diseño caldera pirotubular
DESCRIPTION
Diseño caldera piro-tubular, y red térmica, combustible Chep.TRANSCRIPT
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Universidad Austral de Chile
Facultad de Ciencias de la Ingeniera
Escuela de Ingeniera Civil Mecnica
DISEO DE CALDERA HOSPITAL CARLOS IBEZ DEL CAMPO, DE LINARES
Integrantes:
Patricio Alejandro Antilef Baeza
Boris Enrique Arismendi lvarez
Flaminio Ivn Becerra Daz
Diego Alberto Troncoso vila
Alejandro Javier Yefi Nez
Profesores:
Sr. Rogelio Moreno
Sr. Marcelo Paredes
Sr. Juan Rebolledo
VALDIVIA
CHILE
08 de Julio de 2013
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2
1. NDICE
1.1. ndice general
1. NDICE .......................................................................................................................... 2
1.1. ndice general ......................................................................................................... 2
1.2. ndice de figuras ..................................................................................................... 8
1.3. ndice de tablas .................................................................................................... 11
2. INTRODUCCIN ......................................................................................................... 13
3. PROBLEMA DE DISEO Y OBJETIVOS ................................................................... 14
3.1. Problema .............................................................................................................. 14
3.2. Definicin del Problema ....................................................................................... 14
3.3. Objetivos .............................................................................................................. 14
3.3.1. Objetivo general ............................................................................................ 14
3.3.2. Objetivos especficos .................................................................................... 14
3.4. Fronteras del proyecto ......................................................................................... 15
3.5. Alcances del proyecto .......................................................................................... 15
4. PLANIFICACION DE PROYECTO .............................................................................. 16
5. DEFINICIN DEL PRODUCTO .................................................................................. 18
5.1. Mtodo matriz QFD (Quality Function Deployment) ............................................ 18
5.2. Clientes involucrados ........................................................................................... 18
5.3. Requerimientos y especificaciones de ingeniera ................................................ 18
5.4. Matriz QFD ........................................................................................................... 20
6. CONSIDERACIONES DE DISEO ............................................................................. 21
6.1. Agua para calderas .............................................................................................. 21
6.2. Problemas causados por las impurezas del agua ................................................ 21
6.3. Caractersticas de la calidad del agua segn Decreto Supremo N48 ................ 21
6.4. Caractersticas del agua de Linares ..................................................................... 22
6.5. Tratamiento recomendado segn Asociacin chilena de seguridad (ACHS) ...... 23
7. GENERACIN DE CONCEPTOS ............................................................................... 24
7.1. Descomposicin funcional .................................................................................... 24
7.2. Tipo de caldera a disear ..................................................................................... 25
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3
8. REDES DE VAPOR ..................................................................................................... 27
8.1. Diagrama Lay-Out ................................................................................................ 27
8.2. Distribucin de vapor hacia las reas de consumo .............................................. 28
8.2.1. Dimensionamiento de la red ......................................................................... 28
8.2.2. Clculo de prdida de carga en red de vapor ............................................... 29
8.2.2.1. Prdidas de carga regulares .................................................................. 29
8.2.2.2. Prdidas de carga singulares. ............................................................... 36
8.3. Aislacin trmica de las caeras ......................................................................... 38
8.3.1. Seleccin de material aislante. ..................................................................... 38
8.3.1.1. Clculo de prdidas de calor. ................................................................ 40
8.3.1.2. Relacin entre el porcentaje de ahorro energtico, perdida calor y el
espesor del material aislante. .................................................................................. 46
8.3.1.3. Clculo de espesor del aislante desde el punto de vista econmico. .... 50
8.3.2. Dilatacin en las caeras de la red de vapor ............................................... 55
8.3.3. Soportes de las caeras en la red de vapor ................................................ 56
8.3.4. Distancia entre soportes de las caeras ...................................................... 56
8.3.5. Accesorios de dilatacin ............................................................................... 57
8.3.6. Configuracin de accesorios en la red de vapor ........................................... 57
8.3.6.1. Red Principal .......................................................................................... 58
8.3.6.2. Esterilizacin .......................................................................................... 58
8.3.6.3. Lavandera ............................................................................................. 59
8.3.6.4. Alimentacin .......................................................................................... 60
8.3.6.5. Agua Caliente ........................................................................................ 61
8.3.6.6. Calefaccin ............................................................................................ 62
8.4. Red de Condensado. ........................................................................................... 62
8.4.1. Cantidad de condesado generado ................................................................ 63
8.4.2. Dimensionamiento de la red de condesado .................................................. 64
8.4.3. Perdida de carga en la red de condensado .................................................. 65
8.4.4. Aislante de la red de condensado ................................................................. 66
8.4.5. Clculo y seleccin de Componentes de la red de vapor y condensado ...... 66
8.4.5.1. Clculo y seleccin de trampas de vapor .............................................. 67
8.4.6. Seleccin de Vlvulas ................................................................................... 69
8.4.6.1. Seleccin Vlvulas de Cierre ................................................................. 69
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4
8.4.6.2. Seleccin Vlvulas de estrangulacin de flujo ....................................... 70
8.4.6.3. Seleccin Vlvulas de Retencin ........................................................... 71
8.4.6.4. Seleccin vlvulas reductora de presin ............................................... 71
8.4.6.5. Seleccin de vlvulas de seguridad ....................................................... 72
8.4.6.6. Seleccin Vlvulas de control de temperatura ....................................... 72
8.4.7. Seleccin de Filtro ......................................................................................... 73
8.4.8. Seleccin de instrumentos de medicin de presin ...................................... 73
8.4.9. Clculo y seleccin separador de gotas ....................................................... 74
8.5. Diseo y clculo de tanque de condensado ......................................................... 75
8.5.1. Tanque de condensado de la caldera ........................................................... 75
8.5.2. Norma para tanques de almacenamiento ..................................................... 76
8.5.3. Soldadura en tanque de condensados ......................................................... 76
8.5.4. Entrada hombre y accesorios ....................................................................... 76
8.5.4.1. Entradas hombre verticales y horizontales ............................................ 76
8.5.4.2. Venteos .................................................................................................. 76
8.5.4.3. Drenaje y sumideros .............................................................................. 76
8.5.4.4. Plataformas y pasillos segn A.P.I. 650 ................................................ 77
8.5.4.5. Escaleras segn A.P.I. 650 .................................................................... 77
8.5.5. Altura del tanque de condensados ................................................................ 78
8.5.6. Resultados de esfuerzos ............................................................................... 78
8.5.6.1. Tanque de condensados ....................................................................... 78
8.5.6.2. Estructura soportante ............................................................................. 79
8.6. Ingreso del agua a la caldera ............................................................................... 80
8.6.1. El fenmeno de cavitacin en bombas ......................................................... 80
8.6.1.1. Cavitacin en la tajamar de la voluta o de impulsin ............................. 80
8.6.1.2. Cavitacin en el ojo del rodete o de aspiracin ..................................... 81
8.6.2. NPSH disponible ........................................................................................... 82
8.6.3. NPSH requerido ............................................................................................ 86
8.6.4. Seleccin de la bomba .................................................................................. 86
8.6.5. Conexin en paralelo de las bombas ............................................................ 87
8.7. Sistema de agua caliente sanitaria ...................................................................... 88
8.7.1. Produccin instantnea ................................................................................. 89
8.7.2. Seleccin del acumulador ............................................................................. 92
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5
8.7.3. Caractersticas tcnicas del acumulador ...................................................... 94
8.7.4. Composicin del suministro .......................................................................... 94
8.7.5. Acumulador de 1500 litros ............................................................................ 94
8.8. Calefaccin recinto hospitalario ........................................................................... 95
8.8.1. Diseo intercambiador de calor para calefaccin ......................................... 95
8.8.1.1. Propiedades fsicas de los fluidos. ......................................................... 96
8.8.1.2. Potencia trmica .................................................................................... 96
8.8.1.3. Cantidad de agua a calentar. ................................................................. 97
