diseÑo del calentamiento de una piscina
TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA
FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIAS FISICAS Y FORMALES
PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA Y MECATRONICA
CURSO:DISEÑO DE PLANTAS INDUSTRIALES II
TEMA:
Diseño de un sistema de calentamiento de una piscina olímpica de José Luis Bustamante y Rivero
ING. CARLOS GORDILLO ANDÍA M.Sc.
AREQUIPA – PERU
2012
FUNDAMENTO TECNICO
1. Conceptos básicos
1.1. Concepto de vapor
Como otras sustancias, el agua puede estar en estado sólido, llamado hielo, en
estado líquido, que es cuando la llamamos agua, 0 como gas, llamado vapor. Si se
añade calor al agua, su temperatura aumenta hasta que alcanza un valor a partir del
cual ya no puede subsistir como líquido. A este valor 10 llamamos "punto de
saturación". Cualquier nueva adición de energía provoca que parte del agua hierva y
se convierta en vapor.
Esta evaporación requiere cantidades de energía relativamente importantes y
mientras esta se esta añadiendo, el agua y el vapor formado permanecen a la misma
temperatura. Igualmente, si conseguimos que el vapor libere la energía que se
añadió cuando se forma, condensara y se formara agua a la misma temperatura.
El vapor, se ha convertido en una flexible y versátil herramienta para la industria
cuando esta necesita algún tipo de calefacción. ¿Por qué? Sencillamente, porque el
vapor se produce evaporando agua que es relativamente barata y accesible en gran
parte del mundo.
Su temperatura se puede ajustar con mucha precisión controlando la presión
mediante el uso de válvulas muy simples; transporta cantidades de energía
relativamente importantes con poca masa y cuando vuelve a convertirse en agua
cede cantidades notables de energía que se transmiten al medio que está calentando.
1.2. Producción de vapor
Cualquier adici6n de calor al agua hará aumentar su temperatura, hasta que se
alcancen los 100 °C. Cualquier aumento adicional de entalpia hace que el agua no
pueda seguir manteniéndose en fase Iíquida y una parte hierva convirtiéndose en
vapor.
La entalpia total retenida por cada Kg. de agua líquida a la temperatura de ebullición
se llama "Entalpía específica del agua saturada" y se designa con el símbolo "hf'.
La entalpía adicional necesaria para convertir 1 Kg. de agua en vapor se llama
"Entalpía específica de evaporaci6n" y se designa con el símbolo
La entalpía total de cada Kg. de ·vapor es la suma de las dos anteriores. Se llama
"Entalpía específica del vapor" y se designa con el símbolo "hg". Está claro que:
hf + hfg = hg
Cuando al Kg. de agua a la temperatura de 100°C, se le ha añadido toda la Entalpía
Específica de evaporación, el agua se habrá convertido totalmente en vapor a la
presión atmosférica. Su volumen será mayor que el del agua líquida. El factor de
multiplicación es 11673 y claramente las moléculas del agua líquida se mantienen
mucho más próximas que las moléculas del vapor. Se puede pensar en que el
proceso de evaporación, consiste en añadir suficiente energía para que cada
molécula pueda vencer la fuerza de cohesión que la mantiene próxima a sus vecinas
con lo que abandonará el líquido y se moverá libremente en fase de gas.
1.3. Terminología y unidades
ENTALPÍA
Es el término utilizado para designar la energía total, debida a la presión y a
la temperatura, de un fluido, líquido o vapor (tales como el agua y el vapor
de agua), en cualquier momento y condición dados. La unidad básica de
medida de cualquier tipo de energía es el joule.
ENTALPÍA ESPECÍFICA
Es la entalpía (energía total) de una unidad de masa (1 Kg.)
Se debe recordar que lo que se acaba de definir como Entalpía se definía
antiguamente como Calor Total, el cual era la suma de Calor Sensible y del
calor Latente (equivalentes a la Entalpía del agua y a la Entalpía de
evaporación que definimos a continuación).
ENTALPÍA DE AGUA SATURADA
El punto de partida en las tablas de vapor es agua a O °C, valor al que se
supone que el contenido calorífico es cero para cualquier propósito. (El calor
absoluto contenido sería considerable si tomáramos como calor cero el del
cero absoluto, equivalente a -273°C). La entalpía específica del agua
saturada a 100 °C es por tanto 100 x 4.186 = 418,6 KJ.
ENTALPIA DE EVAPORACIÓN
Cuando el agua ha alcanzado los 100°C, se continúa transfiriendo calor de la
caldera al agua pero la temperatura no sigue aumentando. El calor adicional
se usa para vaporizar el agua y convertirla en vapor. La Entalpía que produce
un cambio de estado de líquido a gas sin variación de temperatura se llama
"Entalpía de evaporación".
ENTALPIA DEL VAPOR SATURADO
Hemos visto que el vapor generado en una caldera contiene una entalpía que
es la suma de otras dos. Esta suma de entalpías se conoce como "Entalpía del
vapor saturado".
CAPACIDAD CALORIFICA ESPECÍFICA
Es la medida de la capacidad que posee una substancia para absorber calor y
se define como la cantidad de energía (joules) requerida para aumentar 1 °C
a 1 Kg. de esa substancia. Se expresa en KJ/Kg. 0c. La capacidad calorífica
específica del agua es de 4,186 KJ/Kg. 0c. Significa que un aumento de
entalpía de 4,186 KJ hará aumentar en 1°C la temperatura de 1 Kg. de agua.
1.4. Presión y volumen del vapor
A la situación teórica de vado perfecto o ausencia total de presión se le llama "cero
absoluto". Presión absoluta es la ejercida por encima de este cero absoluto.
La presión manométrica es ~a que se lee en un manómetro estándar instalado en el
sistema. Puesto que esta presión es la existente por encima de la atmosférica, el cero
del dial del manómetro es equivalente a unos 1,013 bar abs.
Ya hemos mencionado el término presión atmosférica. Es simplemente la presión
que ejerce la atmósfera terrestre sobre todas las cosas y en todas direcciones. La
unidad de presión en el sistema internacional (SI) es el bar (1 bar = 100 kpa). La
presión ejercida por la atmósfera cuando el agua está hirviendo a 100 0(, es de
1,01325 bar. Es un valor tan próximo a 1 bar, que la aproximación es suficiente en
la mayor parte de casos prácticos.
El volumen ocupado por una masa dada de vapor depende de su presión. A la
presión atmosférica, 1 Kg. de vapor ocupa unos 1,673 m3. A la presión de 10 bar
abs, el mismo Kg. de vapor sólo ocupa 0,1943 m3. El volumen de 1 Kg. de vapor a
una presión dada es su volumen específico (Vg). El volumen ocupado por una
unidad de masa de vapor disminuye cuando la presión aumenta.
1.5. Calidad de vapor
VAPOR SECO Y VAPOR HÚMEDO
"Vapor saturado seco" es un vapor que ha sido evaporado completamente, es
decir, no contiene gotas de agua líquida; es importante que el vapor utilizado
para procesos o calefacción sea lo más seco posible. La calidad del vapor se
describe mediante su "fracción seca", que es la proporción de vapor
completamente seco presente en el vapor considerado. El vapor se llama
"húmedo", si contiene gotas de agua en suspensión que no transportan
entalpía específica de evaporación.
VAPOR SOBRECALENTADO
Si la transferencia de calor continúa después que se ha evaporado toda el
agua, la temperatura del vapor seguirá aumentando.
En estos casos el vapor se llama "sobrecalentado" entendiéndose como tal al
vapor que se encuentra a cualquier temperatura por encima de la del vapor
saturado a la presión correspondiente. El vapor sobrecalentado es el que se
utiliza habitualmente para potencia, mientras que el vapor saturado es ideal
para aplicaciones de proceso y calefacción.
1.6. Generación del vapor
La energía química contenida en el carbón, gas u otro combustible de caldera se
convierte en energía calorífica al quemarse éstos.
Esta energía calorífica se transmite a través de las paredes del hogar de la caldera
hasta el agua. Mediante la adición de esta energía calorífica la temperatura del agua
aumenta y cuando alcanza el punto de saturación, hierve.
Cuanto mayor sea la temperatura inicial del agua en la caldera, menor entalpía será
necesaria para llevarla al punto de saturación y, por consiguiente, será necesario
quemar menos cantidad de combustible. Ya tenemos el agua a 100°C. Si en nuestra
caldera continuamos transfiriendo calor al agua, la entalpía adicional producida por
esta transferencia no provoca un aumento de la temperatura del agua, sino que la
evapora; convirtiéndola en vapor.
