección de los conductos de aire se colocan unas mamparas para que el aire cambiara su dirección.

Recuperativos de placas

Los calentadores de aire de placas se construyen de modo que el aire absorbe el calor de los gases de combustión al ser lanzado a través del calentador a gran velocidad y barriendo una placa cuya cara opuesta es recorrida por los gases de combustión. La transmisión de calor, por tanto, se lleva a cabo por conducción.

En el calentador de placas el aire se inyecta por los pasos entre placas, por la parte inferior y llega a la superior con varios cambios de dirección y atravesando varias veces el

calentador en dirección perpendicular a la corriente descendente de los gases de combustión. Cada par de placas tiene bordes soldados para hermeticidad y son fáciles de desmontar y limpiar. El barrido de los gases suele hacer innecesarios los sopladores de hollín. Este tipo de calentador de aire ha sido muy popular, pero se usan más los calentadores tubulares, porque son más fáciles de montar y tienen un menor costo.

Regenerador rotativo

Los calentadores de tipo regenerativo se basan en otro principio y tienen distinta forma que los anteriores. Hay un rotor movido por un pequeño motor de 3 o 4 H.P. con engranaje de reducción, el rotor gira a tres revoluciones aproximadamente por minuto y consume normalmente 1. 5 caballos de vapor.

Tiene un cojinete superior de guía y de empuje. El extremo inferior del árbol lleva otro cojinete de guía, ambos cojinetes son de bolas y sumergidos en aceite. Se tiene un sector por encima y por debajo del rotor que es fijo y separa las secciones de humos y de aire. El rotor lleva varias empaquetaduras radiales que rozan contra las placas de fondo y de techo e impiden la entrada de los gases de combustión en el sector del aire. Éstos nuevos cierres han disminuido los escapes de aire para la misma diferencia de presión entre las cámaras de gases de combustión y aire en la mitad, de modo que las mismas condiciones de funcionamiento las fugas de este calentador no son mayores llena que en los tipo tubular y de placas.

Los elementos del rotor son planchas con grandes ondulaciones entre hojas onduladas, siendo perpendiculares ambas ondulaciones. Este tipo de calentador de aire se construye en la actualidad para instalaciones a muy baja temperatura.

El funcionamiento normal, es que los gases de combustión del hogar ascienden a través de la parte del rotor a el destinada y calienta las placas, al girar el rotor esta sección pasa a la zona de aire y entregue el calor almacenado al aire que hace de refrigerante. Una comparación indica que un palmo de altura en el calentador regenerativo equivaldría a 12 palmos en cualquiera de los otros dos tipos. Es evidente que en las grandes instalaciones, donde el espacio es un factor de importancia, se prefiere el calentador regenerativo. Puesto que los elementos del rotor son calentados y enfriados continuamente, se puede trabajar con una temperatura de 540 °C, mientras que en los calentadores el límite es de 430 a 450°C [15].

El uso de estas construcciones de Precalentadores de aire tradicionales son muy grandes y necesitan de un gran espacio por lo que no se usan en calderas industriales, por lo cual se requiere una construcción más compacta de Precalentadores para este tipo de calderas.

Precalentadores de aire en base de termosifones

Los intercambiadores de calor compuestos por termosifones inmediatamente ofrecen la más grande ventaja en términos de reducción de tamaño. Sin embargo, hay factores adicionales que alientan el uso de éstos intercambiadores de calor.

Algunos de éstos son:

No tienen partes en movimiento o requerimientos de energía adicional, lo que implica muy alta confiabilidad.

Las corrientes de fluidos de alta y baja temperatura están completamente separadas, eliminando la contaminación cruzada.

Se pueden diseñar para ser completamente reversibles, el calor se puede transferir en ambas direcciones si se requiere.

El calor transferido se puede controlar ajustando el ángulo de inclinación.

El diseño es redundante. Si un termosifón falla, el intercambiador de calor sigue aún operacional.