8.8.1.4. Temperatura media logartmica ............................................................. 98
8.8.1.5. Coeficiente de Transferencia de calor ................................................... 98
8.8.1.6. Seleccin de los tubos. .......................................................................... 98
8.8.1.7. Coeficiente de pelcula en el lado de los tubos. ................................... 101
8.8.1.8. Coeficiente de pelcula en el lado del casco ........................................ 104
8.8.1.9. Coeficiente global de transferencia de calor. ....................................... 105
8.8.1.10. Cada de presin en el lado de los tubos. ............................................ 107
8.8.1.11. Cada de presin en el lado del casco. ................................................ 108
8.8.2. Aislacin trmica del Intercambiador de calor ............................................ 110
8.8.2.1. Seleccin Aislante trmico ................................................................... 110
8.8.2.2. Prdida de calor ocasionada por la carcasa ........................................ 110
8.8.3. Prdida de calor ocasionada por los cabezales .......................................... 114
8.8.4. Rendimiento del Intercambiador de calor ................................................... 116
8.8.5. Modelo intercambiador de calor .................................................................. 117
8.8.6. rea de calefaccin ..................................................................................... 118
8.8.6.1. Balance de energa. ............................................................................. 118
9. CLCULO TRMICO ................................................................................................ 119
9.1. Clculo del hogar ............................................................................................... 119
9.1.1. Consumo de combustible (Cc) .................................................................... 119
9.1.2. Volumen mnimo de la cmara de combustin ........................................... 120
9.1.3. Ciclo de carga de combustible .................................................................... 121
9.2. Caractersticas del ante-hogar ........................................................................... 122
9.3. Anlisis de combustin ....................................................................................... 123
9.3.1. Construccin del diagrama de Ostwald ...................................................... 124
9.3.2. Clculo de aire terico ................................................................................ 124
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6
9.3.3. Clculo del aire real .................................................................................... 126
9.3.4. Presin parcial de los humos ...................................................................... 130
9.4. Clculo de radiacin en el hogar ........................................................................ 131
9.4.1. Clculo Sp ................................................................................................... 134
9.4.2. Clculo del coeficiente de reduccin que contempla la disposicin de los
tubos (Fa). .................................................................................................................. 135
9.4.3. Clculo del coeficiente de reduccin que contempla la conductividad de la
pared (Fc). .................................................................................................................. 136
9.4.4. Clculo del coeficiente de reduccin que contempla la capa de holln en los
tubos (Fs). .................................................................................................................. 137
9.4.5. Clculo del factor que depende del porcentaje de la superficie de la cmara
de combustin que est en contacto con el agua y del tipo de combustible (Ff). ..... 137
9.4.6. Clculo temperatura de los gases del hogar ............................................... 138
9.5. Clculo del primer paso de tubos ....................................................................... 140
9.5.1. Calor por radiacin ...................................................................................... 140
9.5.2. Clculo de superficie de calefaccin (SC). ................................................. 141
9.5.3. Clculo de la emisividad de los gases ........................................................ 142
9.5.4. Calor por conveccin .................................................................................. 143
9.5.5. Clculo de ............................................................................................... 143
9.5.6. Clculo de rendimiento ............................................................................... 147
9.6 Diseo mecnico de la cubierta del hogar y de la caldera ................................. 148
9.6.1 Clculo de espesor de plancha ante-hogar ................................................ 148
9.6.2 Clculo de espesor de plancha de la caldera. ............................................ 149
9.7 Qumica de la combustin .................................................................................. 151
9.7.1 Volumen de los gases en diversos puntos de inters ................................. 152
9.7.2 Clculo de volumen inicial de los diversos productos de la combustin ..... 154
9.7.2.1 Clculo de la variacin de la densidad de los gases. .......................... 157
9.7.2.2 Clculo del contenido mximo de CO2 ................................................ 157
9.8 Separador de partculas ..................................................................................... 159
9.8.1. Clculo del dimetro del cicln ................................................................... 160
9.8.2. Clculo de la eficacia del cicln ................................................................. 162
9.8.3. Clculo velocidad de saltacin .................................................................... 162
9.8.4. Exponente del vrtice .................................................................................. 163
9.8.5. Clculo tiempo de relajacin ....................................................................... 163
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7
9.8.6. Clculo de la eficacia de remocin ............................................................. 164
9.8.7. Cicln diseado ........................................................................................... 164
9.9. Chimenea ........................................................................................................... 165
9.9.1. Anlisis de tiro ............................................................................................. 165
9.9.1.1. Anlisis de tiro natural .......................................................................... 166
9.9.1.2. Prdidas regulares ............................................................................... 166
9.9.1.3. Prdidas singulares ............................................................................. 167
9.9.2. Caractersticas del ventilador de tiro forzado .............................................. 170
9.9.3. Aislacin chimenea ..................................................................................... 171
9.9.3.1. Situacin simplificada .......................................................................... 172
9.9.3.2. Determinacin del coeficiente convectivo exterior. .............................. 172
9.9.3.3. Propiedades de la temperatura de pelcula ......................................... 172
9.9.4. Clculo coeficiente convectivo interior (Gases) .......................................... 173
9.9.5. Coeficiente de conductividad trmica del aislante ...................................... 174
9.9.6. Aislacin caldera ......................................................................................... 175
9.9.6.1. Calculo coeficiente convectivo exterior. ............................................... 175
9.9.6.2. Clculo coeficiente convectivo interior (vapor). ................................... 176
9.10. Accesorios y componentes de la caldera ....................................................... 177
9.10.1. Indicadores de nivel de agua ................................................................... 177
9.10.2. Manmetro .............................................................................................. 178
9.10.3. Vlvula de seguridad ............................................................................... 179
9.10.4. Termmetro ............................................................................................. 179
9.10.5. Vlvula de purga ...................................................................................... 180
9.11. Anlisis componentes de la caldera con Creo/Elements 5.0 .......................... 180
9.11.1. Anlisis hogar de la caldera .................................................................... 180
9.11.2. Anlisis a la cubierta de la caldera .......................................................... 181
9.11.3. Anlisis a tubos dentro de la caldera ....................................................... 181
9.12. Ensamble final de la caldera ........................................................................... 182
10. CONCLUSIN ....................................................................................................... 183
11. BIBLIOGRAFA ...................................................................................................... 184
12. ANEXOS ................................................................................................................ 187
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8
1.2. ndice de figuras
Figura 1. Carta Gantt con fecha 24 de marzo de 2013. Fuente: Microsoft Project 2013. .. 16
Figura 2. Carta Gantt Continuacin. Fuente: Microsoft Project 2013. ............................. 17
Figura 3. Matriz QFD. ......................................................................................................... 20
Figura 4. Descomposicin funcional del generador de vapor. ............................................ 24
Figura 5. Diagrama Lay-Out preliminar del diseo. ............................................................ 27
Figura 6. Cao Pre moldeado ............................................................................................. 38
Figura 7. Densidad aparente vs coeficiente de conductividad trmica ............................... 39
Figura 8. Tubera aislada. ................................................................................................... 40
Figura 9. Espesor ptimo para red principal. ...................................................................... 53
Figura 10. Espesor ptimo para esterilizacin. ................................................................... 53
Figura 11. Espesor ptimo para lavandera. ....................................................................... 53
Figura 12. Espesor ptimo para alimentacin. ................................................................... 54
Figura 13. Espesor ptimo para agua caliente. .................................................................. 54
Figura 14. Espesor ptimo para calefaccin. ..................................................................... 54
Figura 15. Soporte de patn, con abrazadera. .................................................................... 56
Figura 16. Fuelle. ................................................................................................................ 57
Figura 17. Red principal. ..................................................................................................... 58
Figura 18. Red esterilizacin y conexin del autoclave. ..................................................... 59
Figura 19. Red de lavandera. ............................................................................................ 60