Al generarse vapor queda comprimido y ejerce una presión en todo lo que le rodea,
incluida la superficie del agua, aumenta la temperatura del agua saturada puesto que
las moléculas necesitan más energía para abandonar la superficie.
i) Cuando la presión del vapor aumenta:
La entalpía del vapor saturado aumenta ligeramente.
La entalpía del agua saturada aumenta.
La entalpía de evaporación disminuye.
ii) Cuando la presión del vapor disminuye:
La entalpía del vapor saturado disminuye ligeramente.
La entalpía del agua saturada disminuye.
La entalpía de evaporación aumenta,
2. Generadores de vapor
2.1. Teoría básica de calderos
El generador de vapor moderno está constituido por un conjunto integrado de
diferentes componentes cuya finalidad es aprovechar lo mejor posible el calor
brindado por su combustible para hacer posible la conversión del agua en vapor,
elemento de primordial importancia en el campo industrial por sus múltiples
aplicaciones.
Un caldero generador de vapor es un recipiente cerrado de transferencia de calor
destinado a producir vapor de agua generalmente a mayor presión que la
atmosférica absorbiendo el calor que desarrolla la combustión al interior del hogar.
2.2. Clasificación de un caldero
Existen diversas maneras de realizar una clasificación de calderos, así, ya sea por
disposición de los fluidos y su circulación, el mecanismo de transmisión de calor
dominante, el tipo de combustible empleado, la presión de trabajo, el tiro, el modo
de operación y parámetros exteriores del caldero ligados a la implantación,
ubicación, lugar de montaje y aspectos estructurales.
2.2.1. De acuerdo a la presión de trabajo
a) De Presión Alta.- Utilizados básicamente en la generación de potencia,
presión de trabajo superior a 64 kg/cm2 (62.7 bar)
b) De Presión Media.- Usados en procesos industriales en pequeñas plantas
cuya presión de trabajo está entre 20 y 64 Kg/cm2 (19.6 y 62.7 bar).
c) De Presión Baja.- Usados en procesos industriales en pequeñas plantas de
generación de potencia con una presión de trabajo inferior a 20 Kg/cm2 (19.6
bar)
2.2.2. Por la posición de los gases y el agua
PIROTUBULARES
Donde los gases, producto de la combustión, fluyen por el interior de los
tubos calefactores, mientras que el agua por el exterior de estos: todo esto
contenido en una carcasa,
Este tipo de calderos no se pueden equipar fácilmente con recalentadores y
por ende se imitan a la generación de vapor
ACUOTUBULARES
Aquí los gases van por el exterior de los tubos, por lo tanto el agua va por el
interior de los tubos, todo esto contenido en el interior de una carcasa, estos
tipos de calderos los podemos clasificar en:
De Tubos Rectos: Todos los tubos son de igual longitud.
De Tubos Doblados: Son más baratos; el acceso a los tubos es más difícil;
más amplitud de los tabiques deflectores de los gases calientes.
2.2.3. Por la posición y forma de los tubos
Posición de los tubos
Verticales
Horizontales
Inclinados
Forma de los tubos
Rectos
Curvados
2.2.4. Por el servicio prestado
Fijos
Portátiles
2.2.5. Por otras formas
Por la circulación del agua
De circulación natural.
De circulación asistida.
De circulación forzada.
Por el mecanismo de transmisión de calor
De convección.
De radiación.
De radiación y convección.
Por el combustible empleado
De carbón mineral
De combustibles gaseosos
De combustibles especiales
De recuperación de calor de gases
Mixtos y Nucleares.
2.3. Partes y componentes de un caldero
En líneas generales en una caldera se distinguen las siguientes grandes partes:
a) El hogar con su parrilla (para combustibles sólidos, cenicero y altar), cámara
de combustión (donde actúa el quemador), aquí se produce el fenómeno de
la combustión y se transfiere calor por radiación.
b) La caldera propiamente dicha, compuesta de un cuerpo cilíndrico de chapa
de acero herméticamente cerrado y expuesto a la acción de las llamas y
gases calientes, es aquí donde se transfiere calor por convección. Sus
elementos principales lo constituyen: La cámara de agua, cámara de vapor,
la superficie de calefacción y la superficie de vaporización.
c) El conducto de humos y chimenea que conduce a los productos de la
combustión desde el hogar hasta el exterior de la chimenea, donde se
manifiesta el tiro.
d) Instrumentos y Controladores (se considera también a los accesorios), estos
elementos permiten tomar el control de operación de caldero para obtener el
vapor según las características y cantidades deseadas alcanzando mayores
niveles de eficiencia.
2.4. Combustibles para el funcionamiento de calderos
Combustible industrial es aquel elemento o sustancia que al quemarse en
condiciones controladas, produce energía térmica aprovechable con fines
industriales.
En este punto presentaremos las características principales del DIESEL 2 y el GLP
ya que en la propuesta del capítulo V se contempla la utilización de este último
como combustible para los calderos, por tener mejores ventajas.
Los combustibles líquidos derivados del petróleo tienen muchas ventajas sobre los
combustibles sólidos porque son fáciles de manipular, permiten mejores
condiciones de combustión y pocos problemas respecto a cenizas y contaminación
ambiental.
COMBUSTIBLES DESTILADOS Y RESIDUALES
Los combustibles líquidos derivados del petróleo que se emplean a nivel industrial,
básicamente están constituidos por los destilados más pesados y por los residuales
que salen por el fondo de la columna de destilación. En la siguiente tabla se
encuentran algunas de las características más importantes de los derivados del
petróleo.
2.5. Características del combustible diesel 2
Aunque una gran proporción de su producción se consume en el sector transportes,
también se utiliza en usos industriales, cuando por el tamaño y capacidad de los
equipos o por condicionantes del proceso mismo, no resulta posible o conveniente
utilizar combustibles residuales.
No requiere calentamiento previo para ser bombeado, ni para su atomización
Por ser un producto destilado, es un combustible limpio, con mínimo
contenido de cenizas, sin humedad ni sedimentos y bajo contenido de azufre.
Su poder calorífico expresado en función del volumen es menor que el de los
combustibles residuales.
2.6. Características del gas licuado de petróleo
Es una mezcla de Hidrocarburos esencialmente propano y butano saturados a
temperatura ambiente y presión atmosférica. La comercialización se efectúa en
estado líquido por aplicación de una presión moderada a temperatura ambiente.
Nombre comercial: GLP
Usos:
Hogar: Cocinas, calentadores de agua, secadoras de ropa e incineradores.
Industria: Hornos y Calderos. En la industria mecánica es irremplazable para
el corte y soldadura de metales.
Granjas y Haciendas
Transporte
Ventajas: Combustible de elevado poder calorífico y bajo contenido de Azufre en
comparación del diesel 2. Combustión limpia sin formación de hollín y cenizas.
Seguridad:
Tóxico por inhalación, no puede ser observado pero si puede percibirse por
el olfato
Muy inflamable ( Temperatura de auto ignición 3360 C)
Riesgo de incendio y explosión.
Precauciones de Transporte: Norma lATA (etiqueta roja) No se acepta en
aviones de pasajeros.
RESERVAS DE GLP
Como resultado de los estudios realizados por PETROPERÚ S.A. sobre los
yacimientos de Camisea, se ha determinado que las reservas probadas ascienden a
6,1 x 1012 pies cúbicos (PCS) de gas natural y 405 MMB de líquidos de gas natural
(LGN).EI aprovechamiento de esta riqueza natural supone la instalación de
unidades para producir productos de uso final que serán combustibles (gas seco),
GLP (mezcla propano - butano) gasolina, kerosene y en menor proporción diesel.
De acuerdo al· balance de producción, la demanda de los productos líquidos
muestra diferencias previniéndose que habrán excedentes de GLP que no será
posible colocar en el mercado nacional contemplándose el uso de estos productos
para su uso en la macro región del Sur del Perú
POTENCIA DL MERCADO INDUSTRIAL
El diesel que se utiliza en calderos y hornos pueden sustituirse gradualmente por
GLP en el corto plazo ya que sus consumidores actuando racionalmente
comprenderán las ventajas económicas del cambio, tanto por razones del precio del
producto como por reducción del costo de mantenimiento de sus equipos. A
diferencia de lo que ocurre en Lima, en esta zona del país no se usa petróleo residual
por no distribuirlo en las plantas debido al clima frígido que originaría un mayor
costo de precalentamiento.
PRODUCCION DE GAS LICUADO DE PETRÓLEO
Fuentes de Producción:
Se tiene:
1. A partir del gas natural
2. A partir del petróleo crudo
1. A partir del gas natural
a. Por refrigeración externa.