Los precalentadores de aire compactos compuestos de termosifones aletados, cuentan con dos zonas, la zona inferior es llamada zona de ebullición, a través de la cual, fluyen los gases calientes producto de la combustión de gas natural (flecha negra); La zona superior es llamada zona de condensación, a través de la cual, fluye el aire que se suministrara a la combustión (flecha blanca), como se observa en la figura . Los gases calientes a temperaturas mayores de 423 °K (150 °C), fluyen a través de la zona de ebullición, transfiriendo el calor desde dicha zona hacia la zona de condensación a través de los tubos termosifones. El aire a temperatura ambiente, fluye en sentido contrario a través de la zona de condensación absorbiendo el calor disipado por los termosifones.

A la salida del intercambiador de calor, los gases producto de la combustión a menor temperatura, son dirigidos por medio de tubería hacia la chimenea y posteriormente al medio ambiente, mientras que el aire calentado se introduce al interior de la cámara de combustión de la caldera. Una vez que se realiza la combustión, los gases resultantes, fluyen a través de los pasos de la caldera transfiriendo el calor contenido en los mismos, y fluyen hacia el exterior, pasando por la parte de condensación del intercambiador de calor y posteriormente a la chimenea, completándose así el ciclo abierto.

La eficiencia térmica tanto de turbinas de vapor como de turbinas de gas en centrales eléctricas puede ser enormemente incrementada si el calor es extraído de los gases calientes que abandonan la caldera de vapor o la turbina de gas y añadido al aire siendo suministrado al horno o la cámara de combustión [3].

Figura 1.4 Precalentador de aire compacto de termosifones aletados [20].

Construcciones de precalentadores de aire con termosifón

El precalentador de aire que se propone, básicamente consta con dos secciones.

A través de la sección inferior circulan los gases producto de la combustión, mientras que, en la zona superior circula el aire de entrada a la caldera. Cabe recordar que el tipo de flujo del precalentador de aire es en contra flujo. Los componentes principales del precalentador de aire son mostrados en la figura 1.5 y se describen a continuación.

Banco de tubos

Base Inferior y superior

Paredes laterales

Pared intermedia

Aislante

Acabado exterior

El banco de tubos del precalentador de aire consta de termosifones bimetálicos aletados dispuestos en forma escalonada. El tubo interior es de acero al carbono designación AISI 1040, el cuál, es un acero al carbono medio con menos de 1% de manganeso, es fácil de maquinar y resistente a altas presiones. El tubo exterior aletado es de aluminio, el cuál, tiene una alta conductividad comparado con el acero, es poco denso con buena resistencia a la corrosión, lo que reduce el peso total del precalentador de aire. El fluido de trabajo dentro del termosifón es agua destilada con un volumen equivalente al 25 % del volumen interno del termosifón. Los termosifones no cuentan con estructura capilar.

Las bases inferior y superior del precalentador de aire cuentan con orificios que permiten un asentamiento total de los termosifones, lo que evita su movimiento axial o normal. Son fabricadas de acero AISI 1117, cuya presencia de azufre mejora su maquinabilidad.

Las paredes laterales, frontal y posterior son de acero AISI 1117, son relativamente fácil de maquinar y resistentes a impactos. La pared intermedia que separa las zonas superior (aire) e inferior (gases) es de aluminio y cuenta con orificios y ranuras que permiten el montaje de los termosifones, como si se insertara un tornillo. Debido a la alta ductilidad del aluminio, se presenta una pequeña deformación, lo que facilita colocar los tubos en su posición correcta.

Con la finalidad de evitar las pérdidas de calor a través de las paredes del precalentador de aire, éstas se recubren de una colchoneta aislante RW 4300 con recubrimiento de mallas metálicas, cuya temperatura de servicio es de 508°K (235 °C). Además del aislamiento, se coloca un recubrimiento de aluminio para darle una apariencia adecuada.

Figura 1.5 Componentes del precalentador de aire [3].

Termosifones

El termosifón cerrado es un recipiente asistido por gravedad (Ver figura 1.6). La sección del condensador está localizada por encima del evaporador, de manera que el condensado es regresado por gravedad.