Figura 20. Red de alimentacin. ......................................................................................... 61
Figura 21. Red de agua caliente. ........................................................................................ 61
Figura 22. Red de calefaccin. ........................................................................................... 62
Figura 23. Dimensionamiento de caera de condensado. Fuente: Spirax Sarco ............. 64
Figura 24. Retorno de condensado al tanque. .................................................................. 65
Figura 25. Dimensin de la trampa de vapor. ..................................................................... 67
Figura 26. Seleccin de trampa de vapor. .......................................................................... 69
Figura 27. Manmetro de Boudon. ..................................................................................... 74
Figura 28.Altura del tanque y nivel de agua. ...................................................................... 78
Figura 29. Resultados de esfuerzos von Misses en el tanque. .......................................... 79
Figura 30. Resultados de esfuerzos von Misses de la estructura. ..................................... 80
Figura 31.Cavitacin del cuerpo de la bomba. ................................................................... 81
Figura 32. Cavitacin en el ojo impulsor de la bomba. ....................................................... 81
Figura 33. Esquema representativo del tanque. ................................................................. 82
Figura 34. Bomba Elctrica Altamira T1, X30-15 (3HP). .................................................... 87
Figura 35. Conexin en paralelo de las bombas. ............................................................... 88
Figura 36. Acumulador con serpentn. ................................................................................ 89
Figura 37. Conexin del intercambiador con acumulador. ................................................. 90
Figura 38. Consumo de agua vs tiempo. ............................................................................ 93
Figura 39. Acumuladores conectados en paralelo. ............................................................ 93
Figura 40. Partes fundamentales del acumulador. ............................................................. 95
Figura 41. Intercambiador de calor de casco y tubos (placa fija). ...................................... 96
Figura 42.Espaciado entre el casco - haz de tubos. ......................................................... 100
-
9
Figura 43.Modelos de flujo para la condensacin de vapor en el interior de tubos
horizontales. ..................................................................................................................... 101
Figura 44. Modelos de flujo de condensacin. ................................................................. 101
Figura 45. Factor de transferencia de calor para el lugar del casco y pantallas
segmentadas. ................................................................................................................... 105
Figura 46. Factor de friccin para tubos. .......................................................................... 108
Figura 47. Factor de friccin para el lugar del casco. ....................................................... 109
Figura 48. Perdida de calor por la carcasa. ...................................................................... 110
Figura 49. Perdida de calor por los cabezales. ................................................................ 114
Figura 50. Modelo del intercambiador de calor. Fuente: Creo/Elements 5.0. .................. 117
Figura 51. Ante-hogar y sus componentes (corte transversal). ........................................ 123
Figura 52. Para aire terico CO2 vs O2. ............................................................................ 126
Figura 53. Para aire real CO2 vs O2. ................................................................................. 128
Figura 54. Interseccin de las ecuaciones de aire. .......................................................... 128
Figura 55. VC sobre el hogar de la caldera. ..................................................................... 131
Figura 56. Coeficiente Fa ................................................................................................. 135
Figura 57.Factor Ff ........................................................................................................... 138
Figura 58. V.C sobre los tubos de humos. ....................................................................... 145
Figura 59. Distribucin del tamao de las partculas en la combustin. ........................... 159
Figura 60. Dimensiones del cicln. ................................................................................... 161
Figura 61. Modelo del cicln. ............................................................................................ 165
Figura 62. Corte transversal para clculo de aislante en la chimenea ............................. 171
Figura 63. Corte transversal para clculo simplificado de aislante de chimenea. ............ 172
Figura 64. Corte transversal para clculo de aislante de caldera. .................................... 175
Figura 65. Corte transversal para clculo simplificado de aislante de caldera. ................ 175
Figura 66. Dimensiones del indicador de nivel. ................................................................ 178
Figura 67. Termmetro seleccionado. .............................................................................. 179
Figura 68. Esfuerzo von Misses en el hogar. ................................................................... 180
Figura 69. Esfuerzo von Misses de la cubierta. ................................................................ 181
Figura 70. Esfuerzo von Misses en los tubos. .................................................................. 181
Figura 71. Ensamble final de caldera escocesa diseada. .............................................. 182
Figura 72. Corte transversal (Interior de la caldera escocesa). ........................................ 182
Figura 73. Diagrama de Moody. ....................................................................................... 188
Figura 74. Curva caracterstica de la bomba. ................................................................... 191
Figura 75. Red de condensado rea esterilizacin. ......................................................... 192
Figura 76. Red de condensado rea lavandera. ............................................................. 192
Figura 77. Red de condensado rea agua caliente. ......................................................... 193
Figura 78. Red de condensado rea alimentacin. .......................................................... 193
Figura 79.Red de condensado rea de calefaccin. ........................................................ 194
Figura 80. Seleccin vlvulas de esfera. .......................................................................... 195
Figura 81. Seleccin vlvulas de globo. ........................................................................... 196
Figura 82. Seleccin vlvulas de reduccin. .................................................................... 197
Figura 83. Seleccin vlvula reductora de presin. .......................................................... 198
Figura 84. Seleccin vlvulas de seguridad. .................................................................... 199
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10
Figura 85. Seleccin vlvulas de control de temperatura. ................................................ 200
Figura 86. Seleccin del filtro. .......................................................................................... 201
Figura 87. Seleccin de manmetros. .............................................................................. 202
Figura 88. Seleccin de separador de gotas. ................................................................... 203
Figura 89. Caeras para red de condensado. ................................................................. 204
Figura 90. Termmetros Spirax Sarco. ............................................................................. 205
Figura 91. Vlvula de purga. ............................................................................................. 206
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11
1.3. ndice de tablas
Tabla 1. Clientes involucrados. ........................................................................................... 18
Tabla 2. Efecto en la caldera debido a impurezas en el agua de alimentacin. ................. 21
Tabla 3. Calidad del agua. .................................................................................................. 22
Tabla 4. Caractersticas del agua de napas subterrneas en la ciudad de linares. ........... 22
Tabla 5. Criterios para cada caldera. .................................................................................. 25
Tabla 6. Dimensionamiento caera. .................................................................................. 29
Tabla 7. Caudal volumtrico del vapor. .............................................................................. 31
Tabla 8. Velocidad real del vapor. ...................................................................................... 32
Tabla 9. Propiedades del rgimen del vapor. ..................................................................... 34
Tabla 10. Caractersticas de la caera. ............................................................................. 34
Tabla 11. Prdidas de carga regular. ................................................................................. 35
Tabla 12. Prdidas de carga singulares. ............................................................................ 36
Tabla 13. Prdidas de carga total. ...................................................................................... 37
Tabla 14. Perdidas de carga en el manifold. ...................................................................... 37
Tabla 15. Caractersticas de tubera. Fuente: Catlogo Volcn. ........................................ 39
Tabla 16. Espesor supuesto. .............................................................................................. 41
Tabla 17. Resistencias trmicas R3 y R 4. ......................................................................... 42
Tabla 18. Resistencia trmica R1. ...................................................................................... 44
Tabla 19. Resistencia trmica R4. ...................................................................................... 45
Tabla 20. Perdida de calor en red de vapor, (Con espesor de aislante supuesto). ............ 45
Tabla 21. Variacin del espesor del aislante y % ahorro de energa. ................................ 47
Tabla 22. Variacin del espesor del aislante y % de ahorro de energa Continuacin. .. 47
Tabla 23. Espesor de aislante v/s prdida de calor para cada consumo. .......................... 49
Tabla 24. Inversin econmica. .......................................................................................... 50
Tabla 25. Inversin econmica Continuacin. ................................................................. 51
Tabla 26. Calculo costo de energa disipada por ao Continuacin. .............................. 52
Tabla 27. Espesor ptimo para cada rea. ......................................................................... 55
Tabla 28. Dilatacin de cada caera por las distintas reas. ............................................ 55
Tabla 29. Distancia entre soportes. .................................................................................... 57
Tabla 30. Cantidad de condensado producido. .................................................................. 63
Tabla 31. Dimensiones caera de condensado. ............................................................... 64
