Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, V Edición 2016, No. 14 (15)
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 5 Vol. 1 / 2016 (15) ISSN 1390 - 7395 (14/15)
Artículo Cientíco / Scientic Paper
- 133 -
AIMACAÑA E., SALAZAR R., DIAGNÓSTICO DE LA EFICIENCIA TÉRMICA EN EL PROCESO DE CALENTAMIENTO EN DISTRIBUIDORES DE
ASLFALTO MODELO ROSCO
DIAGNÓSTICO DE LA EFICIENCIA TÉRMICA EN EL PROCESO DE
CALENTAMIENTO EN DISTRIBUIDORES DE ASLFALTO MODELO ROSCO
DIAGNOSIS OF THERMAL EFFICIENCY IN THE WELDING PROCESS IN
ASLFALTO MODEL ROSCO DISTRIBUTORS
Emilia Aimacaña Sánchez
1
, Roberto Salazar Achig
2
1,2. Universidad de Fuerzas Armadas ESPE – Departamento de Ciencias Exactas, Quijano y Ordoñez y
Marques de Maenza s/n.
Email:
1
eeaimacana1@espe.edu.ec
2
ersalazar@espe.edu.ec
RESUMEN
El consumo excesivo de diésel por parte del
quemador asociado con la falta de control de
los principales parámetros operacionales del
proceso de calentamiento en distribuidores
de asfalto modelo Rosco genera una baja
eciencia térmica.
Para determinar la baja eciencia térmica
se realizaron mediciones de los parámetros
de temperatura, tiempo de calentamiento
de asfalto y consumo de diésel por parte del
quemador, mediante instrumentación para
establecer un procedimiento de cálculo
que permita la evaluación del proceso de
calentamiento de distribuidores.
La evaluación del intercambiador actual
muestra que las pérdidas de calor por
los gases producto de la combustión
llega a 275,5 KW, estos datos son últiles
para en simulaciones y futuros cálculos
relacionados a consumo de combustible e
implementación de un nuevo sistema de
intercambio térmico.
Palabras Clave:
Eciencia térmica, calentamiento de
distribuidores, intercambio térmico,
quemador rosco.
ABSTRACT
Excessive consumption of diesel by the
burner associated with the lack of control
of the main operational parameters of the
heating process in Rosco asphalt distributors
generates a low thermal efciency.
In order to determine the low thermal
efciency, measurements of the parameters
of temperature, asphalt heating time and
diesel consumption by the burner were
carried out by means of instrumentation to
establish a calculation procedure allowing
evaluation of the heating process of
distributors.
The evaluation of the current exchanger
shows that the heat loss from the
combustion gases reaches 275.5 KW, this
data is useful for simulations and future
calculations related to fuel consumption and
implementation of a new heat exchange
system
Keywords:
Thermal efciency, heating of distributors,
heat exchange, burner screw.
Artículo Cientíco / Scientic Paper
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ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
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1. INTRODUCCIÓN
El consumo de diésel por parte del quemador
representa el gasto energético considerable
en comparación a sistemas actuales para
imprimación asfáltica, presentando un
consumo teórico de 30 litros de diésel
para calentar 2000 litros de asfalto; a
diferencia del proceso de calentamiento
en distribuidores de asfalto modelo Rosco
que consume aproximadamente 72 litros
para calentar 1500 litros de asfalto desde
una temperatura de 293K a 373K, siendo
el diésel el mayor portador energético
utilizado.
Al mismo tiempo que la operación
del quemador de diésel genera gases
producto de la combustión entre ellos CO2
constituyéndose en un agente contaminante
del ambiente.
Los principales problemas no resueltos
relacionados con el proceso de calentamiento
en distribuidores de asfalto modelo rosco
son los siguientes:
• Baja eciencia del proceso de
calentamiento en distribuidores de
asfalto en el consumo de diésel.
• Temperatura variable de salida de asfalto
para la imprimación.
• Pérdidas de energía por calor perdido
en el proceso de calentamiento en el
distribuidor de asfalto.
El intercambiador de serpentín sumergido,
que actualmente se emplea en el proceso de
calentamiento en distribuidores de asfalto
modelo rosco, trabaja de forma ineciente
debido al elevado consumo de diésel y la
pérdida de calor al exterior, dando como
resultado el tiempo que se demora en
calentar el asfalto y la cantidad de diésel
que se necesita.
Se aplica una investigación de tipo
experimental al actuar directamente
sobre los parámetros operacionales en el
proceso de calentamiento de asfalto es
lógico obtener una variación en la eciencia
térmica de dicho proceso, siendo el
portador diésel y dejando puerta abierta a la
evaluación sistemática el comportamiento
energético del proceso de calentamiento en
distribuidores de asfalto modelo Rosco.