El calor es suministrado en la sección del evaporador, donde se encuentra el líquido saturado, transformando al fluido de trabajo en vapor. El vapor asciende, por la existencia de una diferencia de presión existente y se conduce a lo largo de la sección adiabática, hacia la sección del condensador, en donde, el vapor se condensa, entrega su calor latente y regresa al evaporador en forma de una película de líquido descendiente, debido al efecto de la fuerza de gravedad. El ciclo se repite continuamente mientras la fuente de calor permanezca constante.

La operación del termosifón es sensible al volumen ocupado del fluido de trabajo. Para termosifones sin estructura capilar, se ha demostrado experimentalmente que el flujo máximo de transferencia de calor se incrementa con la cantidad de fluido de trabajo por encima de un cierto valor. Algunas veces se incluye una estructura capilar en el diseño de termosifones para evitar la inundación y mejorar el contacto entre la pared y el líquido.

Figura 1.6. Termosifón cerrado de dos fases [56].

Termosifón Aletado

Estos termosifones, los cuáles, se emplearán para el diseño del precalentador de aire, tienen las siguientes características:

Operan con agua como fluido de trabajo con un 25 % de su volumen interior, lo que permite una excelente operación en rangos de temperatura de 30 °C hasta 235 °C, se conforman de tubos bimetálicos. La parte interna del tubo bimetálico es hecha de acero, cuyo grosor soporta presiones internas hasta 70 atm (7.1MN / m 2 ) y temperaturas del metal hasta 300°C . La parte externa del tubo bimetálico es hecha del aluminio, el tubo de aluminio cuenta con aletas redondas transversales con el objetivo de aumentar la superficie de transferencia de calor.

Los termosifones tienen una capacidad de transferencia de calor de (0.7 - 1) KW [20]. En el proceso de manufactura del tubo bimetálico aletado se obtuvo un excelente contacto

mecánico entre los tubos de acero y de aluminio, con un resistencia específica de contacto de 2.5 X 10−4 [45], [50].

Figura 1.7. Termosifón aletado en un intercambiador de calor del tipo gas-gas. 1. Tubo de acero; 2. Tubo aletado de aluminio; 3. Zona de ebullición; 4. Zona de transporte; 5. Zona de condensación; 6. Extremo para llenado del termosifón [20].

Calderas tipo tubo de Humo con precalentador de aire en base de termosifones bimetálicos

Las calderas son de construcción horizontal de tubos de humo, con tubos y desviadores tan bien dispuestos e instalados que los productos de combustión deben pasar a lo largo de la caldera cuatro veces antes de la descarga. El diseño de cuatro pasos (figura 1.8), proporciona velocidades de gases altas y bajas temperaturas en chimenea para garantizar la máxima eficiencia.

La figura muestra como los gases son obligados para fluir por los cuatro pasos en el orden indicado. El aire de combustión entra al quemador a través del Apagador Ajustable. El ventilador lo fuerza por aperturas hasta el difusor dentro de la cámara de combustión la cual constituye el Paso (1). Desviadores en (A) permiten a los gases pasar al frente de la caldera sólo por el Paso (2); aquí el plato (B) permite a los gases viajar al reverso de la caldera por el Paso (3). Desde el cabezal posterior los gases son forzados a través del Paso (4) a la chimenea.

La combustión es iniciada y completada en el tubo de humo principal o cámara de combustión. Un ventilador centrífugo fuerza a los gases de combustión a viajar cada vez más hacia arriba a través de los sucesivos pasos a la chimenea. La cantidad de aire de combustión es controlada de inmediato por un motor. Este mismo motor, por medio de un disco de leva, controla la válvula de gas la cuál mide el combustible para ajustar la carga demandada. El combustible y el aire son de esta forma suministrados para la combustión más eficiente en todas las cargas.

El diseño de la caldera permite un acceso completo a los tubos de la caldera y horno para la facilidad de mantenimiento. La superficie de calefacción de la caldera es de 0.047 m 2 /kW [22]. La buena localización del horno por debajo del nivel de agua permite la apropiada circulación. El horno por debajo proporciona el margen de seguridad adicional entre el horno y nivel de agua.