Tabla 32. Presin mxima en la red de condensado. ........................................................ 66
Tabla 33. Espesor optimo aislante en red de condensado. ................................................ 66
Tabla 34. Seleccin del tipo de trampa de vapor termodinmica. ..................................... 68
Tabla 35. Seleccin del tipo de trampa de vapor a flotador. .............................................. 68
Tabla 36.Modelo de vlvula de esfera. ............................................................................... 70
Tabla 37.Modelos vlvulas de globo. ................................................................................. 70
Tabla 38. Modelo vlvula de retencin de discos. .............................................................. 71
Tabla 39. Modelo de vlvula reductora de presin. ............................................................ 72
Tabla 40. Modelo de vlvula de seguridad. ........................................................................ 72
Tabla 41. Modelo de vlvula de control de temperatura. .................................................... 73
Tabla 42. Filtros tipo Y. ....................................................................................................... 73
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12
Tabla 43. Modelo separador de gotas. ............................................................................... 74
Tabla 44. Velocidades econmicas para tuberas de acero calibrado. ............................. 83
Tabla 45. Dimensiones caera tramo tanque bomba. .................................................... 84
Tabla 46. Caractersticas de la bomba seleccionada. ........................................................ 86
Tabla 47. Caractersticas del acumulador de 1500 litros. ................................................... 94
Tabla 48. Propiedades fsicas del H20 en distintas condiciones......................................... 96
Tabla 49. Caractersticas de los tubos. .............................................................................. 98
Tabla 50. Constantes para uso de la Ecuacin 33. .......................................................... 100
Tabla 51.Caractersticas de la carcasa. ........................................................................... 101
Tabla 52. Composicin qumica del chip de madera. ....................................................... 124
Tabla 53. Simbologa de los elementos qumicos de la madera. ..................................... 124
Tabla 54. Interseccin con los ejes cartesianos para aire terico. ................................... 126
Tabla 55. Interseccin con los ejes cartesianos para aire real. ........................................ 127
Tabla 56. Componentes de la combustin. ...................................................................... 129
Tabla 57. Componentes de combustin. .......................................................................... 129
Tabla 58. Factor Fc ........................................................................................................... 136
Tabla 59. Factor Fs ........................................................................................................... 137
Tabla 60. Calculo de temperatura en el hogar 1. ............................................................. 140
Tabla 61. Calculo de temperatura en el hogar 2. ............................................................. 140
Tabla 62. Composicin qumica de chip de madera. ........................................................ 151
Tabla 63.Oxigeno terico necesario. ................................................................................ 151
Tabla 64. Volumen inicial. ................................................................................................. 154
Tabla 65. Volmenes iniciales de cada componente. ...................................................... 155
Tabla 66. Temperaturas en puntos de interes. ................................................................. 155
Tabla 67.Volmenes en las distintas temperaturas. ......................................................... 156
Tabla 68. Caudal en los distintos puntos. ......................................................................... 157
Tabla 69. Densidad en los puntos de inters. .................................................................. 158
Tabla 70. Caractersticas de los ciclones de alta capacidad. ........................................... 160
Tabla 71. Dimensiones del cicln. .................................................................................... 162
Tabla 72. Tiempo de relajacin y eficacia de remocin. ................................................... 164
Tabla 73.Perdidas de carga regular en la chimenea. ....................................................... 167
Tabla 74. Prdidas de carga singulares. .......................................................................... 169
Tabla 75.Capacidades del ventilador. .............................................................................. 170
Tabla 76. Temperaturas presentes en la situacin. .......................................................... 172
Tabla 77. Propiedades de la temperatura de pelcula. ..................................................... 172
Tabla 78. Fracciones volumtricas de los componentes de los gases. ............................ 173
Tabla 79. Propiedades para cada componente. ............................................................... 174
Tabla 80. Temperaturas presentes en la expresin. ........................................................ 176
Tabla 81. Propiedades de la temperatura de pelcula. ..................................................... 176
Tabla 82. Propiedades de la temperatura pelcula. .......................................................... 177
Tabla 83. Caractersticas para el vapor saturado. ........................................................... 187
Tabla 84. Caractersticas de las tuberas. Fuente: (Aceros Otero, 2012). ....................... 187
Tabla 85. Factores de prdida de carga singulares ......................................................... 188
Tabla 86. Entalpa qumica de los gases a temperaturas de inters ................................ 190
-
13
2. INTRODUCCIN
El presente documento expone el proyecto Diseo de Caldera, Hospital Carlos
Ibez del Campo, el cual es desarrollado bajo las exigencias que presenta el mdulo de
intercambio de energa con fluidos compresibles, MPTL104-09 del VII semestre de la
carrera Ingeniera Civil Mecnica dictada en la Universidad Austral de Chile.
Los fines de este proyecto son de tipo acadmicos, por lo que el equipo de trabajo
desarrolla el proyecto bajo la metodologa PBL (Problem Based Learning), donde los
estudiantes realizan su aprendizaje mediante el estudio de problemas reales.
El proyecto est basado en una licitacin pblica emitida por el Ministerio de
Salud, la cual trata de la reposicin de dos calderas de produccin de vapor marca
Kewanee (ao 1961), ubicadas en el hospital Carlos Ibez del Campo situado en la
ciudad de Linares. Dicha reposicin ser efectuada por el diseo de una caldera tipo
Escocesa que supla las necesidades de vapor y agua caliente requerida.
Las reas del establecimiento que se necesitan abastecer con vapor saturado
corresponden al sector de Alimentacin, Esterilizacin y Lavandera. Mientras que el rea
de Agua Caliente y Calefaccin deben ser abastecidas por agua sub enfriada.
Adems en el diseo de la caldera el equipo se preocupar del clculo del sistema
de redes de vapor y agua necesario para abastecer los sectores de consumo,
considerando diversos elementos, tales como vlvulas, bombas de agua, trampa de
vapor, acumuladores, intercambiadores de calor, etc.
El desarrollo del proyecto involucra conocimientos de diversas materias, tales
como la mecnica de fluidos, termodinmica y transferencia de calor. Estas ciencias se
utilizan en la solucin de problemas termomecnico.
La mecnica de fluidos estudia los movimientos de los fluidos as como las fuerzas
que lo provocan, la termodinmica en cambio se focaliza en estudiar la conversin de una
forma de energa en otra y la transferencia de calor se especializa en estudiar el paso de
la energa trmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura.
Finalmente se desarrollar un sistema generador de vapor y su posterior
distribucin a partir de los requisitos de una licitacin real, en donde se espera entregar
una propuesta satisfactoria, debido a que el funcionamiento del establecimiento depende
principalmente de este sistema. As mismo mencionar que se desea seguir aumentando
las capacidades y conocimientos de los alumnos dentro de la carrera Ingeniera Civil
Mecnica.
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14
3. PROBLEMA DE DISEO Y OBJETIVOS
3.1. Problema
Por medio de una licitacin pblica, el Servicio de Salud del Maule, llama a la
propuesta pblica para la realizacin de un proyecto llamado Reposicin de calderas
hospital de Linares.
El establecimiento necesita cumplir con la demanda de los consumos principales,
siendo estos los de lavandera, alimentacin, esterilizacin, agua caliente y calefaccin.
En el mbito de limpieza, es muy importante contar con un suministro de vapor en
donde se requiere de temperaturas y presiones determinadas, ya que juegan un rol
fundamental en la eliminacin de organismos bacteriolgicos. Adems, sabiendo en las
condiciones que deben tratar a las personas dentro del hospital, la calefaccin es de vital
importancia para entregar una temperatura determinada al momento de calefaccionar.
Para el rea de esterilizacin, se utiliza el vapor para la desinfeccin de utensilios,
herramientas entre otros, gracias a las grandes temperaturas que se pueden alcanzar.
Tambin as, se debe tener en cuenta que las personas deben disponer de agua a una
temperatura adecuada para ser utilizada en baos, cocinas y tambin en el lavado de
utensilios.
3.2. Definicin del Problema
El hospital Carlos Ibez del Campo, ubicado en la ciudad de Linares, requiere de
la continuidad de los suministros actuales de agua caliente y vapor, utilizando como
combustible de trabajo chip hmedo 120% de humedad base seca, para as satisfacer el
consumo de los servicios que presta el establecimiento hacia la comunidad.
3.3. Objetivos
3.3.1. Objetivo general
Disear un sistema de generacin y abastecimiento de vapor a base de chip capaz
de alimentar las dependencias del establecimiento.
3.3.2. Objetivos especficos
Disear un generador de vapor que abastezca un consumo total de 3000 kgv/h a
una presin de trabajo de 7 kg/cm2.
Disear un sistema de red para la distribucin de vapor y agua caliente a cinco
consumos distintos.
Seleccionar y/o disear equipos complementarios para la generacin y
abastecimiento del hospital.
-
15
Corroborar mediante el software el diseo mecnico de la caldera y el estaque de
agua caliente.
Confeccionar un manual de operacin.
Generar planos del diseo.
Redactar un informe detallado del proceso de diseo.
3.4. Fronteras del proyecto
El proyecto se enfoca principalmente en el diseo de la planta generadora de
vapor, esto contempla disear y/o seleccionar cada componente que forma del sistema de
generacin de vapor, considerando las redes de abastecimiento y distribucin de materia
hacia las distintas dependencias del hospital.
El equipo no se involucrar en el desmontaje e instalacin de la planta generadora
de vapor.
3.5. Alcances del proyecto
El proyecto ir dirigido al hospital Carlos Ibez de Campo, ubicado en Linares en
la VII Regin, con el propsito de satisfacer los consumos en lavandera, alimentacin,
esterilizacin, agua caliente y calefaccin del establecimiento.
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16
4. PLANIFICACION DE PROYECTO
El equipo de trabajo tom la decisin de confeccionar una carta Gantt, con el
propsito de organizar los tiempos en base a las etapas del diseo. Este mtodo se usa
para tener un programa en funcin del tiempo estipulado de un proyecto.