Sistema de separación a baja temperatura. Sistema de
estabilización.
Sistema de recompresión.
Sistema de refrigeración.
b. Por turbo expansión.
Sistema de separación a baja temperatura. Sistema de
estabilización.
Sistema de recompresión.
Sistema de refrigeración.
2. A partir del petróleo crudo
Esta se obtiene a partir del proceso de craqueo catalítico.
3. Sistema de tratamiento de agua
3.1. Características del agua antes de ser tratada
El agua natural a simple vista puede parecer pura y limpia, pero sometida a un
análisis químico, siempre se encontrará impurezas que resultan indeseables en el
agua de alimentación a un caldero.
Consideremos las diferentes impurezas que contiene el agua, las mismas que son de
múltiples formas y características y pueden ser divididas de la siguiente manera:
a) Sales Minerales en Solución: Estas consisten en bicarbonatos, sulfatos,
cloruros, nitratos en forma de calcio, magnesio, sodio o potasio.
b) Sólidos en Suspensión o Turbidez: Así como la arena, óxidos de hierro,
arcilla o grava, tierras de infusorios, etc.
c) Gases Disueltos: Como el oxígeno, dióxido de carbono, el nitrógeno, el
sulfuro de hidrógeno, metano, etc.
d) Materia Orgánica: Como microorganismos de tipo animal y vegetal,
aceites, aguas servidas, etc.
3.2. Objetivos del tratamiento de agua
Como se ha mencionado, el agua que servirá como alimentación para su
calentamiento o la producción de vapor en calderos, deberá recibir un del proceso
que empleará el agua caliente o el vapor producido. Los objetivos del tratamiento se
orientan precisamente a evitar las consecuencias de la presencia de las impurezas
mencionadas y son los siguientes:
Evitar incrustaciones en las superficies de transferencia de calor en el interior
del caldero.
Evitar la corrosión y picaduras por gases disueltos y ácidos.
Evitar el arrastre.
Evitar la fragilidad cáustica.
3.3. Técnicas de tratamiento de agua
a) Clarificación y Sedimentación.- El primer paso en el tratamiento de agua natural
para ser empleada en calderos, consiste en eliminar material que se mantiene en
suspensión, permitiendo que se deposite por gravedad en pozas de clarificación y
sedimentación.
Para remover estas finas partículas (generalmente sustancias coloidales) se usa
floculantes. Los floculantes más comúnmente utilizados son sales de hierro¡ y
aluminio¡ tales como cloruro férrico¡ sulfato férrico¡ sulfatos de aluminio y
aluminato sódico. También se emplean polímeros orgánicos y algunos tipos
especiales de arcilla.
b) Descarbonatación.- Utilizado para reducir la dureza del aguar la Alcalinidad y en
algunos casos el contenido de sílice. Consiste en añadir ciertos reactivos químicos
para que reaccionen con minerales disueltos en el aguar dando lugar a compuestos
relativamente insolubles.
El carbonato de sodio es usado para reducir la llamada dureza permanente,
constituida por sales diferentes a los bicarbonatos (sulfatos, cloruros, fosfato, etc.).
El lodo resultante de la reacción cal-soda puede ser removido por precipitación y
filtración. El sulfato y cloruro de sodio resultante es muy soluble y no forma
incrustaciones.
c) Desmineralización.- El agua descarbonatada, clara, limpia, y Aparentemente
pura, todavía contiene una gran variedad de sales disueltas, las cuales son
parcialmente separadas por partículas con cargas eléctricas llamadas iones, es decir,
se ionizan.
Los intercambiadores de cationes son regenerados con cloruro de sodio o ácidos
como el sulfúrico, clorhídrico, etc.
d) Desaireación y tratamiento químico.- El oxígeno disuelto es removido por debajo
de 0.007 ppm por calentamiento de agua con vapor y adición de sulfito de sodio.
También se utiliza la hidracina con este fin.
3.4. Tratamiento interno del agua en el caldero
Específicamente el tratamiento del agua interna prevé:
Productos químicos que reaccionan con la dureza agua del agua de
alimentación y previene la formación de incru5taciones de metal
Acondicionarse de Iodos sintéticos o naturales para prevenir que los sólidos
suspendidos se depositen en el metal
Antiespumantes para prevenir e~ arrastre.
Reactivos para la eliminación de oxígeno y prevenir corrosión
Entre los reactivos utilizados para el tratamiento interno del agua tenemos fosfatos y
polímeros
4. Sistema de distribución
4.1. Consideraciones generales para el sistema de distribución
4.1.1. Presión de generación y utilización
En instalaciones consumidoras de vapor medianas y pequeñas, existe cierta
tendencia a distribuir y utilizar el vapor a la presión de generación en caldera
o cercana a ella. En instalaciones grandes de proceso suelen emplearse dos o
más niveles de presión de distribución. Las presiones altas corresponden
generalmente a vapor recalentado, empleado para el accionamiento de
turbinas de vapor, bien para generación de energía eléctrica o bien conectadas
a bombas o compresores. Las presiones medias, en este caso, se obtienen con
vapor recalentado o no, según procedan de extracción de turbinas o
laminación a partir de presiones superiores. Las presiones bajas se utilizan
para calentamiento de proceso a temperaturas moderadas o calefacción.
En la tabla de características del vapor de agua se puede ver lo siguiente:
El calor sensible del vapor saturado aumenta considerablemente al
aumentar la presión.
El calor latente del vapor saturado disminuye al aumentar la presión
(hasta llegar al punto crítico) y viceversa.
En general, se puede decir que se economiza energía, generando y usando el
vapor a la menor presión posible compatible con las necesidades del proceso.
Esto a su vez, provocará menos pérdidas de calor y problemas por
revalorización en las líneas y depósitos de recolección de condensado.
El generar vapor a la más alta presión posible, permite obtener los siguientes
beneficios:
Al ser mayor el peso específico, disminuye el diámetro de las tuberías,
y en consecuencia los costos de la misma, accesorios, soportes,
aislamientos, etc.
Se produce menor condensación en las redes de distribución,
evitándose los problemas inherentes a la misma.
Se transporta más energía por unidad de masa, al ser mayor la entalpía.
Disminuyen los costos de transporte por unidad de entalpía
transportada.
Se aconseja, por lo tanto, generar y transportar a mayor presión y utilizar a la
menor presión posible. Cuanto más grande sea la instalación, mayor será la
repercusión de la elección de presión de transporte sobre el costo total de la
red de distribución.
4.1.2. Reducción de la presión de trabajo del vapor
La elección de los niveles de presión del vapor de distribución de la planta
industrial debe, por lo tanto, ser realizada teniendo en cuenta distintos
factores: inversión en tuberías y aislamiento, superficies de intercambio en los
equipos, temperatura de los procesos, etc.
En ocasiones, la presión necesaria en algunos equipos de la planta no
coincidirá con la de distribución. Será, por lo tanto, preciso emplear una
válvula reductora de presión para llevar el vapor desde la presión de
distribución a la de utilización.
4.1.3. Colectores y ramales
El vapor que se produce en la caldera debe ser transportada por medio de
tuberías a los puntos de consumo para su utilización.
Para dimensionar una línea de vapor se deben conocer, como mínimo, los
siguientes datos:
Caudal nominal
Caudal en puntas de trabajo Presión de servicio
Pérdida de carga máxima admisible
Velocidad de circulación
Otros datos específicos de la instalación.
Por otro lado, debe tenerse en cuenta que un mal dimensionado produce los
siguientes efectos, todos ellos negativos tanto bajo el punto de vista mecánico
como energético:
Ruidos
Golpe de ariete
Pérdidas de carga altas
Condensaciones
Caídas de temperatura en distribución
Otros
4.1.4. El aire en las redes de vapor
Durante la parada de instalación" el volumen antes ocupado por el vapor; pasa
a ser ocupado por el aire. Este aire en la puesta en marcha debe ser eliminado
de la forma más rápida posible por medio de válvulas aireadoras.
Los inconvenientes más importantes producidos por la presencia del aire y
gases incondensables en la instalación de vapor son:
Descenso de temperatura del vapor
Transmisión del calor más lenta
Corrosión en las líneas de condensado
4.2. Componentes principales del sistema de distribución de vapor
4.2.1. Cabezal o manifold de vapor
El colector de vapor, también denominado "MANIFOLD", es una clase
especial de tubería de distribución porque puede recibir vapor de una o varias
calderas al mismo tiempo.
4.2.2. Tuberías principales
Dentro del conjunto de redes de vapor principales. encuentran todos los
complementos que permiten una distribución más eficiente y para el manejo
adecuado de este fluido.