Diseños de quemadores avanzados proporcionan máximas eficiencias de combustión. Además, la caldera cuenta con quemadores de gas multipuertos altamente radiantes diseñados para altas velocidades de gases y una mezcla completa de combustible / aire, obteniendo una eficiencia de combustión máxima.

Los quemadores están disponibles para el quemado de gas natural [40].

Figura 1.8. Vista en corte de caldera [22]

Para el diseño de la instalación del precalentador de aire, es necesario conocer las dimensiones de la caldera, las cuales, se muestran en la figura 1.10. Los factores a considerar para la ubicación del precalentador son:

No limitar o impedir las labores de mantenimiento No limitar la actividad cotidiana de operación Evitar el empleo de codos y accesorios que aumenten la caída de presión

Al evaluar estos factores, se diseña la instalación que se muestra en la vista lateral de la figura 1.9, donde se puede observar que el precalentador de aire esta colocado con una inclinación de 30° con respecto a la horizontal, con la finalidadde reducir las pérdidas aerodinámicas.

La instalación cuenta con 2 soportes de ángulo estructural de ¾ como se muestra en la figura 1.10. La instalación de la entrada de aire esta compuesta básicamente por 3 ductos. El primer tubo (8), es un tubo de acero de sección circular a la entrada y sección rectangular a la salida. Este tubo es fijado al precalentador mediante 8 tornillos de ½” de diámetro. Entre las juntas de cada ensamble, existe un empaque que evita la entrada de aire frío al interior de la tubería. El segundo tubo (5), también es fijado al precalentador de aire y las secciones transversales a la entrada y salida son rectangulares y variables. El tercer tubo es de sección transversal rectangular y uniforme, éste permite transportar el aire calentado hasta el impulsor del ventilador para después introducirlo a la cámara de combustión.

La instalación a la salida de los gases de escape cuenta con 2 ductos. El primero (6) está fijado a la base del tubo de chimenea de la caldera por el extremo de entrada, mientras que, a la salida esta fijado al precalentador de aire, es de sección circular a la entrada y rectangular a la salida, como se muestra en la figura 1.10. Las dimensiones del segundo tubo (10) son iguales a la del tubo (6), y la salida de los gases son guiados de forma vertical hacia el tubo de la chimenea (11), los gases enfriados se descargan a través de este tubo hacia el medio ambiente.

Figura 1.9 Instalación del precalentador de aire en la caldera [3]

Figura 1.10 Componentes de la instalación del precalentador de aire [3].

Los ductos son de acero galvanizado comercial calibre 20 y además, con la finalidad de reducir las pérdidas de calor y evitar temperaturas superficiales altas, que son peligrosas

para los operadores, los ductos de aire (1) y (3), así como, el ducto de gases (6), están recubiertos por un aislante térmico en forma de rollo con recubrimiento de aluminio reforzado con hilos de fibra de vidrio, lo que le da un acabado superficial adecuado. La temperatura de servicio del aislante es de 443 K (170 °C) [3]. Como se menciono anteriormente, la instalación del precalentador de aire esta dispuesta de tal forma que permite el acceso al interior de la caldera con sólo desacoplar el tubo de aire (1) y (3).

En los siguientes capítulos se desarrolla una metodología de cálculo y diseño geométrico, térmico y económico de una línea de 14 precalentadores de aire en base de termosifones bimetalitos, para utilizarse en calderas industriales desde 15CC hasta 800 CC.

DESARROLLO DE METODOLOGIA DEL CALCULO GEOMETRICO Y TERMICO.

Metodología del cálculo geométrico de los Precalentadores de Aire en base de Termosifones Bimetalitos

El dimensionamiento del precalentador de aire consiste en determinar los pasos longitudinal y transversal, el número de hileras, número de termosifones por hileras, número de aletas, superficies de transferencia de calor, etc. A continuación, se presenta la secuencia de cálculo.