2. METODOLOGÍA
El estudio se realizará en el MTOP de
Cotopaxi que cuenta con un equipo caminero
para el proceso constructivo de carreteras,
que consta de volquetas, motoniveladora,
compactador, rodillo, distribuidor de asfalto
modelo rosco, barredora y pavimentadora,
que cumple con la construcción y
mantenimiento de vías en la provincia.
La metodología para el análisis y selección
de intercambiadores de calor desde el punto
de vista térmico analiza el ujo de calor
aportado, el ujo de calor aprovechado y el
ujo de calor perdido [1].
En el caso especíco del tanquero de
asfalto de la investigación, se analiza el
calor aprovechado para el calentamiento
del asfalto, el calor por transferencia al
exterior a través del tanque de asfalto, el
calor por pérdidas mediante los productos
de combustión y el calor producido por la
combustión de diésel.
Algoritmo de cálculo para el calor
absorbido por el asfalto
El análisis del calor absorbido por el asfalto
se realiza mediante el siguiente algoritmo:
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Donde:
(m
g
): ujo másico los gases producto de la
combustión del diésel (uido caliente); kg/s.
Cp
g
: capacidad caloríca del gas de escape
producto de combustión del diésel; J/kg K.
Ti
g
,Tf
g
: temperaturas inicial y nal del gas
producto de combustión del diésel; K.
Cp
gases
,Cp
N2
,Cp
O2
,Cp
CO2
,Cp
CO
:
capacidad caloríca de los gases producto
de la combustión, capacidad caloríca del
nitrógeno, capacidad caloríca del oxígeno,
capacidad caloríca del dióxido de carbono,
capacidad caloríca del monóxido de
carbono; J/kg °C.
%N_2,%O_2,%CO
2
,%CO: representan
los porcentajes de nitrógeno, oxígeno,
dióxido de carbono y monóxido de carbono
respectivamente, en la masa de gases de
combustión.
ρ_g la densidad de la totalidad de los gases
producto de la combustión, seccionando
los componentes principales del gas en
porcentaje, con su respectiva densidad a la
temperatura al nal de la chimenea.
Algoritmo de cálculo del calor perdido
por transferencia (convección).
El análisis del calor perdido por transferencia
(convección) se realiza mediante el siguiente
algoritmo:
Figura 1. Algoritmo para el calor absorbido por el
asfalto.
Donde:
m
A
: Flujo másico
V
A
: Volumen de asfalto contenido en el
distribuidor; m
3
.
ρ
A
: densidad del asfalto a 323 K; kg/m
3
.
Ti
A
, Tf
A
: temperaturas de entrada y salida
del asfalto; K.
t: tiempo de calentamiento del asfalto, s.
Cp
A
, Cp
C
, Cp
H
, Cp
N
, Cp
S
, Cp
O
: capacidad
caloríca del asfalto, capacidad caloríca
del carbono, capacidad caloríca del
hidrógeno, capacidad caloríca del
nitrógeno, capacidad caloríca del azufre,
capacidad caloríca del oxígeno; J/kg °C.
Algoritmo de cálculo para el calor por
pérdidas mediante los gases de combustión.
El análisis de los parámetros de pérdida
de calor mediante los gases producto de
la combustión se obtiene aplicando el
algoritmo siguiente:
Figura 2. Algoritmo de cálculo de calor de los
gases producto de la combustión
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Figura 3. Algoritmo de cálculo del calor perdido
por transferencia (convección)
Donde:
h: coeciente transferencia de calor por
convección; adimensional.
A: área de transferencia de calor por
convección; m
2
.
T
s
,T
aire
: temperatura promedio de la supercie
del tanquero de asfalto y la temperatura del
aire; K.
Re: razón de las fuerzas de inercia y viscosas;
Reynolds.
ν: velocidad de aire que circula por el
exterior; m/s.
D: longitud característica, diámetro del
tanquero contenedor de asfalto; m.
ϑ: viscosidad relativa o estática; m
2
/s.
Según Churchill y Bernstein; el número de
Nusselt se obtiene por la siguiente ecuación
experimental [2]:
Donde:
Nu : gradiente de temperatura adimensional
de una supercie; Nusselt.
Pr : razón de las difusiones de momento y
temperatura; Prandtl.
Algoritmo de cálculo del consumo
teórico de diésel en el quemador.
Análisis de los resultados en el cálculo del
consumo de combustible en el distribuidor
de asfalto modelo rosco es el siguiente:
Algoritmo de cálculo del consumo
experimental de diésel en el quemador
El proceso de cálculo es el siguiente:
Figura 6. : Algoritmo de cálculo del
consumo experimental de diésel
Figura 4. Algoritmo de cálculo del calor perdido por
transferencia
Figura 5. Algoritmo de cálculo del consumo de
diésel en el quemador
,
(,/)
,.
()
.