4.2.3. Tuberías secundarias
Estas tuberías son las que salen de las líneas principales de vapor y lo llevan
hacia el equipo que lo utiliza.
El sistema completo debe ser diseñado y conectado de forma que se evite la
acumulación de condensado en cualquier punto del sistema.
Todas las tomas de vapor se deben realizar por la parte superior de tubería
principal y así evitar el arrastre de condensados hacia el equipo.
4.2.4. Válvulas de compuerta
Se utilizan válvulas de compuerta para minimizar las caídas de presión en la
posición abierta y para detener el flujo de fluidos, más que para regular. Esta
válvula trabaja en posición abierta o cerrada.
4.2.5. Válvulas de globo
Su función es la de regular el caudal del fluido con que se trabaja, en nuestro
caso vapor. Mayormente estas válvulas están instaladas en la entrada de vapor
hacia los equipos consumidores en las diferentes áreas.
4.2.6. Válvulas reductoras de presión
Son accesorios que regulan la presión del vapor en la descarga de la válvula;
estas válvulas ayudan a operar los sistemas de vapor en una forma segura y
eficiente. Y al mantener una presión constante para el control adecuado del
proceso, aseguran una producción ininterrumpida
4.2.7. Válvula reguladora de temperatura
Son accesorios que regulan la temperatura de un sistema de control y lo hacen
censando la temperatura del fluido y permitiendo o restringiendo el paso de
vapor a través de la válvula.
4.2.8. Válvula de seguridad
Estas válvulas operan en posición abierta o cerrada, pero actúan cuando a
través de un mecanismo se detectan sobre presiones en las líneas de vapor o
en los equipos consumidores.
4.2.9. Juntas de dilatación
Cuando las limitaciones de espacio, los requisitos de procesamien.to u otras
consideraciones¡ dan como resultado configuraciones de flexibilidad
insuficiente, se puede incrementar adecuadamente la capacidad de deflexión
dentro de los límites de intervalos tolerables de esfuerzo, mediante la
utilización de una o más juntas de expansión
4.2.10. Coladores o filtros
Son accesorios que mantienen las redes de vapor libres de suciedades o
cuerpos extraños que podrían ocasionar bloqueo de éstas o deterioro.
Mayormente están compuestos de cuerpo y canastilla.
4.2.11. Visores
Son accesorios compuestos por un cuerpo de fierro fundido y una o dos
mirillas de vidrio. Su utilidad es para la inspección en las redes de vapor y
retorno de condensado.
4.2.12. Uniones universales
Son accesorios compuestos por un cuerpo de fierro maleable ó acero y un
asiento de bronce. Como su nombre lo indica, se utilizan para unir diferentes
accesorios como tuberías, trampas de vapor, etc.
4.2.13. Bridas
Son accesorios usados para empalme, los cuáles se mantienen unidos con una
empaquetadura intermedia por acción de espárragos o pernos. Facilita el
mantenimiento en las redes de vapor.
4.2.14. Manómetros
Son instrumentos de medición de presíón, los cuales deben ser contrarrestados
periódicamente con un manómetro patrón y recalibrado si fuera necesario.
4.2.15. Anclajes
Son elementos de fijación que mantienen a la tubería fija contra el edificio.
4.2.16. Piernas colectoras
Son necesarias a ciertos intervalos en las tuberías y sus principales funciones
son:
Dejar que el condensado sea drenado por gravedad del vapor fluyendo
a velocidades altas.
Colectar el condensado hasta que la presión diferencial sea suficiente
para descargarlo a través de una trampa de vapor.
5. Sistema de retorno de condensado
5.1. Recuperación de condensado
El vapor al ceder su calor latente condensa y forma una película que representa un
impedimento a la transmisión de calor. En las tuberías la condensación se origina
por las pérdidas de calor debido a la inevitable existencia de radiación y que se
producen a pesar de su aislamiento, y si no se elimina llegará este condensado a los
equipos consumidores y hasta habrá problemas con el golpe de ariete.
Interesa eliminar el condensado tan rápidamente como se produzca, pues aunque su
contenido de calor sea elevado, su aprovechamiento haría el proceso de
calentamiento muy lento. Tener en cuenta que el coeficiente
Por otro lado, el aprovechamiento del condensado repercute sobre el consumo
energético de forma importante por dos razones:
Posee una importante cantidad de energía, y será mayor si es que la presión es
mayor. Por cada 6° de elevación de temperatura del agua de alimentación, se
obtendrá un ahorro de combustible del 10/0.
El agua tratada y por lo tanto su reutilización supone un importante ahorro en
cuanto al tratamiento del agua.
Evidentemente, estos dos aspectos hacen aumentar el rendimiento global de la
caldera, ya que el ahorro en el tratamiento del agua supone reducción de purgas. En
el caso de condensados contaminados, se hace inviable su retorno al depósito de
agua de alimentación de calderas.
5.2. Conducciones
5.2.1. Diámetros y pendientes
No debe descuidarse, el riesgo de que un dimensionado deficiente dificulte la
evacuación de los purgadores de aquellos equipos que trabajan a presiones
bajas.
Suele ser energéticamente más favorable el conducir por separado los
condensados de diferentes escalones de presión al depósito colector. La
presión en la conducción correspondiente a los condensados a mayor presión
será mayor y su sección menor.
La presión de condensados de alta presión será mayor y la sección de tubería
menor.
En la elección de los diámetros de las líneas de condensados, debe tener
presente la revalorización (flash) del condensado al entrar en la conducción.
Incluso a presiones bajas (1,5 bar) el volumen del revaporizado resulta varias
veces superior al del líquido.
En la puesta en marcha de la instalación es cuando se produce la mayor
cantidad de condensados. Al mismo tiempo la presión en la línea de vapor es
menor siéndolo por lo tanto también la presión diferencial entre esta y la línea
de condensados; por ello no interesa que la contrapresión en esta última sea
elevada. El dimensionado de la conducción de condensados suele hacerse para
estas condiciones de evaluación.
5.3. Componentes principales del sistema de retorno de condensados
Empecemos por el momento en el que el vapor entra en el sistema desde la caldera y
encuentra frías las superficies de las tuberías de distribución y de los equipos de
proceso. La diferencia de temperatura. entre el vapor y las paredes metálicas, será
mayor en este período inicial de calentamiento de lo que será posteriormente.
A medida que el sistema se calienta, la gradual disminución de diferencia de
temperatura lleva consigo una disminución en la velocidad de condensación del
vapor, hasta que se alcanza un valor prácticamente estable. Los dos valores
extremos de cantidad de condensado formado se conocen como "carga de arranque"
y "carga de régimen".
Si en la parte baja del equipo de proceso se realiza un agujero de diámetro
adecuado, todo el condensado que se forme saldrá libremente por el mismo, el
problema es que el vapor también escapará con la consiguiente pérdida de energía.
Por este motivo, es necesario contar con un medio que descargue el condensado sin
dejar escapar vapor.
5.3.1. Trampas de vapor
Son válvulas automáticas capaces de detectar la diferencia entre el vapor y el
condensado para reaccionar descargando el condensado sin permitir que
escape vapor. Todas las trampas se diseñan para esta función, pero no todas lo
hacen de la misma manera. No existe una "trampa universal' que resuelva
todas las aplicaciones posibles.
Clases de Trampas de Vapor
Hay cuatro grupos principales de trampas de vapor:
a) Grupo termostático
Este tipo identifica el vapor y el condensado mediante la diferencia de
temperatura, la cual opera sobre un elemento termostático. El condensado
debe enfriarse por debajo de la temperatura del vapor antes de ser eliminado,
ver anexo II-l.
Entre los principales tipos de trampas que pertenecen a este grupo tenemos las
siguientes:
Trampa de Presión Balanceada
Trampa de Expansión Líquida
Trampa de Expansión Metálica ID Trampa Bimetálica
b) Grupo mecánico
Las trampas de este tipo operan mecánicamente por la diferencia de densidad
entre el vapor y el condensado. El movimiento de un flotador actúa sobre la
válvula de salida, ver anexo U-2.
Entre los principales tipos de trampas que pertenecen a este grupo tenemos las
siguientes:
Trampa de Flotador
Trampa de Balde Invertido
c) Grupo termodinámico
Este grupo trabaja por la diferencia de velocidad entre el vapor y el
condensado. La válvula consiste en un disco que cierra con la alta velocidad
del revaporizado y abre con la baja velocidad del condensado, ver
funcionamiento en el anexo II-3.
Trampa Termodinámica
5.3.2. Bombas de condensado
Para el movimiento del condensado, se acostumbra usar bombas centrífugas
movidas por un motor.
La. velocidad máxima de formación de condensado se produce durante el
periodo inicial de calentamiento del equipo y puede alcanzar valores de hasta
cinco veces la velocidad normal. Para decidir la capacidad de la bomba hay
que tener en cuenta ambas velocidades de formación de condensado; la
normal y la máxima. Para calcular la capacidad de la bomba se puede seguir
métodos diversos, los cuales se nombran a continuación:
La bomba puede diseñarse de acuerdo con la velocidad máxima de
formación de condensado.
Puede emplearse dos bombas, cada una diseñada para la mitad de la
velocidad máxima de formación de condensado.
Puede diseñarse para la velocidad normal de formación de
condensado.
La bomba puede diseñarse para un valor promedio de la velocidad de
formación de condensado.
5.3.3. Trampas bombas
Una alternativa diferente para el uso de electrobombas es el de la Trampa-
Bomba, accesorio relativamente nuevo en el mercado y que tiene amplias
ventajas en comparación con el sistema tradicional de bombeo de condensado.
Estas bombas son la solución no eléctrica de bajo mantenimiento para
transportar condensado y otros líquidos de lugares bajos, zonas de presión
baja o zonas de vacío, a áreas con mayor elevación o presión. El condensado
puede devolverse a temperaturas muy superiores al límite de 98.9 °C de las
bombas eléctricas convencionales, esto sin problemas de cavitación o fugas
por juntas.
Características de operación:
No eléctrico: usa vapor, aire o gas de bajo costo para opera el colector
de bomba.
A prueba de explosiones: seguridad intrínseca
Bajo mantenimiento: no hay juntas que tengan fugas ni problemas de
impulsores o motores
El material de construcción es de acero inoxidable
6. Sistema de aislamiento de las redes
6.1. Materiales aislantes
La función principal de un material aislante, es evidentemente ofrecer una buena
resistencia térmica a la transmisión del calor, pero también debe de cumplir
conciertos requerimientos esenciales que a continuación se enumeran:
1. - Los materiales aislantes están divididos por rangos de temperatura.
2.- El material con que son fabricados los aislamientos tienen que soporta el rango
de temperatura a que han sido diseñados.
3.- Como la mezcla de radiación y convección es la más eficiente para tJ
aislamiento, los materiales aislantes deben de tener la capacidad habilidad de atrapar
gases o aire en su interior para que trabajen eficientemente. Un material asi formado
debe estar en un rango de densidad de 30 a 250 kilos por metro cubico. Los
materiales m~ pesados son por general malos aislamientos térmicos.
4.- Debido a su poca densidad, los materiales aislantes deben soportar y) tener una
resistencia mecánica mínima para resistir las etapas de fabricación, transporte e
instalación, sin romperse o deteriorarse.
5.- Por ser poroso y de poca resistencia mecánica, todo material aislante. requiere de
una protección mecánica exterior una vez colocado, esto para evitar por accidente
un golpe o mal movimiento de una máquina o persona y que lo maltrate o rompa.
Para comprender mejor como es el comportamiento del aislamiento térmico para las
tuberías, a continuación daremos algunos conceptos básicos de lo que es
Transferencia de Calor en las Tuberías de Vapor.
El calor fluye de la masa caliente a la masa fría. Esta transferencia la puede hacer de
dos maneras por radiación o por convección.
RADIACIÓN.- A diferencia de la conducción y convección, no se requiere que
intervenga un espacio lleno de materia para que las superficies intercambien calor
por radiación, por ser esta radiación electromagnética. Los líquidos, sólidos y
algunos gases (especialmente vapor de agua e hidrocarburos) emiten radiación
térmica como resultado de sus temperaturas
CONVECCIÓN.- Es el paso del calor (energía térmica) a través de una superficie
que está en contacto con un fluido que tiene temperatura diferente a la de la
superficie en cuestión.
6.2. Características de los materiales aislantes
Sin pretender describir todos los materiales aislantes, se dan a continuación algunas
nociones de los que con frecuencia se emplean en el aislamiento industrial.
Las características técnicas de c/u de ellos varían en función de las propiedades que
cada fabricante hace uso de la materia prima que lo define, por lo tanto, para cada
caso, se debe consultar al mismo.
Amianto(Asbesto)
Origen:
Es una fibra natural que se presenta en la naturaleza bajo diversas formas.
Presentación:
Comprimido, se puede utilizar en forma de placas planas, curvas, coquillas y
piezas moldeadas. También puede utilizarse por medio de proyección,
adaptándose a todo tipo de piezas de forma.
Características:
o Densidad media: 0.18 a 0.20 Kg/m3; límite de temperatura de
empleo en régimen continuo a 550°C en régimen discontinuo 600 0e.
o Coeficientes de conductividad: 0.38 Kcal/ h.m. °C (0.04419 W/m
°K)
o Resistencia mecánica: buena
o Límite de elasticidad : 2 bar
o Resistencia al fuego : muy satisfactorio
o Límite de elasticidad : 2 bar
o Resistencia al fuego : muy satisfactorio
o Imputrescibilidad : total
Fibra de vidrio
Origen:
Se obtiene de hilos de vidriofibra natural que se presenta en la naturaleza
bajo diversas formas.
Presentación:
En forma de mantas, paneles, semirrígidos, losetas, coquillas, etc. Se puede
proyectar o inyectar
Características:
o Densidad: de 8 a 300 Kg/m]
o Coeficientes de conductividad: 0.032 Kcal/ h.m. °C a 20°C
(0.037216 W/m °K a 293 °K)
o Resistencia mecánica : buena
o Resistencia al fuego : incombustible
o Límite de temperatura: 750 °C
Silicato de calcio
Origen:
Similar al asbesto. Presentación:
Presentación:
En forma de placas, coquillas y piezas moldeadas. Asimismo se puede
proyectar adaptándose a las formas complicadas de los cuerpos a aislar.
Características
o Densidad: de 180 a 230 Kg/m3
o Coeficientes de conductividad: 0.0895 Kcal/ h.m. °C a 500 DC
(0.1040 W/m °K a 773 °K)
o Resistencia mecánica : buena
o Límite de temperatura : 1050 °C
7. Equipamiento de la carga
A continuación describiremos los principales equipos consumidores de vapor e se
utilizan en una instalación hospitalaria.
7.1. Intercambiadores de calor y serpentines sumergidos
Serpentines sumergidos son elementos para transferencia de calor que se sumergen
en el líquido que se va a calentar, evaporar o concentrar.
Estos equipos son usados para calentar agua para el proceso o para uso doméstico,
vaporizar gases industriales como propano y oxígeno, concentrar fluidos en proceso,
como azúcar, petróleo, licores y combustible para calefacción para su fácil
transporte y atomización.
7.2. Intercambiadores de calor de tubos de coraza
En estos intercambiadores se instalan varios tubos dentro de una cámara o coraza
con un área libre reducida. Esto básicamente asegura que siempre hay contacto entre
los tubos y el fluido viajando en la coraza, lo opuesto puede también ser
implementado con el vapor en la coraza y el líquido en los tubos.
7.3. Ollas con camisas de vapor(Marmitas)
Son esencialmente ollas de cocido o concentradores con camisas o chaquetas de
vapor alrededor de ellas.
Existen básicamente dos tipos de ollas con camisas de vapor: con drenaje fijo del
producto por gravedad (estáticas) y con drenaje inclinado (volcables).
El problema más grande de las ollas encamisadas es el aire encerrado dentro de las
camisas de vapor, el cual tiene un efecto negativo en la temperatura del sistema.
Específicamente, bajo ciertas condiciones con tan sólo un contenido en volumen del
0.5% de aire en el vapor, es suficiente para formar una capa aisladora en las
superficies de transferencia de calor, lo cual reduce la eficiencia de la transferencia
hasta un 50 %.
Un segundo problema, es la necesidad de remover el condensado en forma total y
uniforme. Cualquier acumulación de condensado en las camisas, resulta en un
control de temperatura inestable, una menor capacidad de operación de la marmita y
el riesgo de tener golpe de ariete.
7.4. Equipo con cámaras de vapor cerradas y estacionarias
Productos encerrados en prensas con camisas de vapor
Entre estos equipos. tenemos las máquinas de planchado de superficies planas en las
lavanderías que son una forma especializada de prensar con una cámara de vapor de
un solo lado del producto.
Inyección directa de vapor en la cámara del producto
Este tipo de equipo combina vapor con el producto, con el propósito de esterilizarlo.
Ejemplos típicos son los esterilizadores de ropas e instrumentos de cirugía.
Producto en la cámara de vapor en la camisa.- Hornos de autoclave y esterilizadoras
son los equipos típicos con esta clase de configuración. En estos casos el
condensado no está contaminado debido a que no hay contacto con los productos y
por lo tanto se puede regresar directamente a la caldera.
7.5. Secadoras rotatorias con drenaje por sifón
Existen dos tipos de secadoras rotatorias que varían de forma significante en cuanto
método de funcionamiento y clases de aplicaciones.
Cilindros rotatorios llenos de vapor con el producto por afuera.- Este sistema seca el
producto al ponerlo en contacto con la superficie exterior de un cilindro lleno de
vapor.
Secadora calentada por vapor con producto por adentro.- En este caso se tiene el
producto dentro de un cilindro rotatorio donde tubos con vapor secan el producto al
entrar en contacto directo con el producto. En algunos casos también se usa una
camisa de vapor alrededor del cilindro.
Formulario
Capacidad nominal
Cap . nom=Cap.calculada x .!evap
Conversión BHP-Lb/h
1 BHP=34.5 Lb/h
Factor P
P= F 1−F 2L
Verdadera velocidad
VV=Vg x y10
Perdida de calor
Heat loss= H x π x De x L12
Ql=ql x L
Eficiencia de aislamiento
η=H −QlH
Temperatura de gases escape
Tgases escpmax=Tsat+80 ° C
Eficiencia del caldero
ηcaldero=QaQt
=mv x (h sal−hing)
m x PC
Entalpia líquidos
h=4.2 x (T ° C)
Flujo de vapor efectivo
mv= cap x34.5.!evap
Flujo de combustible
mc=mv x (h sal−hent)
PC x η
Flujo volumétrico
V=mcρ
Costo tonelada de vapor
Costo ton vapor= costo combmv
Esfuerzo máximo debido a la flexión
S= w x L2 x De16 x I
Flecha por deflexión
y= 5 x w x L4
384 x E x I
Peso del tubo, cubierta y contenido
w=( pesodel tubo+ pesodel agua ) x1.1
Esfuerzo admisible
L= 2√ 16 x I x Sadw x De
Flecha admisible
L=4√ 384 x E x I x yadδ xw
Pendiente
∆ h=8 x yad
Volumen del tanque
Vtanque= cap . requerida2
Volumen de resina
Vresina=0.6 xVcontenedor
Contenido de granos por galón
concentraciongrgal
= concentracion ppm17.1
Volumen de agua para saturar la resina
Vagua= 25000 xVresinaconcentracion gr /gal
Tiempo antes de saturar la resina
tsat= Vcap .requerida
Peso de CaCO3 requerido para regeneración
Psal=10 xVresina
Volumen de salmuera
Vsalm=10 x Psal
Flujo regenerante
Freg=Vresina x1GPM
pie3
Tiempo de regeneración
treg=VsalmFreg
Volumen de agua para el proceso de lavado
Vlav=60 x Vresina
Flujo agua de lavado
Flav=Vresina x 1GPM
pie3
Tiempo lavado
tlav=VlavFlav
Diámetro de tubería de salmuera
D= 2√ Freg x 4π x Velrec x ρ
Velocidad recomendada del flujo de salmuera y agua blanda
Vsalm=3m/ s
Diámetro de tubería de agua dura y blanda
D= 2√ Freq x 4π x Velrec x ρ
Análisis del funcionamiento de los calentadores de agua
Durante el proceso de calentamiento del agua para la piscina, se utilizan dos calentadores tipo calderines de iguales características mismos que están ubicados en paralelo y comunicados entre si mediante tuberías de 2” de diámetro, su forma geométrica exterior es prismática de caras paralelas cuyas medidas son 1520 mm de altura * 640 mm de ancho * 1250 mm de profundidad.Estos calentadores deben ayudar a mantener diariamente el agua de las piscinas (una semi olímpica y otra infantil) a una temperatura de 28º C, cuyo volumen de agua es de 514m 20m3 respectivamente. Su características; funcionan con gas G.L.P. como combustible, los contextura física es como lo muestra la siguiente figura.
b) Cámara de CombustiónLa cámara de combustión está ubicada en la parte inferior del calentador, sus dimensionesson 480 mm de altura, 450 mm de ancho y 850 mm de profundidad, cubierta en su interiorpor ladrillo refractario, el agujero para el ingreso de los gases es de 4” de diámetro; poseeademás en la parte superior 32 agujeros conectados a los tubos a través de los cuales salenlos gases producto de la combustión y calientan el agua del recipiente desde unatemperatura inicial de 17ºC llegando hasta una temperatura final de 80ºC, esta última en
c) Recipiente de aguaEs el espacio volumétrico de aproximadamente 1m³ donde está contenida el agua que absorbe el calor de los tubos y a su vez entrega ese calor al agua de la piscina que atraviesa por unos serpentines de cobre.
d) Tubos conductores de gases calientesSon 32 tubos de acero que conducen el calor de los gases producidos por el quemador, y transmiten este calor al agua del recipiente, sus dimensiones son las siguientes, 800 mm de longitud por 1,5” de diámetro, la temperatura a la que se exponen cada uno de ellos es de 238ºC, el haz de tubos en su extremo final se une a una pequeña cámara de 0.028m3 y este a su vez desemboca en una chimenea que conduce los gases al exterior.
e) Chimenea para evacuación de gases
Es un conducto cilíndrico de 8” de diámetro y 5m de longitud a partir del calentador, que sirve para evacuar los gases producto de la combustión quemados en la cámara.
f) Serpentines conductores del agua de la piscina
Son dos conjuntos unidos entre sí y sub divididos en 6 tubos de cobre de ¼” de diámetro con una longitud de 1,9m cada uno doblado en arco una vuelta, es decir un paso, llegando a medir ya doblados una distancia máx., de 0.53m como lo muestra en la figura
g) Ingreso de agua al recipienteEl agua ingresa al recipiente del calentador por una tubería de 1” de diámetro, esta aguaviene de la red de agua potable, por lo que previamente se la ablanda con el fin de evitar lacorrosión e incrustaciones en el interior del recipiente. El volumen del agua permanececonstantemente en el interior del mismo y solo se la cambia cuando es necesario.h) Expansor de aguaEs un pequeño tanque que sirve para almacenar el agua que ingresará al recipiente, de unamanera temporal y va ingresando poco a poco mientras el interior lo va requiriendo.
i) TermostatoEl termostato controla la temperatura del agua del recipiente, cuando llega hasta 70ºC esteenvía la señal al quemador para que se apague.
j) Tubería para la circulación del agua de la piscinaLa mayor cantidad de tubería es de plástico PVC para agua caliente, que viene desde lapiscina, luego un tramo de tubería galvanizada de 4”, lo concerniente a las bombas, el filtroy nuevamente se conecta a una tubería plástica de 2” de diámetro por donde ingresa el aguaa los calentadores, la descarga de agua caliente es también en tubería de diámetro 2”, elingreso del agua es controlado por un sistema de válvulas manuales las cuales sonmanipuladas por un operador.k) Estructura – ArmazónLa estructura de los calentadores está constituida por planchas de tol de 3cm de espesor yunidas entre sí por un armazón de 48 varillas de hierro entre cruzadas, las cuales le danfirmeza y solides a la estructura.
l) Aislante térmicoEs una lana de vidrio que impide que el calor interno del agua se disipe al exterior.m) CarcasaEstá constituida por planchas de tol de 2mm de espesor y sirve para darle forma física yestética exterior a la estructura del calentador.
Distribución de la red de agua para la piscine
Bombas de aguaEn el sistema de calentamiento de agua, existen dos bombas montadas y acopladashorizontalmente, cuyas características son las siguientes:
Válvulas de Globo y Check#1.- Válvula utilizada para abrir, cerrar o regular el fluido que proviene de losdesnatadores hacia el sistema de calentamiento.#2.- Válvula utilizada para abrir, cerrar o regular el fluido que proviene de la descarga dela piscina, descarga ubicada en las paredes de la piscina hacia el sistema de calentamiento.#3.- Válvula utilizada para abrir, cerrar o regular el fluido que proviene de la descarga dela piscina, misma descarga que está ubicada en el centro de la piscina.#4, #5.- Válvulas utilizadas para abrir o cerrar el paso del fluido a las bombas #2 y #1respectivamente, ya que existen dos bombas en paralelo.Por lo tanto si la bomba #2 tiene alguna avería o está en mantenimiento se cerrará laválvula #4 y se abrirá la válvula #5 y viceversa.#6.- Válvula check, utilizada para evitar el retorno del fluido hacia la bomba.#7.- Válvula utilizada para abrir o cerrar el paso del fluido hacia el filtro.#8.- Válvula utilizada para realizar el retro lavado del filtro, generalmente permanececerrada, es abierta cuando se cierra la válvula #7 funcionando a manera de un puente conel paso directo del fluido sin atravesar el filtro.#9.- Válvula utilizada para realizar la limpieza del filtro, generalmente permanececerrada, se abre para despedir el agua lodo producto de remover las impurezas dentro delfiltro.#10.- Válvula utilizada para realizar la limpieza del filtro, normalmente está abierta, se
cierra esta válvula para evacuar el agua lodo del filtro, para esto debe estar cerrada laválvula #8.#11.- Válvula check, utilizada para evitar el retorno del fluido hacia el filtro.#12.- Válvula utilizada para regular el paso del fluido, cuando el sistema está calentandoel agua se cerrará casi completamente la válvula para que el agua pase hacia loscalentadores impidiendo además que el agua caliente que retorne de los calentadores nose mesclen con el agua fría que ingresa del filtro, mientras tanto que cuando el sistemaestá en filtración se abrirá completamente .la válvula para que el agua pase directamentesin ingresar a los calentadores.#13.- Válvulas utilizadas para abrir o cerrar el paso del fluido que proviene de la piscinahacia el calentador #1, esta válvula siempre está abierta, solamente se cerrara en caso deavería o mantenimiento del calentador #1.#14.- Válvula utilizada para cerrar el paso del fluido que proviene de la salida delcalentador #2, esta válvula siempre está abierta, solamente se cerrara en caso de avería omantenimiento del calentador #1.#15.- Válvula utilizada para cerrar el paso del fluido que proviene de la salida delcalentador #1, esta válvula siempre está abierta, solamente se cerrara en caso de avería omantenimiento del calentador #2.#16.- Válvulas utilizadas para cerrar el paso del fluido que proviene de la piscina haciael calentador #2, esta válvula siempre está abierta, solamente se cerrara en caso de averíao mantenimiento del calentador #2.Tuberías y accesorios
Proceso de calentamiento del agua
Para conservar el agua a una temperatura de 28ºC, es necesario mantener encendido losquemadores durante un tiempo de 12 horas diarias en 4 días diferentes a la semana.Mediante experimentos realizados y observaciones diarias se verificó que la temperaturadel agua de la piscina, desciende en un grado todos los días después de su utilización, (VerAnexo 10), por lo que además de los calentadores es necesario cubrir con un cobertor
térmico a toda la piscina el cual evita la evaporación y enfriamiento del agua.El agua es impulsada por una bomba de 15 HP para su circulación tanto para elcalentamiento a una presión de 60 PSI y filtración a 45 PSI.Durante el calentamiento se enciende la bomba y ésta succiona el agua de la piscina, porcuatro conductos de 2” de diámetro ubicados en las paredes laterales y uno de 3” ubicadoen la parte inferior de la misma. Esta agua atraviesa por tuberías de plástico PVC y llega alos calentadores a una velocidad de 2.07 m/s con un caudal de 150 GPM, al pasar elagua de la piscina por los serpentines absorbe el calor transferido a los tubos de cobre por elagua caliente contenida en el recipiente del calentador, que a su vez es calentada por losgases quemados producto de la combustión originada en la cámara por el quemador.
Al salir el agua de los serpentines a una T de 30ºC por una tubería de 2”, esta sube detemperatura y desemboca en un solo conducto de 3” de diámetro que es enviado por acciónde la misma bomba hacia la piscina, e ingresa nuevamente por cuatro conductos de 2”ubicados en las paredes laterales de la piscina.Este proceso se da durante las 12 horas mencionadas anteriormente, tiempo necesario paraque todo el volumen de la piscina haya atravesado por los calentadores y el agua hayasubido hasta la temperatura necesaria.
Cálculos en función del estudio realizadoCalor generado por el calentadorLa cantidad de calor que está generando a siguiente manera.
Calor utilizado por el aguaEl calor absorbido por el agua al pasar esta por los calentadores.
Eficiencia del calentador
Para lograr la eficiencia de los calentadores se utiliza la siguiente ecuación.
Pérdidas de calor (Stefan Boltzmann)a) Pérdidas por evaporación.-Sin considerar el aporte de humedad de los espectadores, proceso en el cual el agua seenfría porque pierde calor que sale hacia el ambiente.
b) Pérdidas por radiación.-Están en función de la diferencia entre la temperatura media de los cerramientos y la delagua.Como en nuestro caso la piscina es cubierta el cerramiento deben encontrarse a muy pocosgrados de temperatura por debajo de la del agua, así pues estas pérdidas por radiación enpiscinas cubiertas se consideran generalmente despreciables.c) Pérdidas por convección.-Al igual que las pérdidas por radiación en el caso de piscinas cubiertas las pérdidas porconvección (Qc) también se suelen despreciar, ya que la diferencia de temperaturas es muypequeña.
d) Pérdidas por renovación.-Existen pérdidas continuas de agua, desde la evaporada, a la que los propios bañistas sacandel vaso, o la gastada en la limpieza de fondos y filtros. Sin embargo, estas cantidades son muy inferiores al 5% del volumen total del vaso que obligatoriamente por formativa,debido a razones higiénicas sanitarias, debe reponerse diariamente. Esta renovaciónconlleva que las pérdidas de calor (Qr, en w) por este concepto sean importantes, y en todocaso, dependerán de la temperatura de agua de la red y de la temperatura del agua de lapiscina que se pretenda alcanzar. Se puede calcular de la siguiente forma:
e) Pérdidas por transmisión.-Dependen exclusivamente de las características constructivas del vaso (enterado, visto, etc.)y del coeficiente de transmisión térmica del material empleado. En el caso más habitual de
vaso de hormigón construido dentro del propio sótano del recinto las pérdidas portransmisión (Qt, en w), se calculan con la fórmula:
Necesidades energéticasEl calor necesario para elevar dos grados centígrados en un tiempo de 12 horas; es tomadode los datos actuales registrados diariamente por el técnico de mantenimiento.Calor necesario para elevar 2°C en 12h.
Energía total necesaria para calentar la piscina
El valor mostrado a continuación es un parámetro muy importante ya que en función deeste resultado se buscara las alternativas óptimas que abastezcan esta necesidad.Las consideraciones a tomarse en cuenta son, que el agua debe calentarse a partir de los 15grados centígrados, hasta los 28 grados centígrados en una situación inicial en un tiempo de24 horas.
Consumo de gasPara determinar el consumo actual de gas se recurrió a la lectura de datos experimentalesregistrados en la tabla Nº VIII.Se debe tomar en cuenta que estos datos son tomados para un calentador y que el peso delcombustible en cada uno de los tanques es de 45Kg.
Emisión de gasesUno de los parámetros considerados importantes para determinar la eficiencia de loscalentadores en cuanto a la quema de los gases es realizar un diagnostico de los mismos encondiciones de funcionamiento normales, como el que se muestra a continuación.
PANELES SOLARESComúnmente son de fabricación nacional en largo de 2.0 m. y ancho de 1.20 m, enestructura soportante de plancha galvanizada de 1.0 mm de espesor. El panel solar constade un serpentín de tubería de cobre de ½” - 1” de diámetro embutido dentro de un base
de poliuretano líquido de color negro asfáltico y, sobre este como tapa se colocanplanchas de vidrio de 3.0 mm. de espesor de color negro.
Complementariamente se utiliza un control de temperatura solar, sensores de temperatura ycaballetes que le den inclinación a los paneles. Los resultados obtenidos en nuestro medioson buenos aunque su costo inicial es bastante alto.La determinación del número de paneles está supeditado al lugar o posición geográfica dela piscina y a su área siendo para nuestro medio como cálculo empírico obtener el númerode paneles calculando el área de la piscina en metros y dividiendo para 2.VentajasEnergía solar para:· Calentar el agua de su piscina· Aumentar el disfrute del baño· Alargar la temporada de su uso· Tener mayor entretenimiento personal y familiar· Mayor relajación, salud y bienestarEnergía solar que:· No contamina· Es totalmente gratis· No precisa mantenimiento· Da un valor añadido a su vivienda· Puede instalár usted mismo
Principios de funcionamiento
Colectores
· Fluido caliente· Retorno del fluido frío· Regulador· Bomba· Válvula de seguridad· Depósito· Consumo de agua caliente· Recipiente con diafragma· Cambiador de calor superior· Cambiador de calor inferior· Alimentación de agua· Contenedor de salida del portador de calor
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CALENTADOR SOLAR DE AGUAEl calentamiento solar de agua para consumo doméstico, como alternativa para sustituir los calentadores tradicionales (eléctricos, a gas, etc), es una opción atractiva, si se toma en cuenta las bajas temperaturas necesitadas (40ºC a 60ºC), además, desde el punto de vista de ahorro energético es la opción más favorable, ya que en estos sistemas, la fuente de calor es la radiaciónsolar, la cual sustituye los combustibles fósiles ó la electricidad.Los sistemas solares para calentamiento de agua están constituidos por dos elementos principales [3]:- Colector, encargado de recibir y transformar la energía incidente durante el día.- Tanque de almacenamiento, aislado para el agua que ha sido calentada.Existen dos tipos de sistemas para el calentamiento, los cuales se diferencian en la forma de circulación del agua:Sistema de circulación natural y Sistema de circulación Forzadaconstrucción, opera por circulación natural, es decir, la circulación del agua entre colector y tanque, es producida por el principio de termosifón, presentado cuando, una masa de fluido es calentada, a través de la base de un recipiente, es decir, el agua al entrar al colector por la parte inferior es calentada, lo cual disminuye su densidad debido al incremento de la temperatura, entonces, la columna de agua fría en la tubería de retorno al colector y la columna de agua caliente dentro del mismo , se desequilibran haciendo que por gravedad la primera baje y empuje el agua caliente hacia el tanque. La figura 1, muestra un esquema de un colector de este tipo.
DISEÑO DEL SISTEMADimensionamiento Previo del SistemaEl parámetro más importante a determinar es el área de la placa de absorción, y el punto de partida para la evaluación de esta, es la carga térmica anual y la radiación promedio del lugar, de acuerdo con la siguiente expression
Para la evaluación de los términos de la expresión (1), se deben hacer las siguientes apreciaciones: 1) Se realizan los cálculos tomando en cuenta el promedio anual de la radiación solar, debido a la poca diferencia que se presenta entre cada uno de los meses. 2) El calentador será ubicado en la ciudad de Armenia, Quindío. 3) La inclinación del colector con respecto a la horizontal, es de cero grados, debido al sitio en el cual se hará el montaje y a que de esta manera la radiación incidente es mayor Scientia et Technica Año XII, No 31, Agosto de 2006. U.T.P 87 Para la radiación global promedio sobre la superficie ( T H ), se tomará como base, los datos registrados por el Manual de Radiación Solar en Colombia, en el municipio de Armenia , que para el caso de este trabajo, debido a la no inclinación del colector, se toma como el valor de HT, el valor promedio de la radiación global sobre la superficie del colector, por tanto:T H = H = 4,10 kWh/m2-día = 14,76 MJ/ m2-díaPara el dimensionamiento del colector y del tanque es necesario calcular la carga térmica mensual, la cual está conformada por el calor necesario para obtener los ochenta litros diarios de agua a 50ºC, y las pérdidas en el tanque acumulador, de acuerdo con las siguientes expresiones
En un principio se supondrá que las pérdidas en el tanque son despreciables para el cálculo del área del colector, por lo cual sólo se necesita conocer la carga para el calentamiento del agua, entonces:
Se requieren entonces 3915,136 MJ anuales para satisfacer las necesidades de agua caliente de la vivienda, sin tener en cuenta las pérdidas presentadas en el tanque. Para la determinación del área de la placa de absorción se tiene que de acuerdo con la expresión (1), los datos obtenidos anteriormente y suponiendo una eficiencia media del cincuenta por ciento (? = 0,5), se obtiene
Se requerirá entonces un colector cuya placa de absorción sea de 1,5 m2 para calentar el agua, teniendo en cuenta que aún no se han calculado las pérdidas en el tanque. Para el tanque de acumulación, se utilizará un tanque cilíndrico, por facilidad de construcción, tanto del tanque como de los soportes del mismo, la altura se supondrá de 80 cm. La relación óptima entre área y volumen es
Por tanto, el diámetro del tanque será de 40 cm y su altura de 80 cm, con estos valores el volumen del tanqueserá de:
TuberíasPara realizar la instalación de los calentadores, se requerirá de tuberías galvanizada cedula40 de diámetros de acuerdo a los cálculos realizados para el caudal. Estas tuberías son de3”, 2 1/2” y 2”, respectivamente, estos diámetros se tomaron de acuerdo a los siguientescálculos:
Entonces para realizar nuestros cálculos utilizamos las ecuaciones anteriormente descritas.Para:
Para:
Con estos resultados las tuberías a utilizarse en la instalación de los calentadores son dediámetro 3”, 2.5” y 2” respectivamente. Con estas tuberías se evitará que exista caída depresión en los calentadores manteniéndose la velocidad y el caudal constante será el mismopara los tres calentadores, esto es 50 GPM para cada uno, con lo cual se aprovechará almáximo a dichos calentadores.Todas las tuberías serán adaptadas al sistema actual tanto en succión como en descarga dela piscine
Válvulas y accesorios
Se instalarán válvulas de globo, una al ingreso y otra a la salida de cada uno de loscalentadores, de la misma manera en la entrada y salida del sistema total de conexión(tuberías) de los calentadores. Así también como cada uno de los respectivos accesoriosnecesarios para completar la instalación como son: tés, codos, universales, al menos unregulador de presión, todos estos adaptados y distribuidos como se muestra en la siguientefig.
Resumen de todos los equipos, accesorios y elementos a utilizarse en la nuevainstalación.
Cálculos de la eficiencia propuesta para el nuevo sistema
Consumo de gasEl consumo de gas de los calentadores propuestos de acuerdo al catalogo del fabricante esde 7Kg/h.Eficiencia TérmicaPara el cálculo de la eficiencia térmica de los calentadores propuestos se utilizará lasiguiente ecuación:
Calor AprovechadoA continuación se determinará el calor total que generan los calentadores a instalarse.
Tiempo de calentamientoFinalmente calcularemos el tiempo necesario para recuperar el calor de la piscina y elevarla temperatura de 26ºC a 28ºC, utilizando los nuevos calentadores, para lo cual utilizamosla siguiente ecuación:
Entonces el tiempo aproximado en que se va a calentar la piscina es en 5 horas.
Consumo de combustible
Analíticamente el consumo de combustible que seen un día de calentamiento;calentamiento y además tomando en cuentason de 45Kg, instaladas en una centralina decalentadores.Consumo de Combustible del Calentador actual
Consumo de combustible de los calentadores propuestos
Conociendo que en una semana se realiza el proceso de calentamiento durante cuatro días,entonces el consumo semanal será el siguiente:
CONCLUSIONES
· Se ha realizado el estudio técnico de los calentadores utilizados en la piscina de la JLByR, analizando un sinnúmero de variables tomadas analítica y experimentalmente mismas que han sido determinantes en los cálculos y por consiguiente en los resultados.
· Se determinó que la eficiencia de los calentadores actuales es del 54%.
· Los equipos actuales necesitan ser reemplazados por cuanto están trabajando a la mitad desu capacidad, provocando que los costos de operación , mantenimiento y consumo de combustible son elevados por causa de su mal estado, estableciendo que el consumo de gas en el sistema actual es de 4,01 tanques por día de calentamiento o sea (12horas).
· Para mejorar la eficiencia en el sistema de calentamiento de agua de la piscina, se han seleccionado 2 equipos de excelente rendimiento (82%) y bajo costo de operación, lo que garantiza un mejor aprovechamiento de la energía y el combustible, consumiendo 2,33tanques diarios por calentamiento.
· El tiempo de calentamiento con los equipos seleccionados se logro disminuir hasta en 7horas en comparación con el actual.
BIBLIOGRAFÍA· CENGEL, Y.A. Transferencia de Calor. 5ta.ed. México: McGrawHill, 2003· DONALD, Kern. Procesos de Transferencia de Calor. 2da.ed. México: CECSA,1965· KARLEKAR, B.V, Transferencia de Calor. 2da.ed. México: EditorialInteramericana, 1985· HARO, M. Texto Básico de Instrumentación Industrial, 2007
LINKOGRAFÍA· INTERCAMBIADORES DE CALORhttp://personales.ya.com/universal/TermoWeb/IngenieriaTermica/teoría/PDFs/17.pdf2008-12-18· PÉRDIDAS DE CALOR EN UNA PISCINAhttp://www.ciatesa.es/data/documentos_tecnicos/public/2005-1128_Climatizacion_piscinas_cubiertas.pdf2008-12-10· PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS PANELES SOLAREShttp://euroeko.sopa.net/qsomos.html2009-01-13· CARACTERISTICAS TECNICAS DE LOS CALENTADORES RAYPACKhttp://www.raypak.com/poolframe.htm2009-01-13