Los criterios que se tienen en la presente metodología del cálculo de los Precalentadores de aire en base de Termosifones Bimetalicos son: Arreglo escalonado. La presente metodología sólo considera el tipo de arreglo escalonado.

Distancia entre termosifones. La distancia entre termosifones es de 4 mm, que es la distancia mínima posible que considera el montaje de los termosifones.

Dimensiones del termosifón. A excepción de su longitud (altura de zona), las dimensiones de los termosifones permanecen constantes en cualquier diseño. Número de termosifones en 1ra y última hilera. El número de termosifones de la 1ra hilera deberá ser igual al número de termosifones de la última hilera.

La altura de zonas. La altura de la zona de aire equivale al 49 % de la altura del precalentador, el otro 51 % equivale a la zona de gases. Esto con la finalidad de tener una velocidad aproximada entre ambas zonas.

El ancho del Precalentador es igual a la altura en la zona de los gases.

Los parámetros para el cálculo geométrico son:

Cálculo de las dimensiones del precalentador.

Paso normal.

Paso longitudinal.

Anchuras. Profundidades. Número total de termosifones. Espacio Inferior o superior entre aleta y superficie del intercambiador de calor. Número real de aletas. Cálculo del área mínima libre. Área transversal. Área transversal ocupada por las aletas.

Área transversal ocupada por el tubo. Área máxima ocupada. Área mínima libre. Cálculo de área total de transferência de calor. Area exterior de aletas en ambas zonas. Area exterior del tubo en ambas zonas. Área total de transferencia de calor en ambas zona. Cálculo de área total de transferencia de calor del precalentador. Cálculo de área de contacto. Cálculo de área interna del termosifón

Obtención de las características de los flujos.

Antes de realizar los cálculos necesarios para el diseño, se procede a obtener las características de los flujos de combustión, por lo que, es necesario tener parámetros térmicos de la caldera para la que se diseñará el precalentador. Los parámetros de la caldera que son importantes en el diseño del precalentador de aire son:

• Temperatura del aire para la combustión

• Temperatura de los gases producto de la combustión (en chimenea)

• El consumo de combustible

• Composición química del combustible

• Coeficiente de exceso de aire

Estos parámetros representan las condiciones límites a las cuáles estará operando el precalentador de aire.

Calculo de la temperatura del aire a la salida del precalentador.

Las temperaturas de entrada del aire y gases de combustión, son valores fácilmente obtenibles. Por otro lado, la temperatura de salida de los gases de combustión, es un valor que se supone y que forma parte de los criterios de diseño. Teniendo esto en cuenta, la única temperatura que deberá determinarse es la temperatura del aire a la salida del precalentador.

Flujo másico y calor transferido en la zona para los gases.

El flujo másico en la zona para los gases se emplea la ecuación:

La cantidad de calor a transferir en la zona para los gases mediante la ecuación:

Flujo másico y calor transferido en la zona para el aire.

Para determinar el flujo másico en la zona para el aire se emplea la ecuación:

La cantidad de calor a transferir en la zona para el aire mediante la ecuación:

Temperatura del aire a la salida del precalentador.

Como la cantidad de calor que se transfiere en la zona para los gases es igual a la cantidad de calor que se transfiere en la zona para el aire (balance de energía) para condiciones estables, se tiene la ecuación:

Al despejar la temperatura del aire a la salida del precalentador, se obtiene:

Cálculo de las caracteristicas térmicas del precalentador de aire

El diseño térmico del precalentador implica conocer todas las características térmicas de los fluidos, velocidades, superficies de transferencia de calor, coeficientes de transferencia de calor en sus diferentes zonas, calor total transferido, etc. Para poder calcular todos estos parámetros, primero es necesario conocer las características y propiedades del elemento básico del precalentador de aire, es decir, las características de los termosifones que se emplearán en la conformación del mismo. Por esta razón, es fundamental el empleo de termosifones cuyas características se adecuen a las condiciones de operación del precalentador de aire a diseñar.