Se debe mencionar que hoy en da esta es una herramienta bsica en la gestin
de proyectos en donde se trabaje con una cantidad de tareas y recursos humanos
considerables, por ello a continuacin en la Figura 1 y Figura 2, se aprecia la carta Gantt
generada por el equipo de trabajo.
Figura 1. Carta Gantt con fecha 24 de marzo de 2013. Fuente: Microsoft Project 2013.
-
17
Figura 2. Carta Gantt Continuacin. Fuente: Microsoft Project 2013.
-
18
5. DEFINICIN DEL PRODUCTO
5.1. Mtodo matriz QFD (Quality Function Deployment)
El mtodo de la matriz QFD es una forma ordenada y eficiente de desarrollar la
informacin necesaria para entender el problema de diseo (Ullman, 2010) pg. 145.
Las funciones de la Matriz QFD son las siguientes: 1. Escuchar la voz de los clientes.
2. Desarrollar las especificaciones y objetivos para el producto.
3. Encontrar como las especificaciones miden los deseos de los clientes.
4. Medir que tan bien las competencias satisfacen el objetivo del proyecto.
5. Desarrollar tareas numricas hacia las cuales trabajar.
5.2. Clientes involucrados
Los mandantes son:
Clientes Ttulo
Rogelio Moreno Ingeniero Civil Mecnico,
M Sc. Dr. Ingeniera Mecnica.
Marcelo Paredes Ingeniero Civil Mecnico.
Juan Rebolledo Ingeniero Civil Mecnico.
Tabla 1. Clientes involucrados.
Desde un principio, se entiende que el proyecto est ordenado por las autoridades
del hospital base de Linares, sin embargo este proyecto tiene fines acadmicos y por
ende los clientes directamente relacionados con la licitacin son los docentes a cargo del
VII semestre especficamente el Mdulo de intercambio de energa con fluidos
compresibles, siendo estos clientes indirectos del proyecto.
5.3. Requerimientos y especificaciones de ingeniera
En base a lo entregado por clientes del proyecto (profesores) y junto con el uso de
informacin de proyectos anteriores ligados al diseo de una caldera, se logr obtener los
requerimientos, los cuales adems el grupo de trabajo genero especificaciones de
-
19
ingeniera para describir los requerimientos y necesidades de los mandantes, siendo
estos con parmetros de medicin, con el fin de fijar metas a seguir.
Aqu se puede apreciar que a cada requerimiento se le asigna como mnimo una
especificacin de ingeniera, ya que si no fuese as, (Ullman, 2010) pg. 159 dice: Si la
unidad de un parmetro de ingeniera no es encontrada, el parmetro no es medible y
debe ser renombrado.
La caldera debe utilizar como combustible chip hmedo
Porcentaje de humedad del combustible (%).
Abastecer los consumos de agua caliente y vapor de las diferentes secciones
del hospital
Consumo de vapor de las distintas dependencias del establecimiento (kgv/hr).
Alimentar caldera con agua potable de la ciudad de Linares
Turbiedad de agua de alimentacin (ppm).
Dureza total del agua (ppm).
PH del agua (PH).
Buena visibilidad en la lectura en los instrumentos de medicin
rea visible de los medidores de presin (m2).
rea visible de los medidores de temperatura (m2).
rea visible de los medidores de nivel de agua (m2).
rea visible de los medidores de solidos disueltos (m2).
rea visible de los medidores de flujo de masa (m2).
Minimizar el rea de operacin de la caldera y sus componentes
Ancho de la caldera (m).
Largo de la caldera (m).
Alto de la caldera (m).
Contar con orificios de registro de tamao y calidad
Cantidad de orificios de registro de tamao y calidad (N).
Evitar lo ms posible las prdidas de calor (referido a aislacin)
Rendimiento de la caldera (%).
Temperatura de los gases que van a la chimenea (C).
Evacuar seguramente los gases de la combustin
Altura de chimenea (m).
Dimetro de chimenea (m).
Soportar condiciones de uso
Presin mxima de trabajo (kg/cm2).
Temperatura mxima de trabajo (C).
Seguridad del sistema de generacin de vapor y redes de transporte
Cantidad de elementos de seguridad en el rea (N).
Distancia entre la caldera y las paredes del recinto (m).
Distancia libre sobre el elemento ms elevado de la caldera (m).
Cantidad de puertas de la caldera (N).
Fcil alimentacin de combustible a la caldera
Alto de la caldera (m).
-
20
Fcil acceso al interior de la caldera
Cantidad de personas necesaria para abrir la puerta (N).
Volumen requerido para ingresar una persona en la caldera (m3).
5.4. Matriz QFD
Se aprecia en la Figura 3, el ensamble final de la matriz QFD, donde se aprecia la
relacin de los requerimientos y especificaciones, dando lugar a una posterior
ponderacin entre estas dos y la importancia que estim cada cliente.
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14
Fcil alimentacin de combustible a la caldera
Seguridad del sistema de vapor y redes de transporte
Soportar condiciones de uso
Evacuar seguramente los gases de la combustin
Evitar lo ms posible las prdidas de calor (referido a aislacin)
Contar con orificios de registro de tamao y calidad
Fcil acceso al interior de la caldera
Minimizar el rea de operacin de la caldera y sus componentes
Buena visibilidad en la lectura en los instrumentos de medicin
Alimentar caldera con agua potable de la ciudad de Linares
Abastecer los consumos de agua caliente y vapor de las diferentes secciones del hospital
La caldera debe utilizar como combustible chip hmedo
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1.5 31.5 1.2
0.9511171 7 4 3 35
7 2360 3000
3.7
6 10
11.7
1.31.3 2.7
1.1
1.3
5.29.81.11.1 3.3 3.9 5.23.3 1.13.9 1.1 3.3
5.6 2
2.3 2.5
10
3.9
12 1 1.3
4.1 1.2 2.8
3.9
4
1.34.3 2.31.3
4.1
3.67.2
11.2 2.91.21.2 7
9.1
2
8
1.2
1 2.7
2.2
6.83.3
1.2 9.9 3.9 3.1 5.47.7 3.9
2.7
2.37.31.3
4.3 3.9
3.7 2.3
2.5
2.3 2
2.23.1
13
5
1
1
N
2.2
2
2.5
Figura 3. Matriz QFD.
-
21
6. CONSIDERACIONES DE DISEO
6.1. Agua para calderas
El tratamiento de agua de una caldera de vapor o agua caliente es fundamental
para asegurar una larga vida til libre de problemas operacionales, reparaciones de
importancia y accidentes.
Con el propsito de evitar problemas de corrosin e incrustaciones, es de vital
importancia emplear un tratamiento de agua para asegurar la calidad del agua de
alimentacin y del agua contenida en la caldera.
6.2. Problemas causados por las impurezas del agua
En la Tabla 2 se presentan los problemas y su descripcin:
Efecto en la caldera debido a impurezas en el agua
Problema Descripcin
Embancamiento El barro y el silicio mezclados con sales, se depositan en el fondo de la caldera, impidiendo la libre circulacin del agua.
Incrustaciones Costras duras producidas por sales de calcio y magnesio, se adhieren a las superficies y afectan la T.D.C al agua, provocan recalentamiento de tubos, provocando roturas y obstrucciones.
Corrosiones Deterioro en las superficies de la caldera, debido a la accin del oxgeno, anhdrido carbnico y sales. Adems tratamientos del agua mal aplicados (desincrustantes).
Arrastre Ocurre cuando el vapor de agua lleva partculas en suspensin, estas partculas llevan solidos disueltos, provocando problemas de funcionamiento.
Fragilidad Caustica
Se produce cuando el agua contiene hidrxido de sodio en exceso, generando fisuras en los tubos y elementos sometidos a esfuerzos mecnicos.
Tabla 2. Efecto en la caldera debido a impurezas en el agua de alimentacin.
6.3. Caractersticas de la calidad del agua segn Decreto Supremo N48
En base a lo descrito en el decreto N48 Aprueba reglamento de calderas y
generadores de vapor (Chile, 1984), se destaca en el artculo 16 ciertas prescripciones
que debe cumplir el agua que alimenta una caldera para el ptimo funcionamiento de
esta.
Las caractersticas del agua en relacin a su calidad son:
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22
Calidad del agua segn Decreto Supremo N48
1. La turbiedad del agua de alimentacin debe ser inferior a diez partes por milln (10 ppm).
2. La dureza total del agua debe ser inferior a treinta y cinco partes por milln (35 ppm).
3. No debe contener aceites ni substancias corrosivas.
4. El PH del agua no debe ser inferior a 7.
5. El condensado del vapor se puede reutilizar como agua de alimentacin siempre que no se encuentre contaminada con aceites o substancias corrosivas.