Pr
Re Pr
Nu
Ec
03
104
06
1
1
/
/
//
/
/
Re
23
14
12 13
282000
58
45
=
+
+
6
7
A
@
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Algoritmo de cálculo para la eciencia
sistema actual
Los resultados obtenidos del calor Q_g1,
es decir, el calor gastado en el proceso de
calentamiento en distribuidores de asfalto
en relación con el calor utilizado para
calentar el asfalto Q_A, permite evaluar
el proceso en relación a su eciencia de
acuerdo al siguiente algoritmo:
Figura 7. Algoritmo para el cálculo de la eciencia
del sistema actual
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Resultados del calor absorbido por el
asfalto
Los resultados del algoritmo de la gura 1
para el cálculo del calor absorbido por el
asfalto se muestra en las tablas siguientes:
Tabla 1. Flujo másico del asfalto
Tabla 2. Capacidad caloríca del asfalto
Tabla 3. Calor absorbido por el asfalto
Resultados del calor por pérdidas
mediante los gases de combustión
Los resultados del algoritmo de la gura 2
se muestran en las tablas siguientes:
Tabla 4. Capacidad caloríca de los gases producto
de la combustión
Tabla 5. Densidad de los gases producto de la
combustión
Tabla 6. Flujo másico de los gases producto de la
combustión
Tabla 7. Calor de pérdida por los gases producto de
la combustión
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Resultados calor perdido por
transferencia al exterior (convección)
Los resultados del algoritmo de cálculo
de la gura 3 se muestran en las tablas
siguientes:
Las áreas de transferencia de calor por
convección se dividen en tres así:
Tabla 8. Áreas del tanquero contenedor de asfalto
Los promedios de temperaturas en las
diferentes áreas de transferencia de calor
por convección a lo largo del tanquero
contenedor de asfalto.
Tabla 9. Datos del proceso de transferencia por
convección
Con las temperaturas promedio Tb, de
las diferentes áreas consideradas para la
experimentación alrededor del tanquero
contenedor de asfalto permiten interpolar
las propiedades termofísicas del aire a
presión atmosférica consideradas en tablas,
resultados que se observan en la tabla
siguiente:
Tabla 10. Propiedades termofísicas del aire
Tabla 11. Resultados de los números adimensionales
El calor perdido por transferencia
(convección), se presenta en la siguiente
tabla dividido por áreas para al nal
mostrar la suma del calor total perdido por
convección en el proceso.
Tabla 12. Calor perdido por transferencia
Resultados del calor disponible por la
combustión de diésel
Para calcular el poder caloríco se hace
referencia a la tabla 13 y se aplican las
fórmulas para el proceso de cálculo del
poder caloríco [3].
Tabla 13. Temperatura de cocción del diésel
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Sabiendo que el porcentaje de hidrógeno
del combustible es 11% y el porcentaje
de humedad es 1,5% se calcula el calor
disponible mediante la ecuación 7 [4].
.
,
,
,
QitQst
Ht Wt
Ec
Qit
Qit
Kg
KJ
2500
100
9
100
7
42881 3452 2500
100
911
100
15
40368 8452
#
#
#
=- +
=- +
=
b
b
b
c
ll
l
m
;
;
E
E
El calor disponible por la combustión de
diésel en el quemador es de:
Q_comb=Q_it=40368,8452 kJ/kg.
Consumo teórico de diésel en el
quemador.
Aplicando el algoritmo de cálculo de la
gura 4 para el consumo teórico de diésel
por parte del quemador se obtienen los
siguientes resultados mostrados en las
tablas a continuación:
Tabla 14. Flujo másico de combustible
El calor utilizado en el proceso de
calentamiento en distribuidores de asfalto
es de Q
g1
=313,402 kW en promedio y el
consumo teórico de diésel en el quemador
es de m
TC
= 7,763×10
-3
) Kg/s.
Consumo experimental de diésel en el
quemador
Según el algoritmo de cálculo mostrado
en la gura 5 se obtienen los resultados
mostrados en las tablas a continuación:
La densidad del diésel a 293 K, es de 875
kg/m
3
[5].
Tabla 15. Consumo experimental de diésel en
relación a las alturas
Tabla 16. Flujo másico de diésel
Dando como resultado el consumo
experimental de diésel en el quemador
m=7,734×10
-3
kg/s.
Eciencia del sistema actual
De acuerdo al algoritmo de cálculo de la
gura 6 los resultados se muestran en las
tablas siguientes:
Cabe mencionar que se presentan los
valores promedio, tanto del calor del asfalto
Q
A
como del calor gastado en el proceso Q
g1
.
Tabla 17. Eciencia del proceso actual
Discusión
En el proceso de calentamiento en
distribuidores de asfalto el calor utilizado
para llevar al asfalto desde una temperatura
inicial hacia una temperatura nal de
trabajo en relación al calor por pérdidas
por los gases producto de la combustión y
las pérdidas por transferencia de calor al
exterior, muestran una eciencia promedio
()() .