Los volúmenes y entalpías del airey gases producto de la combustión

Los componentes de los combustibles intervienen en una reacción química con el oxígeno con una relación definida. El flujo másico de aire y la cantidad de los productos de la combustión generados son establecidos de las ecuaciones estequiométricas de combustión tomando un mol de cada uno de los componentes del combustible (Polupan et al. 2001).

Dimensionamiento del Precalentador de Aire.

El dimensionamiento del precalentador de aire consiste en determinar los pasos longitudinal y transversal, el número de hileras, número de caloductos por hileras, número de aletas, superficies de transferencia de calor, etc. A continuación, se presenta la secuencia de cálculo.

I. Cálculo de las dimensiones del precalentador. II. Cálculo del área transversal del precalentador mínima libre para el paso de los

fluidos de trabajo. III. Cálculo del área total de transferencia de calor. IV. Cálculo del área de contacto acero-aluminio de los tubos bimetalicos. V. Cálculo del área interna de los termosifónes.

Cálculo del Coeficiente de Transferencia de Calor por Convección

El procedimiento para determinar el coeficiente de convección relativo correspondiente a la parte externa del banco de tubos se plantea en la metodología (Pysmennyy et al. 2002) de la siguiente forma:

I. Determinación del coeficiente de transferencia de calor por convección.

II. Determinación del coeficiente de convección relativo

Coeficiente de transferencia de calor por convección de la ebullición.

En el caso en que se tenga una cantidad del medio de trabajo del 20 al 50 % del volumen interno del termosifón, con presión de trabajo de 0.01 a 1.5 MPa, una densidad del flujo de calor de 0.6 a 110 x104 W/m2, una longitud de la zona de evaporación de 0.25 a 0.7 m, el diámetro interno del tubo de 0.006 a 0.024 m, el ángulo entre el eje horizontal y el eje del termosifón entre 5º y 90º, es posible calcular l* que es un parámetro adimensional que relaciona tanto la tensión superficial, como la diferencia de densidades del fluido de trabajo (Bezrodny et al. 2003):

El coeficiente Kp que relaciona la presión de saturación, con la diferencia de densidades del vapor y la tensión superficial a la temperatura de saturación correspondiente, se determina por la siguiente ecuación:

Y finalmente, se obtiene el coeficiente de transferencia de calor por convección de la ebullición:

Coeficiente de transferencia de calor por convección de la condensación.

Aparte de la evaporación o ebullición, la condensación es el principal proceso en los termosifones bifásicos. Por consiguiente, los números de Nusselt en las regiones laminar y turbulenta así como el coeficiente f se determinan con las ecuaciones (14), (15) y (16) respectivamente (Pioro et al. 1991):

Y para el número de Nusselt promedio se recomienda la ecuación universal (17) para cálculos prácticos

Por otra parte, el coeficiente de transferencia de calor por convección en condensación esta en función de los números de Nusselt promedio, propiedades termofísicas del vapor de agua y densidades, como se observa en la ecuación (18).

Cálculo de la resistencia térmica total.

Cuando se tienen diferencias sustanciales entre las superficies interna y externa de transferencia de calor, no es posible utilizar el coeficiente de transferencia de calor global, tal es el caso de intercambiadores de calor compuestos de termosifones aletados, por esta razón, se recomienda utilizar el método de resistencias térmicas (Pysmennyy et al. 2003a), por lo anterior se tiene la expresión (19), donde la resistencia térmica total de un termosifón, que opera bajo condiciones promedio, se compone de la siguiente manera:

Cálculo del calor transferido por el intercambiador.

La cantidad de calor transferido depende de la diferencia de temperaturas promedio logarítmica y la sumatoria de las resistencias térmicas a través del termosifón (Pysmennyy et al. 2003b):

La cantidad de calor transferido calculado mediante esta ecuación corresponde a las dimensiones del precalentador propuestas inicialmente, si el resultado de esta ecuación es menor que el resultado arrojado por la ecuaciónes (2) y (4), significa que se requiere incrementar el área de transferencia de calor, es decir, se deberán modificar las dimensiones iniciales del precalentador y repetir el cálculo. En caso contrario, se deberán reducir las dimensiones del precalentador.