6. Si las incrustaciones en la superficie es de espesor superior a 30% del grosor de las paredes (seccin de mayor transmisin de calor), no debe entrar en funcionamiento hasta que se limpie, desincrustacin y
revisin de instalaciones ablandadoras, garantizando la entrega de agua blanda.
Tabla 3. Calidad del agua.
6.4. Caractersticas del agua de Linares
Extraccin de informacin del documento (Ortega, 2009), donde se realizaron
estudios del agua de capas subterrneas de pozos, zanjones y esteros, por lo tanto se
utiliz esta informacin para poder caracterizar el agua y tener en cuenta los valores
aproximados tanto de dureza, pH y turbiedad del agua.
A continuacin se muestra la Tabla 4 que resume los siguientes datos:
Caracterstica Valor
Dureza total 49.2 ppm
pH 7.04
Turbiedad 20 ppm Tabla 4. Caractersticas del agua de napas subterrneas en la ciudad de linares.
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23
6.5. Tratamiento recomendado segn Asociacin chilena de seguridad (ACHS)
El agua debe ser tratada de con el propsito de prevenir futuros problemas
causados por las impurezas, utilizndose algn procedimiento adecuado. Por lo tanto se
recomienda el tratamiento fsico que se describe de la siguiente manera segn (Pedro
Abarca Bahamondes, 2007):
Filtracin: Su objeto es extraer partculas grandes en suspensin. Se realiza
antes que el agua llegue a la caldera (externo). Los filtros pueden ser de mallas
(pequeas instalaciones) o de grava y arena.
Desaireacin: Tambin llamada desgasificacin. Consiste en extraer los gases
disueltos (oxgeno, anhdrido carbnico). Se consigue calentando el agua de alimentacin,
proporcionando una gran rea de contacto agua-aire (ducha o agitacin).
Extracciones o purgas: Consiste en evacuar cierta cantidad de agua desde el
fondo de la caldera o del domo, con objeto de disminuir o mantener la cantidad total de
slidos disueltos y extraer lodos (en el caso de purga de fondo). La extraccin puede ser
continua o intermitente. La magnitud de la extraccin depende de la concentracin de
slidos disueltos a mantener en la caldera y la del agua de alimentacin.
-
24
7. GENERACIN DE CONCEPTOS
El objetivo aqu es poder determinar un concepto que se adapte de mejor manera
a las condiciones de diseo de la caldera, para esto se realizarn dos tareas
fundamentales para poder entender la funcin que cumple el producto (caldera) y
posteriormente realizar una serie de evaluaciones a criterios que se encuentran en
comparacin.
7.1. Descomposicin funcional
Parte del diseo conceptual del proyecto es conocer lo que el producto debe
realizar, para ello se identifica la funcin general del producto como un sistema que utiliza
agua tratada con el propsito de generar vapor y agua caliente para las distintas
dependencias del hospital de Linares.
Para entender el funcionamiento del sistema generador de vapor y redes, se
realiza un diagrama de subfunciones, el cual se presenta en la Figura 4.
Figura 4. Descomposicin funcional del generador de vapor.
-
25
7.2. Tipo de caldera a disear
A continuacin se puede apreciar una serie de criterios que se consideraran para
poder tomar una decisin viable respecto al tipo de caldera que se disear. Las calderas
que se eligieron son del tipo compactas y escocesas. Los criterios que se escogieron
provienen del libro (Shield, 1973) y dan una informacin clara y especfica para tomar la
decisin.
En la Tabla 5 se aprecia los criterios seleccionados y su respectiva evaluacin.
Criterios Cadera tipo Compacta Caldera tipo Escocesa
Tipo de combustible
Solidos Lquidos, gaseosos y solidos
Presin de trabajo Baja presin (hasta 2 [kg/cm2]) Media presin (entre 2 y 10 [kg/ cm2])
Geometra Irregular Cilndrica
Volumen cmara de combustin
Amplio Reducido
Fcil limpieza Si No
Costo Econmico Econmico
Importancia del tratamiento de H2O
Alta Baja
Eficiencia Hasta un 80% Entre 75% a 80%
Tabla 5. Criterios para cada caldera.
El criterio Presin de trabajo que se observa en la tabla anterior, seala las
presiones a las que trabajan las calderas pre-seleccionadas. A primera vista se puede
pensar que no es un criterio significativo para la toma de decisin, pero existe en la
literatura de diseo y construccin de calderas antecedentes que muestran que se han
confeccionado calderas tipo Compactas que trabajan a las presiones de las tipo
Escocesa. Pero estos son casos particulares, realizados por empresas dedicadas al
rubro. Aun as, el equipo de trabajo lo consider para los criterios, ya que est informacin
es procedente de uno de los libros utilizados como gua para el desarrollo del proyecto
(Shield, 1973), siendo esto una buena prctica en el diseo.
Respecto al tipo de combustible, los dos tipos de caldera son aptos para el chip
de madera, sin embargo la presin de trabajo, da un valor claro a favor de la caldera
escocesa ya que la presin de trabajo dada corresponde a 7 kg/cm2.
-
26
La geometra de forma cilndrica reduce de manera considerable la presin
interna, paralelamente la estabilidad es mucho mayor gracias a su forma regular.
El volumen de la cmara de combustin es favorable para el tipo compacta,
debido a la gran masa de combustible, sin embargo esto se puede compensar con el
diseo de un ante-hogar.
Con respecto a la limpieza, la tipo compacta es mucho ms fcil realizar un aseo
dentro de esta ya que a diferencia de una tipo escocesa la cual posee superficies internas
que no tienen fcil acceso, especialmente las secciones que quedan abajo del fogn.
La importancia del tratamiento del agua, no es elevada para el tipo escocesa ya
que los precipitados, materiales en suspensin y fangos, se acumulan en el espacio que
queda debajo de fogn, la cual es una zona de movimiento relativamente escaso.
Para el ltimo criterio, la eficiencia es un valor muy importante ya que repercute
muy directamente con los costos, para ambos casos la eficiencia no supera el 80%.
Por lo tanto el grupo de trabajo tomo la decisin de disear una caldera del tipo
escocesa, ya que cumple con la mayora de los criterios descritos anteriormente, sin
embargo en el caso de la limpieza se debe recurrir a un servicio especializado en el aseo
de esta. En base a los criterios evaluados se puede asegurar que el diseo de la caldera
escocesa llevar a un producto ptimo.
-
27
8. REDES DE VAPOR
En esta seccin es importante considerar el clculo de las redes de vapor, ya que
son las encargadas de transportar el vapor generado en la caldera hasta los distintos
lugares en donde los procesos puedan requerir la energa que el vapor puede llegar a
ceder. Bsicamente el vapor es transportado a travs de caeras y que se clasifican de
distintas maneras.
Aqu se aplica directamente la mecnica de fluidos, transferencia de calor y
termodinmica, siendo estas las materias primarias para realizar el diseo y/o clculos
necesarios.
Parte fundamental del proceso de generacin de vapor es el abastecimiento de
agua a la caldera y posterior distribucin de vapor hacia las distintas reas de consumo.
8.1. Diagrama Lay-Out
Se muestra en la Figura 5 el esquema que permita visualizar la distribucin de los
elementos de la caldera y redes de vapor dentro de la sala de calderas.
Esterelizacin
Lavandera
Aliementacin
Agua Caliente
Man
ifo
ld
Chip
Intercambiador de calor
Intercambiador de calor
Radiador
Acumulador para agua caliente
sanitaria
Fosa para purga
Caldera
Ante-hogar
Transportador
Estanque de condensado
Estanque para tratamiento del agua
Agua fra
Agua caliente
Vapor
Retorno condensado
Combustible
Abastecimiento de agua
Figura 5. Diagrama Lay-Out preliminar del diseo.
-
28
8.2. Distribucin de vapor hacia las reas de consumo
Tal como se haba mencionado con anterioridad el sistema generador de vapor
debe cumplir con el abastecimiento de cinco reas funcionales del Hospital Carlos Ibez
del Campo, para ello el sistema de redes debe ser capaz de transportar vapor saturado o
agua caliente segn sea caso hacia las reas de consumo.