,,(,)( ,),(
,)
,
.
,
,,,, .
,
,,,.
,
.
,
,,,,
,,
ttctarba rcbEc
t
tC
e
c
Ec
ecal
ec
mE
c
ecal
ec Ec
ecal
Qst
m
tW eee
Ec
Qst
Qst
gr
cal
Kg
KJ
12 2
30 398 26 023 0 017 65 50028 965
4 3305
1
1000
1
1000
23900
3
1239
2137 2137 1 021 02 4
213 974
323323 9155
321 045
123
6
102
4 3305 2426 23 913 974 21 045
10242 0333 42881 3452
o
## #
##
##
#
=-----
=--- -- -
=
==
=
==
=
==
=
=
--
=
-- -
==
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de 11,87%, con las mayores pérdidas
por parte de los gases producto de la
combustión que salen por la chimenea a
altas temperaturas, es posible analizar este
fenómeno mediante grácas que muestran
el calor por pérdidas por los gases producto
de la combustión en relación a la eciencia.
Figura 8.
Figura 8. Eciencia vs. Pérdidas por gases
producto de la combustión
En la gura 9 se expone el comportamiento
de las pérdidas de calor por transferencia
al exterior (convección) en función de la
eciencia del proceso, es posible concluir
que la eciencia no se ve afectada por las
pérdidas por transferencia.
Figura 9. : Eciencia vs. Pérdidas por transferencia
de calor
Eciencia del sistema actual
La gura 10 muestra el ujo másico de
combustible (diésel) consumido durante el
calentamiento en el distribuidor de asfalto
modelo Rosco del MTOP de Cotopaxi y
las pérdidas por los gases producto de la
combustión, mientras más son las pérdidas
también aumenta el consumo de diésel.
Figura 10. Flujo másico de combustible versus
pérdidas por gases producto de la combustión
En la gura 11 se expone el comportamiento
del ujo másico de combustible en función
de las pérdidas por transferencia de calor
por convección al exterior, los resultados
obtenidos muestran que el consumo de
diésel no se ve afectado por las pérdidas
por transferencia por convección, debido a
que permanece constante.
Figura 11. Flujo másico de diésel versus Pérdidas
por transferencia de calor por convección
4. CONCLUSIONES
Se obtuvieron los ujos másicos del asfalto
0,1883kg/s, de los gases producto de la
combustión 0,6873 Kg/s; capacidades
calorícas del asfalto 2,4112KJ/Kg.K como
de los gases producto de la combustión
1,026KJ/Kg.K y el poder caloríco del diésel
403688KJ/Kg. Los algoritmos de cálculo para
los ujos de calor en el asfalto 37,2015KW,
en los gases producto de la combustión
272,8212KW y las pérdidas por convección
3,375KW, en esta investigación permitieron
establecer consumos de combustible teórico
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6. BIOGRAFÍA
1
Emilia Aimacaña Sánchez.
Magíster en Gestión
de Energías, Ingeniera
Automotriz, Docente en la
Universidad de las Fuerzas
Armadas ESPE extensión
Latacunga.
2
Roberto Salazar A.
Magíster en Gestión
de Energías, Ingeniero
en Electromecánica,
Docente en la Universidad
de las Fuerzas Armadas
ESPE extensión
Latacunga.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 20 junio 2016
Fecha aceptación 06 noviembre 2016
El comportamiento de la eciencia disminuye
con el incremento de las pérdidas y con la
reducción del consumo de combustible. El
valor máximo alcanzado es de 13,03% con
pérdidas de 270 KW. Los valores promedio
son de 11,87% con pérdidas de 272 KW.
5. REFERENCIAS
[1] J.P. Holman, “Heat Transfer,”
McGraw-Hill Higher Education.10
th Edition. New York United States,
2009.
[2] F. Incropera, “Fundamentals of Heat
and Mass Transfer”, John Wiley &
Sons. New York. U.S.A, 2013.
[3] I.Parr, “Colorímetro de bomba de
oxígeno de chaqueta sencilla Parr
1341”. Parr Instruments Company,
2014.
[4] E. Torrella, “La Combustión,
combustibles y tipos”, Universidad
Politécnica de Valencia. Valencia,
España, 2014.
[5] L.Valencia, “Caracterización
de mezclas diésel-biodiésel
orientadas a dismunir las emisiones
contaminantes provocadas por
Fuentes móviles. Densidad del
diésel a 15°C”, 2013.
AIMACAÑA E., SALAZAR R., DIAGNÓSTICO DE LA EFICIENCIA TÉRMICA EN EL PROCESO DE CALENTAMIENTO EN DISTRIBUIDORES DE
ASLFALTO MODELO ROSCO