8.2.1. Dimensionamiento de la red
Existen diversos procedimientos para dimensionar las caeras de la red de vapor,
por lo que el equipo utilizara el mtodo de velocidad constante. Este mtodo relaciona el
dimetro mnimo terico (D) que debe tener la caera, la velocidad del vapor (V) y el
caudal volumtrico (Q) del vapor mediante la Ecuacin 1. presentada a continuacin:
Ecuacin 1.
Dnde: Q: Caudal volumtrico en (m3/h).
V: Velocidad mxima aconsejable en (m/s).
Teniendo en cuenta los caudales volumtricos de cada sector a abastecer en el
hospital y considerando que la velocidad mxima recomendable que puede llevar el vapor
para una presin absoluta de 8 kg/cm2 es de 40 m/s segn lo indica el Manual de
Instalaciones trmicas (Paredes Cinfuentes, 1980, pg. 34), entonces se obtienen los
dimetros mnimos tericos que debe poseer la caera, tal como se indican en la
Tabla 6.
Debido a que no se fabrican comercialmente caeras con las dimensiones
tericas solicitadas, se utiliza el manual aceros Otero (Aceros Otero, 2012) para identificar
las dimensiones reales de las caeras que se comercializan dentro del pas, las cuales se
detallan en la
Tabla 6.
El clculo de los caudales volumtricos se realiza detalladamente en el siguiente
punto, por mientras solo se presentan los valores en la
Tabla 6.
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29
rea de Consumo
Caudal Volumtrico
(m3/h)
Velocidad mx.
Aconsejable (m/s)
Dimetro min. Terico
de la caeria (m)
Dimetro min.
Comercial de la caera (m)
Dimetro N. comercial de
la caeria (Pulg.)
Red Principal 734.39 40.0 0.0806 0.09012 3
Esterilizacin 78.34 40.0 0.0263 0.03508 1
Lavandera 78.34 40.0 0.0263 0.03508 1
Alimentacin 73.44 40.0 0.0255 0.03508 1
Agua Caliente 68.54 40.0 0.0246 0.03608 1
Calefaccin 342.72 40.0 0.0550 0.06268 2
Tabla 6. Dimensionamiento caera.
Una vez dimensionada la red, se procede con la seleccin del tipo de caera que
conducir el vapor hacia los sectores de consumo, para ello se utiliza el manual aceros
otero (Aceros Otero, 2012) el cual recomienda utilizar una caera ASTM A106 grado B de
acero al carbono. Mayor informacin tcnica acerca de las caeras a utilizar se presenta
en la
Tabla 84.
8.2.2. Clculo de prdida de carga en red de vapor
El sistema de distribucin de vapor es un enlace importante entre la fuente
generadora de vapor y los sectores de consumo. Es por ello que se debe tener en cuenta
la perdida de energa cintica que presenta el vapor debido a la friccin de sus partculas
entre si y contra las paredes de la caera.
Existen prdidas de carga de tipo regulares, las cuales se deben a la friccin que
se genera en las tuberas, y prdidas de tipo singulares las cuales son ocasionadas por
todos aquellos accesorios de la red, tales como vlvulas, trampas de vapor, codos, ts,
etc.
8.2.2.1. Prdidas de carga regulares
Para el clculo de perdida de carga se deben conocer las siguientes variables:
Temperatura del vapor. Presin del vapor. Longitud del tramo de caera recta. Nmero y tipos de accesorios de la caera.
Dimetro de la caera.
Tipo de caera y rugosidad absoluta.
Caudal de trabajo.
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30
-
31
Considerando que en las redes de vapor se distribuye vapor saturado a presin
absoluta de 8 kg/cm2 y temperatura de saturacin de 169.6 C, segn lo indica la tabla
termodinmica de vapor saturado (Tabla 83) se obtienen las propiedades del vapor
saturado:
Densidad: = 4.085 (kg/m3).
Viscosidad cinemtica: = 3,589 x 10-6 (m2/s).
Al conocer la densidad del vapor saturado, esta es utilizada para obtener el caudal
volumtrico existente, el cual se rige por la Ecuacin 2..
Ecuacin 2.
Dnde: Q: Caudal volumtrico (m3/h)
Qm: Caudal msico en (kgv/h)
: Densidad del vapor en (kgv/m3)
Conociendo la ecuacin anterior, se calcula el caudal volumtrico para cada sector
de consumo, cuya informacin se presenta en la
Tabla 7 .
rea de consumo Caudal msico en
(kgv/h) Densidad del vapor
saturado en (kgv/m3) Caudal
Volumtrico
Red principal 3000 4.085 734.39
Esterilizacin 320 4.085 78.34
Lavandera 320 4.085 78.34
Alimentacin 300 4.085 73.44
Agua Caliente 280 4.085 68.54
Calefaccin 1400 4.085 342.72
Tabla 7. Caudal volumtrico del vapor.
Utilizando los valores del caudal volumtrico (Q) de vapor saturado y en conjunto
con los dimetros interiores comerciales (Dint) de las caeras, presentados anteriormente
en la Tabla 7, se puede calcular la velocidad mxima real que lleva el vapor en la caera,
la cual est dada por la Ecuacin 3.
Ecuacin 3.
-
32
Dnde:
: Velocidad real del vapor (m/s)
Q: Caudal volumtrico en (m3/h).
D: Dimetro interno de los tubos en (m).
Aplicando la ecuacin anterior a cada consumo, se muestra en la
Tabla 8, que el valor de la velocidad real se encuentra por debajo de los 40 m/s que debe
llevar el vapor saturado como mximo para la presin manomtrica de 7 kg/cm2.
rea de consumo Dimetro interior
de caera (m) Caudal volumtrico
(m3/h) Velocidad real del vapor (m/s)
Red principal 0.09012 734.39 31.981
Esterilizacin 0.03508 78.34 22.514
Lavandera 0.03508 78.34 22.514
Alimentacin 0.03508 73.44 21.107
Agua Caliente 0.03508 68.54 19.699
Calefaccin 0.06268 342.72 30.852
Tabla 8. Velocidad real del vapor.
Al obtener los datos de la velocidad del vapor saturado, la viscosidad cinemtica y
el dimetro de la caera, estos se utilizan para calcular el nmero de Reynolds ( ). Este
se encuentra definido a continuacin por la Ecuacin 4.
Ecuacin 4.
Dnde:
V: Velocidad del vapor saturado en (m/s).
D: Dimetro interior de caera (m).
: Viscosidad cinemtica en (m2/s).
El nmero de Reynolds permite conocer si el vapor posee un rgimen laminar (
< 2300), un flujo turbulento ( > 2300) o un flujo critico en caso de que = 2300. A
continuacin en la
Tabla 9, se conoce el nmero de Reynolds para cada tramo de caera por donde circula
el vapor saturado y su respectivo tipo de flujo.
-
33
-
34
rea de consumo
Dimetro interior de
caera (m)
Velocidad real del vapor en
(m/s)
Viscosidad Cinemtica
en (m2/s)
Nmero de Reynolds
(adimensional)
Rgimen del Vapor
Red principal 0.09012 31.981 3.589*10-6 803049.230 Turbulento
Esterilizacin 0.03508 22.514 3.589*10-6 220055.634 Turbulento
Lavandera 0.03508 22.514 3.589*10-6 220055.634 Turbulento
Alimentacin 0.03508 21.107 3.589*10-6 206302.157 Turbulento
Agua Caliente 0.03508 19.699 3.589*10-6 192548.680 Turbulento
Calefaccin 0.06268 30.852 3.589*10-6 538816.823 Turbulento
Tabla 9. Propiedades del rgimen del vapor.
Al considerar que el tipo de caera es un acero comercial (nuevo) entonces se
obtiene de la
Tabla 84, el valor del coeficiente de rugosidad absoluta de la caera ( ), el
cual permite obtener la rugosidad relativa segn el dimetro de la caera, como se
muestra en la
Tabla 10.
rea de consumo
Dimetro interior de
caera (mm)
Rugosidad absoluta
(mm)
Rugosidad relativa
/D
Red principal 90.12 0.045 0.000499
Esterilizacin 35.08 0.045 0.001283
Lavandera 35.08 0.045 0.001283
Alimentacin 35.08 0.045 0.001283
Agua Caliente 35.08 0.045 0.001283
Calefaccin 62.68 0.045 0.000718
Tabla 10. Caractersticas de la caera.
Parte de los datos necesarios para el clculo de perdida de carga debida a la
friccin, es encontrar el factor de Darcy o factor de friccin (), para ello se utiliza la
Ecuacin 5 de White-Colebrook. Esta ecuacin relaciona el factor de friccin con los
parmetros de los que depende el mismo factor (Nmero de Reynolds y rugosidad relativa
(/D).
[
]
Ecuacin 5.
Dnde: f: Factor de Darcy (adimensional).
: Rugosidad absoluta en (mm).
-
35
D: Dimetro interno en (m).
: Nmero de Reynolds (adimensional).
Debido a que la Ecuacin 5 es de tipo implcita, entonces se utiliza el diagrama de
Moody (ver Figura 73) para identificar el valor del factor de friccin, obteniendo los
factores sealados en la
Tabla 11.
Luego de obtener los datos de inters se utiliza la Ecuacin 6 de Darcy
Weisbach, con la cual se calcula la perdida de carga de tipo regular que tiene el vapor
debido a la friccin existente. Aqu se relaciona la prdida de carga (h) con el factor de
Darcy, la longitud y dimetro de la caera, la velocidad real del vapor y la aceleracin de
gravedad.
Ecuacin 6.
Dnde: f: Factor de Darcy (adimensional).
L: Largo de la caera (m).
D: Dimetro interno en (m).
V: Velocidad real del vapor en (m/s).
Considerando la aceleracin de gravedad es 9.81 m/s2, se presenta en la
Tabla 11, la perdida de carga regular en cada tramo de caera, segn los datos
recopilados previamente.
rea de consumo
Longitud de la
tubera (m)
Dimetro interior de
caera (m)
Factor de Darcy
Velocidad del vapor
(m/s)
Perdida de carga regular (debido a la
friccin) bar
Red principal 3 0.09012 0.017 31.981 0.0118
Esterilizacin 22 0.03508 0.021 22.514 0.1363
Lavandera 35 0.03508 0.021 22.514 0.2169
Alimentacin 15 0.03508 0.022 21.107 0.0856
Agua Caliente 40 0.03508 0.022 19.699 0.1988
Calefaccin 18 0.06268 0.019 30.852 0.1061
Tabla 11. Prdidas de carga regular.
-
36
8.2.2.2. Prdidas de carga singulares.
Como se ha mencionado anteriormente, todos aquellos accesorios que son parte
de la red de vapor (codos, vlvulas, ts, trampa de vapor, etc.) implican una prdida de
carga a lo largo de la red.
Para el clculo de este tipo de prdidas se utilizar el mtodo de longitud
equivalente, donde se considera que la perdida de carga producida por un accesorio de la
red, es equivalente a la perdida de carga que causa un tramo de caera ficticio con
dimetro igual al del accesorio.
El largo ficticio de la caera es obtenido a partir de la relacin entre un factor
numrico (F) y el dimetro (D) de la caera. Este factor se presenta en la Tabla 85, y es
relacionado mediante la Ecuacin 7.
Ecuacin 7.
Dnde: F: Factor numrico (adimensional).
D: Dimetro interno de la caera en (m).
Considerando los accesorios a utilizar se presenta en la
Tabla 12, las prdidas de carga singulares que tiene cada tramo de la red de vapor.
rea de consumo
Dimetro interior de
caera (m)
Codo (90) F = 20
(unidad)
Tee F = 60
(unidad)
Vlvula esfera F = 3
(unidad)
Largo ficticio
(m)
Prdida de carga
singular (bar)
Red principal 0.09012 3 0 1 5.678 0.0224
Esterilizacin 0.03508 6 1 1 6.420 0.0398
Lavandera 0.03508 5 1 1 5.718 0.0354
Alimentacin 0.03508 3 1 1 4.315 0.0246
Agua Caliente 0.03508 6 1 1 6.420 0.0319
Calefaccin 0.06268 8 1 1 13.978 0.0824
Tabla 12. Prdidas de carga singulares.
Una vez conocida las prdidas de carga regular y singular que se generan en la
red de vapor, mediante la suma de estas es posible calcular la perdida de carga total,
cuyos valores se muestran en la
Tabla 13.
-
37
rea de consumo Prdida de carga total
(bar)
Red principal 0.034
Esterilizacin 0.176
Lavandera 0.252
Alimentacin 0.110
Agua Caliente 0.231
Calefaccin 0.188
Tabla 13. Prdidas de carga total.
8.2.2.3. Perdida de carga generada por el manifold.
Uno de los accesorios que debe tener la red de vapor para distribuir el vapor que
viene por la red principal hacia los distintos consumos es el manifold. Este accesorio
genera una prdida de carga que se incluye a las prdidas calculadas en la
Tabla 13. Para el clculo de esta prdida de carga se considera la Ecuacin 8
mostrada a continuacin, la cual representa la perdida que genera la entrada y posteriores
salidas del manifold.
Ecuacin 8.
Dnde: : Perdida de carga de una pieza o accesorio. (mcv)
K: Coeficiente de proporcionalidad, (K=1 para la entrada y K= 0,5
para cada salida del manifold).
V: Velocidad de escurrimiento. (m/s).
g: Aceleracin de gravedad (9,81 m/s2).
Remplazando los datos pertinentes de cada situacin en la Ecuacin 8, se obtiene
las perdidas de carga proporcionada por la entrada y cada salida del manifold.
rea de consumo K
(Adim) Velocidad del vapor (m/s)
Perdida de carga (mcv)
Prdida de carga (bar)
Red principal 1.0 31.98 52.13 0.0209
Esterilizacin 0.5 22.51 12.92 0.0052
Lavandera 0.5 22.51 12.92 0.0052
Alimentacin 0.5 21.11 11.35 0.0045
Agua Caliente 0.5 19.70 9.89 0.0040
Calefaccin 0.5 30.85 24.26 0.0097 Tabla 14. Perdidas de carga en el manifold.
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38
De la Tabla 14, se encuentra que la perdida de carga total que se genera en el
manifold es la de la entrada (Red Principal) mas la mayor de la salida (calefaccin),
alcanzando un valor de 0,0306 (Bar).
8.3. Aislacin trmica de las caeras
La idea del diseo de la red de vapor es transportar la energa producida en el
generador de vapor hacia los sectores de consumo, para ello se debe tener en cuenta que
las prdidas energticas durante el transporte deben ser mnimas, y con la mnima
inversin posible en la instalacin de la red. Adems a la hora de seleccionar el tipo de
aislante se debe considerar que este proporcione un ambiente de confort y seguridad para
los operarios.
8.3.1. Seleccin de material aislante.
En base al Catlogo Volcn (Volcan, 2009) el equipo opta por utilizar lana
mineral, la cual es fabricada por la empresa Volcn, y el tipo de aislacin se denomina
cao pre-moldeado de lana mineral Aslan. La apariencia de este tipo de aislante se
presenta en la Figura 6.
Figura 6. Cao Pre moldeado1
Entre las caractersticas que tiene el material se desea conocer la conductividad
trmica de este, para ello se ensaya con productos a temperatura ambiente de 20 C y en
base a sus densidades aparentes para cada producto se tienen las conductividades
presentadas en la
Tabla 15.
1 Figura de referencia obtenida catlogo Volcan
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39
Densidad Aparente (kg / m3)
Conductividad trmica (W / mC)
40 0.042
80 0.038
100 0.039
120 0.043
Tabla 15. Caractersticas de tubera. Fuente: Catlogo Volcn.
El comportamiento de la conductividad trmica en funcin de la de la densidad
aparente se muestra en la Figura 7, la cual refleja una relacin parablica con valor
mnimo de la conductividad de 0,038 W/mC y esto ocurre cuando la densidad es de 80
kg/m3.
Figura 7. Densidad aparente vs coeficiente de conductividad trmica2
Por lo tanto las caractersticas del aislante a utilizar son:
Material aislante: Lana mineral.
Conductividad del material: k = 0,038 W/mC.
Densidad media aparente: 80 kg/m3
Material no combustible (Certificado por el fabricante).
Punto de fusin: 1090 C.
2 Fuente: catlogo Volcan
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40
8.3.1.1. Clculo de prdidas de calor.
Para el clculo de las prdidas de calor que se generan en la red de vapor, se
considera la seccin transversal de la caera, la cual dispondr de una capa interior de
acero y una capa exterior de aislante. En el interior de la caera se encuentra el vapor
saturado como se muestra en la Figura 8, mientras que el condensado se desprecia
debido a que el sistema se encuentra aislado y en caso de generarse condensado, la red
cuenta con sistemas de evacuacin de condensado.
Los datos necesarios para el clculo de las prdidas de calor son:
Temperatura del vapor al interior de la caera: T1 = 169.6 C.
Temperatura medio ambiente: