Trabajo Investigacion Pirotubular

DIMENSIONAMIENTO DE CALDERA PIROTUBULAR VERTICAL

DIMENSIONAMIENTO DE CALDERA PIROTUBULAR VERTICAL

INTEGRANTES:

CONDORHUAMAN BALTAZAR, Elias

ASESOR: Ing. Jorge Valencia

2013

http://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=8UVgJoFR8LDhgM&tbnid=7HDuc7WDbhDYkM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.co.all.biz%2Fcaldera-de-vapor-y-agua-caliente-g14863&ei=2D6CUpbROMqokQfp1YHwAg&bvm=bv.56146854,d.eW0&psig=AFQjCNFYh33-ZFnVyWMS5hROH6XI9tdCsg&ust=1384353871273752

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA – ENERGIA

DISEÑO DEL CALDERO PIROTUBULAR VERTICAL

INTRODUCCION.

En el presente trabajo veremos cómo diseñar un caldero piro tubular, para este propósito se va desarrollar lo aprendido sobre resistencia de materiales I, también sobre termodinámica I y II, este trabajo tratara de enfocarse en el desarrollo de los procedimientos de construcción de un modelo de caldero piro tubular para una empresa.

Las calderas o generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando calor de combustión sólido, liquido, o gaseoso vaporizan el agua para aplicaciones en la industria.

La caldera piro tubular vertical tiene los finales de los tubos expuestos a los productos de la combustión y tiene otra superficie plana que requiere arrastramiento con acero estructural para evitar un espesor de chapa excesivo.

1. DEFINICION DE CALDERA.

Una caldera es un recipiente cerrado a presión, en el cual se calienta un fluido para uso externo del mismo por aplicación directa del calor resultante de la combustión de un combustible (solido, líquido o gaseoso) o por utilización de energía nuclear o eléctrica.

2. EFICIENCIA.

El objetivo de una caldera, además de generar vapor, es realizar con la máxima eficiencia posible la transferencia de calor, definiendo esta de una manera sencilla como la porción de calor liberado en el horno que es absorbido por les fluidos en los elementos de la caldera.

Cuando se selecciona una caldera se deben considerar los siguientes parámetros:

Cantidad de vapor requerida. Presión, temperatura, calidad del vapor requerido. Futuros requerimientos. Localización de la unidad. Características de la carga. Tipos de combustibles disponibles. Diseño de quemadores. Calidad del agua de alimentación. Variaciones previstas de la carga.

Una vez seleccionada y construida la caldera existen otros factores que afectan notablemente la eficiencia de la unidad pues inciden directamente en el estado de las superficies de transferencia térmica. Los tubos de la caldera son afectados internamente por las impurezas del agua que tienden a depositarse o a formar incrustaciones en las paredes, lo cual hace necesario someter el agua a tratamiento químico para minimizar este y otros efectos indeseables.


La parte exterior de los tubos y otras zonas de la caldera son afectadas por depósitos que ensucian o incrustan las paredes. Estos depósitos son determinados principalmente por los siguientes factores:

a. tipo de combustible: combustible pulverizado (carbón) combustóleo gas natural

b. calidad del combustible: contenido de azufre y cloruros en el carbón contenido de cenizas y temperatura de fusión de ellas contenido de vanadio, sodio, azufre en el combustóleo

c. condiciones de combustión exceso de aire longitud de la llama turbulencia del aire – combustible a la salida del quemador turbulencia en el hogar temperaturas distribución del aire tipo de paredes en el hogar

d. diseño localización, tipo y espacio entre los elementos del supercalentador, calentador y

economizador altura del hogar y temperatura de salida de gases

De los anteriores factores, indudablemente que el diseño es el que ofrece mayores posibilidades de mejora. Los más recientes muestran mayor área seccional en el hogar, eliminación de paredes de división, temperatura de gases más bajas, distribución más uniforme de suministro de calor en toda la caldera, velocidad de gases más baja, mejor observación del hogar.

3. CLASIFICACIÓN DE CALDERAS.

3.1. CALDERA TIPO LOCOMÓVIL. Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construidocalderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. Vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos. La entrada de hombre, que se ve abierta, es la base de la chimenea, es decir la caja de humos y en la parte superior se encuentra la salida de vapor.


Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-pie/minuto o sea 550 libras-pie/seg., valor que denominó HORSE POWER, potencia de un caballo. Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76 kgm/seg. Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en homenaje a Watt.

3.2. CALDERAS ACUOTUBULARES. Las calderas de tubos de agua tuvieron su origen a finales del siglo XVIII, pero el modelo original dista mucho de lo diseños de hoy día. Una caldera acuotubular consta básicamente de tambores y de tubos. Los tubos a través de los cuales circula el agua y en los que circula el vapor generado están fuera de los tambores, estos son utilizados solo para almacenar agua y vapor, por lo que pueden ser mucho más pequeños en diámetro que el tambor de una caldera pirotubular y pueden soportar mayores presiones.

El costo inicial de una caldera acuotubular es más alto que el de una caldera pirotubular equivalente, sin embargo, una mayor eficiencia compensará este costo inicial. La adición de algunos equipos destinados a la recuperación de calor permitirá la recuperación de los costos más rápidamente. Las calderas acuotubulares son de dos tipos: De tubos horizontales rectos y de tubos doblados. Ver figura No. 5.

Figura Nº 5. Calderas de tubos horizontales rectos


Están constituidas por bancos de tubos que por lo general están en zíg zag con una inclinación de 15° a 25° para favorecer la circulación. Este tipo de caldera fue muy popular entre 1920 y 1940 y era utilizado para producir vapor de proceso y ocasionalmente generar calentamiento en edificios. Su producción estaba limitada a 10.000 Ibs/h por cada pie de ancho de la caldera. Sus principales desventajas eran una limitada capacidad para una adecuada separación del vapor del agua a altas ratas de evaporación y una pobre distribución de circulación.

3.3. CALDERA ACUOTUBULAR DE CORNWALL.

Figura Nº 6. Caldera acuotubular de Cornwall

Las calderas acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) eran usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las máquinas a vapor de principios de siglo. En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para aumentar la superficie de calefacción, y están inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte más alta, provoque un ingreso natural del agua más fría por la parte más baja. Originalmente estaban diseñadas para quemar combustible sólido.

Vista frontal

Se conoce como vapor de agua al fluído aeriforme o gaseoso que resulta de la vaporización del agua. La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión y la temperatura. A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede vaporizar agua, con tal que se disminuya convenientemente la presión a que se encuentre sometido dicho


líquido, y también a cualquier presión puede ser vaporizada el agua, con tal que se aumente convenientemente su temperatura.

3.4. CALDERA ACUOTUBULAR DE STEINMÜLLER. El Laboratorio de Máquinas Térmicas de la Escuela Industrial OTTO KRAUSE tiene dos calderas de esta clase, gemelas, marca Steinmüller, desde 1913, siendo el primer Laboratorio para prácticas con alumnos de sudamérica. Estas calderas mixtas o intermedias, tienen tubos adosados a cajas, inclinados sobre el hogar y un colector cilíndrico grande encima, llamado domo o cuerpo cilíndrico, en donde se produce la separación del agua y el vapor. Además el vapor que se obtiene puede ser húmedo o seco, haciéndolo pasar por un sobrecalentador. La producción de vapor de estas calderas es de unos 1500 kg/hora cada una, a una presión de régimen de 13 atm. absolutas y 300 °C de temperatura. Desde su construcción estaban preparadas para quemar carbón, pero en el año 1957 el Prof. Lorenzo Lambruschini con la ayuda de sus alumnos, le incorporó sopladores y quemadores para combustibles líquidos.

En general los tubos son la parte principal de la caldera, y dos o tres accesorios llamados colectores, en donde se ubican las válvulas de seguridad, termómetros, tomas de vapor, entrada de agua, etc.

A lo largo de los últimos 50 años, el concepto sobre el que se basa el proyecto de los generadores de vapor, ha sufrido cambios fundamentales como consecuencia de las innumerables investigaciones que permitieron conocer los procesos de la combustión, transmisión del calor, circulación del agua y de la mezcla agua-vapor y del acondicionamiento del agua de alimentación.

3.5. CALDERA BELLEVILLE. Las calderas se construyen en una amplia variedad de tamaños, disposiciones, capacidades, presiones, y para aplicaciones muy variadas.

La caldera de la izquierda tiene un hogar con dos entradas para ingreso del combustible sólido, con los tubos hervidores horizontales y domo frontal superior, con las válvulas de seguridad incorporadas. Es para una presión de unas 30 atm. y una temperatura de unos 400° C.

3.6. CALDERAS DE TUBOS DOBLADOS. Este diseño ofrece mayor flexibilidad pues donde la altura libre es limitada la caldera puede hacerse ancha y baja, o puede ser alta y estrecha en los sitios donde la limitante sea la amplitud. Los principales elementos de una caldera de este tipo son esencialmente drums o tambores conectados por tubos doblados. Las primeras unidades fueron de 4 tambores y, aunque este era un diseño bastante aceptable, fue mejorado por el de 3 y más tarde por el de 2 tambores. Ver figura No. 7.


Figura N° 7. Caldera de tubos doblados

Algunas ventajas que estas calderas muestran sobre las de tipo horizontal son las siguientes:

Respuesta rápida a fluctuaciones de carga. Gran economía en la fabricación y operación. Mayor accesibilidad para limpieza y mantenimiento. Producción de un vapor de mejor calidad. Capacidad para trabajara ratas de evaporación mucho más altas.

3.7. CALDERAS DE TUBOS DOBLADOS Y PAREDES DE AGUA. Cuando se necesitaron calderas de mayor capacidad se hizo necesario aumentar el tamaño de los hornos lo que incremento fa temperatura en ellos. Esto trajo como consecuencia un excesivo mantenimiento en el refractario del horno, especialmente cuando se quemaba carbón. Las más altas temperaturas de gases incrementaron el ensuciamiento de las superficies de transferencias. En sus esfuerzos por producir calderas más eficientes y económicas los diseñadores desarrollaron un horno, virtualmente rodeado por una superficie de transferencia en forma de paredes. Estas paredes están constituidas por bancos de tubos y se llaman paredes de agua o paredes de tubos de agua y además de evitar las excesivas temperaturas por ensuciamiento aumentan la capacidad de generación. A partir de la aparición de lag calderas con paredes de agua, los diseños se estandarizaron en tres tipos básicos: Calderas tipo A, tipo O y tipo D.

3.8. CALDERAS TIPO A. Consisten de un tambor de vapor y dos tambores de lodos arreglados de forma que asemejan una A con el tambor de vapor en el vértice y los tambores de lodos en el fondo. Ver figura No. 8.


Figura N° 8. Caldera Tipo A

3.9. CALDERAS TIPO O. Constan de un tambor de vapor localizado directamente encima del tambor de lodos pero ambos se encuentran en el centro de la caldera y los tubos que los unen asemejan una O. Ver figura No. 9.

Figura Nº 9. Calderas Tipo O y Tipo D

3.10. CALDERAS TIPO D. El tambor de vapor está directamente encima del tambor de Iodos pero hacia un lado del horno y una serie de tubos une !os tambores verticalmente. El resto de tubos se extiende horizontalmente desde los tambores de vapor y lodos hasta las paredes del horno donde se convierten en tubos de pared de agua.

3.11. CALDERAS PIROTUBULARES. En estas calderas los gases calientes pasan por el interior de los tubos, los cuales están rodeados de agua. Generalmente tiene un hogar integral, llamado caja de fuego, limitado por superficie enfriadas por agua.

Estas calderas son con tubos de retorno, se utilizan en pequeñas centrales industriales debido a sus pequeñas capacidades de producción de vapor, presión limitadas y de baja velocidad de producción de vapor. El cuerpo de la caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor.


Las calderas pirotubulares se desarrollaron principalmente en dos modelos: De retorno horizontal y de horno interno o tipo escocés.

3.12. CALDERA DE RETORNO HORIZONTAL. Son calderas de un bajo costo inicial y de simple construcción, muy usadas en sistemas de calentamiento de edificios y producción de vapor para pequeñas factorías.

Consisten de un casco cilíndrico con gruesas paredes terminales entre las cuales se encuentra soportado un gran número de tubos de 3" o 4" de diámetro, aunque se pueden tener diámetros menores, esto da mayor superficie de transferencia y por ende mayor generación de vapor. Ver figura No. 03.

Figura Nº 3. Caldera de retorno horizontal.

La caldera está suspendida sobre unos muros de ladrillo en un horno. La parrilla o quemadores están localizados directamente debajo de la parte de enfrente del casco o tambor.

3.13. CALDERA DE HORNO INTERNO. Llamada también tipo escocés, la combustión tiene lugar en un horno cilíndrico que se encuentra dentro del casco o tambor de la caldera. Los tubos de humo están a lo largo del casco y envuelven al horno por los lados y su parte superior. Ver figura No. 04.


Figura Nº 4. Caldera pirotubular de horno interno

Los gases que salen del horno cambian de dirección en una cámara en el extremo y regresan, recorriendo completamente !a unidad, hasta una caja de humos localizada en el frente. Este tipo de caldera fue muy utilizado en los barcos.

3.14. CALDERA PIRUTUBULARES VERTICALES. La caldera vertical de tubos de humos es compacta, ideal para espacios reducidos (tintorerías, lavanderías, planchados industriales, etc.) cuyos requisitos de presión y capacidad entran dentro de alcance de este tipo de calderas.


4. PARTES DE UNA CALDERA.

TAMBOR DE VAPOR: Es el lugar donde el agua y el vapor se separan. Aquí se encuentra la entrada de agua de alimentación, la cual entra bajo control de nivel. Todos los tubos de flujo ascendente y descendente van acoplados a este tambor. Existe también una salida de vapor hacia el sistema de proceso o a un supercalentador. En el tambor de vapor se instalan válvulas de alivio o de escape para proteger al sistema.

El método de separación del agua y del vapor es el mismo en la mayoría de las calderas y se lleva a cabo en un separador mecánico o en un separador ciclónico. La mezcla de vapor y de agua procedente del haz ascendente se dirige al separador ciclónico por medio de una placa deflectora. La fuerza centrífuga en el ciclón separa las gotas de agua, y el vapor sale del ciclón y pasa a través de mas separadores hasta que se tiene vapor relativamente seco para uso en las unidades de proceso.

CAJA DE SECADO: Es un compartimiento interno para colectar el vapor seco y distribuirlo a los tubos de salida al supercalentador. El tambor de vapor debe estar diseñado para trabajar mínimo durante un minuto sin suministro de agua de alimentación con los quemadores encendidos. En realidad el tambor debe tener reserva para 20 o 30 segundos y los tubos deben proporcionar la diferencia.

TAMBOR DE LODOS: Los tambores de lodos son los cabezales de recolección en el fondo de los haces de tubos ascendentes y descendentes. De estos tambores de lodos se extrae la purga. La purga es el liquido que se extrae de la caldera para mantener baja la concentración de sólidos en el agua de la caldera. Normalmente hay dos corrientes de purga, una es una purga continua de una cantidad fija de agua, la otra es intermitente. La purga intermitente se ajusta para mantener el agua de calderas dentro de la especificación de sólidos disueltos que se estipule.

VENTILADOR: Son los encargados de suministrar el aire para la combustión en las calderas de tiro forzado y de sacar los gases desde el hogar hacia la chimenea en las calderas de tiro inducido. Deben tener una capacidad superior en un 15% al flujo a máxima carga para suplir las perdidas por ensuciamiento de la caldera, disminución de la calidad del combustible o desgaste de los mismos ventiladores.

PRECALENTADOR DE AIRE: Es un intercambiador generalmente con vapor de baja presion que se condensa y retorna al sistema como agua de alimentación. Latemperatura normal del aire entrando al calentador de aire debe estar entre 140°F y 176°F.

CALENTADOR DE AIRE: En esta parte se termina de darle temperatura al aire que va para la combustión intercambiando temperatura con los gases que vienen de la combustión.


ECONOMIZADOR: Es la parte de la caldera donde por intercambio de temperatura entre los gases de combustión y el agua de caldera se le baja temperatura a los gases de combustión y se le incrementa al agua de caldera para economizar combustible en el proceso de producir vapor y a su vez minimizar el impacto ambiental porque evitamos el aumento de la temperatura del medio ambiente.

El economizador puede estar situado dentro de la caldera, como parte de la zona de convección, o puede ser externo donde por razones de espacio no se puede aplicar el arreglo anterior.

CAJA DE AIRE: Es la parte por donde se conduce el aire que va del ventilador hacia los quemadores.

HOGAR DE LA CALDERA.

Está constituido por una serie de tubos que forman las llamadas paredes de agua que le dan la forma y encierran la zona radiante de la caldera pues allí el calor es transmitido principalmente por radiación. Según la colocación de los quemadores el hogar de la caldera puede ser:

PARALELO; Cuando los quemadores están colocados al frente o al frente y atrás.


TURBULENTO; Cuando los quemadores están ubicados en las esquinas e inyectan el combustible en forma tangencial. Este tipo de hornos es ideal para la quema de carbón pues ofrece mayor turbulencia y mejor mezcla aire/combustible. El hogar de la caldera debe cumplir básicamente con los siguientes requisitos:

Tener capacidad para admitir el volumen de aire necesario para la combustión. Tener suficiente altura para asegurar circulación adecuada de agua por los tubos. Tener dimensión suficiente para evitar que la llama ataque las paredes de tubos. Tener forma y dimensiones adecuadas para asegurar que los gases llene el hogar

proporcionando absorción térmica optima en todas las partes.

La tubería del hogar debe ser de la mayor longitud posible para minimizar las soldaduras.

Debe comprobarse la limpieza de su interior, las facilidades para entrar en su interior deberá poseer su propio refractario antes de sus compuertas, los refractarios de las “gargantas” de los quemadores no deben tener fisuras o rajaduras que alteren el normal flujo de aire de la combustión, lo mismo que el refractario del piso.

QUEMADORES.

Figura Nº 11. Quemadores

Son los elementos de la caldera encargados de suministrar y acondicionar el combustible para mezclarlo con el aire y obtener una buena combustión. Deben producir una llama estable y uniforme de manera que se realice una cierta distribución en el hogar.

Los quemadores de gas son perforados y por sus orificios el gas debe salir a una velocidad mayor que la del aire para asegurar una penetración integra del chorro de aire.

En los quemadores de aceite, este debe ser atomizado para aumentar la superficie de contacto con el aire. La atomización se realiza generalmente con vapor pero se puede utilizar aire


también. Aunque el vapor produce una muy buena atomización, presenta como desventaja que causa un mayor contenido de agua en los gases de combustión y disminuye el punto de rocío de los gases, además representa consumo de vapor que no se recupera.

DESHOLLINADOR: La mayoría de calderas están equipadas con sopladores de hollín, los cuales sirven para mantener la superficie exterior de los tubos limpia y libre de material que pudiera afectar la transferencia de calor. Se utiliza vapor para el soplado del hollín y la frecuencia de la operación depende del combustible usado.

Existen dos tipos de sopladores de hollín; los fijos o estacionarios y los retráctales.

TUBOS DESCENDENTES: Los que bajan el agua más densa del tambor de vapor al tambor de lodos.

TUBOS ASCENDENTES: Son los tubos por donde sube el agua que a perdido densidad y va al tambor de vapor.

SUPER CALENTADOR: Es un equipo que ofrece una superficie de absorción de calor por medio de la cual se eleva la temperatura del vapor por encima de su punto de saturación. Entre las principales razones para realizar este trabajo tenemos:

Se aumenta la eficiencia total de la unidad. Se aumenta la ganancia termodinámica de l vapor. Se obtiene un vapor mas seco.

CHIMENEA: Conducto por donde salen los gases de combustión.

ACCESORIOS BÁSICOS DE UNA CALDERA.

1. Válvulas de seguridad.

2. Válvulas de aguja o de purga.


3. Válvulas de control.

4. Válvulas de corte.

5. Indicadores de temperatura.

6. Indicadores de presion.

7. Transmisores de flujo.

8. Transmisores de nivel.

9. Analizador de oxigeno.

10. Foto celdas.

11. Magnetrol. (cortes)

12. Mirillas.

13. Indicadores de nivel.


5. CALCULO DE LA CALDERA PIROTUBULAR VERTICAL.

Para cálculo de la caldera vertical se partirá de datos de requerimiento de la fábrica obtenidos por la caldera, el cual los tubos de humos se encuentran en posición vertical y están parcial o completamente rodeados de agua. Para aumentar la eficiencia de este tipo de calderos muchas veces se utilizan dos pasos de humos.

En esta clase de calderas de tubos de humo, los productos de la combustión pasan a través del interior de los tubos con el agua rodeándolos por el exterior. Las calderas de tubos de humo generalmente son utilizados para capacidad de 22kg/h y presión de 21kg/cm2, por encima de esta capacidad y presión se usan las calderas de tubos de agua.

Los tubos en todas las calderas piro tubulares

Según la norma ASME deben ser laminados y mandrilados (chaflanados) o laminados y soldados. Los tubos son mandrilados o chaflanados en sus bordes externos para evitar que los finales de tubo sean quemados por los gases calientes en esta zona. El mandrilado también incrementa la transferencia de calor cerca de la chapa final del tubo y la unión de este. Las pestañas o rebordes del extremo del tubo sin achaflanados en aproximadamente 1/16” (1.6mm) en diámetro sobre le dinámetro exterior del tubo de modo que permita al tubo introducirse sobre la palca sin dañar el taladro de este.

6. DATOS DE LA CALDERA A CONSTRUIR.

DATOS GENERALESMARCA: NINGUNAMODELO: VERTICALPROCENECIA: NACIONALAÑO DE ADQUISICION: 2013DATOS TECNICOSPRESION DETRABAJO: 70 PSI (MAX)PRESION DE DESEÑO: 100 PSI.CAPASIDAD DE VAPOR: 135 Kg/hTEMPERAURA DE VAPOR: 130 °CINFORMACION DE CONBUSTIBLECLASIFICACION: LIQUIDOTIPO: DIESEL


DATOS:

Presión de trabajo: 70 psi.

6.1. CALCULO DE LA POTENCIA DEL CALDERO.

Dónde:

15.44 = factor de conversión

Por lo tanto de la presión de trabajo (70 psi) se obtiene la entalpia de salida y de entrada

siendo: (70 psi) y la temperatura de vapor saturado de 148.9 y la de alimentación de 20 , siendo un líquido comprimido.

20

413.685438 Kpa413.685438 Kpa20.035 Kcal/Kg655.39 Kcal/Kg

Tabla de entalpia correspondiente a temperatura y presión del caldero

Remplazando:


Para calderos de vapor es recomendado un factor de seguridad de 1.2 la potencia del caldero será:

6.2. CALCULO DE NUEVO FLUJO MASICO.

Hallamos con la ecuación anterior despejando podremos hallar el nuevo flujo másico de vapor, con la cual trabajaremos para el dimensionamiento del caldero.

6.3. DIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE CALDERO.

Estas clases de calderos están formados por dos partes principales.

CUERPO

QUEMADOR.

6.4. ESTUDIO DEL CUERPO.


El cuerpo está compuesto por:

Coraza Espejos (placas perforadas) 2 tapas Tubos

Hogar Placas de factores en los carretes Chimenea

6.5. ESTUDIO DE LOS TUBOS.

6.5.1. DIAMETRO DE LOS TUBOS.

Para esta potencias relativamente bajas, las casas constructoras recomiendan tubos de acero al carbono API 5L/ASTM A53/A106 de la cual tenemos 2 pulgadas IPS 40; esta nomenclatura le da un diámetro interno de 52.48mm y un diámetro externo de 60.3mm con estos diámetros se puede calcular el espesor de la pared del tubo. Siendo la presión de trabajo de 70psi. Podemos calcular el esfuerzo ejercido sobre la tubería y determinar así si el diámetro obtenido es apropiado.

6.5.2. ESFUERZO EJERCIDO SOBRE LAS PAREDES DE LOS TUBOS.

Se puede apreciar en la figura como se encuentra actuando las fuerzas sobre los tubos que se encuentran en la parte interna del caldero.


Del libro de Ferdinand p. beer Johnston utilizamos la ecuación para recipientes a presión

Siendo el esfuerzo admisible del material 250 Mpa para tención y comprensión.

DONDE:

P=presión ejercida en la pared exterior del tubo

r= radio del tubo (diámetro exterior)

t= espeso de la pared

P=-482633.010522 Pa (70psi) (el signo menos indica que el elemento se encuentra en compresión)

r = 60.3/2mm =0.03015m

t= 0.00391m

Aplicando la ecuación tenemos:

El signo negativo haces referencia a que el tubo está sometido a un esfuerzo de compresión y que para la presión mostrada este si soporta.

6.5.3. LONGITUD DE LOS TUBOS.

La longitud de los tubos está en función de las formulas experimentales en las que cada una de ellas es una función de la potencia; por la siguiente ecuación:


6.5.4. CALCULO DEL AREA DE CADA TUBO.

A c/Tubo = 0.132 m2

6.5.5. ESTUDIO DEL AREA DE CALEFACCION.

Esta área tiene diferentes parámetros a los elementos sólidos, este valor es una función de la potencia del caldero y se encuentra en muchas fórmulas experimentales está dado por la ecuación:

6.5.6. CALCULO DEL NÚMERO DE TUBOS.

6.5.7. DISTRIBUCION DE LOS TUBOS.

Para la distribución de los tubos en los espejos deben tener una distribución de triángulo equilátero; con este tipo de distribución logramos obtener mayores eficiencias al momento que se está produciendo la transferencia de calor. Y es recomendada una distancia entre los tubos de 1.25 a 1.75 del diámetro de los mismos.


Para el diseño del caldero a realizar se ha tomado un valor de 1.5, quedando el paso de

los tubos de:

Por lo que:

6.6. DIAMETRO DEL ESPEJO.

Cuando se Construyen calderos se recomienda diámetros de espejo de 1.06 m hasta una potencia de 100 BHP.para este caso se recomienda elaborar un cilindro a partir del perímetro de una plancha de acero comercial, la cual tiene las siguientes dimensiones 1.22m x 2.44m, en el cual el diámetro del espejo seria:


6.7. ESFUERZOS EJERCIDOS SOBRE LAS PAREDES DEL CALDERO.

Aplicando la ecuación para recipientes a presión ya descrito anteriormente y siendo el esfuerzo admisible del material para acero al carbono igual a 250 MPa, y teniendo los datos de la presión (P) 482633.010522 Pa (70 psi); el radio (r) 0.39 m y el espesor de pared (t) de 0.008 m se tiene:

El cual el 23.5MPa representa el 9.4% del esfuerzo admisible. Sin embargo optamos por el espesor mencionado ya que en muchas cosas las empresas donde funcionan estos calderos no lo tienen en operación todo el día; esto provoca grandes inconvenientes en las paredes del caldero tal como oxido debido a la interacción con la humedad del ambiente.

6.8. ESTUDIO DEL HOGAR.

El hogar es un tubo cuyo diámetro debe estar entre el 40 y el 45% del espacio.

Dhogar

Es decir este diámetro podrá ser de 31 ó 35 cm optando por 32cm de diámetro exterior.

La posición de este tubo en el espejo es depende exclusivamente en la distribución que el ingeniero le dé a los tubos en los espejos, es decir se puede subir o bajar a lo largo del eje vertical de tal forma que sugiere que sobre el mismo existen dos filas de tubos y que tengan el área para acumulación de vapor tal como muestra la figura.

El área para el vapor debe tener 20% de la altura del diámetro del espejo.


6.8.1. CALCULO DE ESFUERZO EJERCIDAS SOBRE LAS PAREDES DEL HOGAR.

En el grafico podemos observar cómo se encuentra a cuando las fuerzas sobre el hogar.

La ecuación utilizada anteriormente para recipientes a presión y un esfuerzo admisible del material (acero construcción) de 250 MPa para tensión y comprensión tenemos:

DONDE:

P=presión al exterior del hogar

r= radio del tubo

t= espeso de la pared

P= - 482633.010522 Pa (70 psi)

r = 0.32/2m =0.16m

t= 0.008m

Aplicando la ecuación tenemos:


Por lo que el esfuerzo de 9.62MPa indica que la paredes del hogar esta sometidos a un esfuerzo de compresión y que para la presión mostrada este soporta.

6.9. VOLUMEN DE LOS TUBOS.

6.10. VOLUMEN DEL HOGAR.

Para el hogar no se utiliza tubo debido a que sus costados son muy elevados y no se encuentra con facilidad en el mercado por lo que se construye de plancha de acero de 8 mm

De esta manera remplazamos los valores en la ecuación de acumulación de vapor se tiene el volumen total que va a ocupar el líquido:

El volumen para acumulación de vapor se obtiene directamente:

Con los cálculos realizados se comenzaría dibujar los espejos con la distribución de los tubos y ubicación del hogar.

Como se puede observar en la gráfica están más número de tubos a los calculados (29), esto es debido al aumento que se tendrá en el área de calefacción.


Al momento de quemar el combustible en el hogar, se producen temperaturas elevadas que oscilan entre los 900ªc, mientras tanto el interior del caldero se mantiene a una temperatura aproximada de 150C, por lo tanto se tiene un diferencia de temperaturas elevado y por lo tanto la transferencia de calor es mucho mayor que en los siguientes pasos.

Una vez que los gases de combustión salen del hogar, estos chocan en las tapas posteriores del caldero, para luego pasar por tubos de diámetro menor, los tubos mencionados se encuentran a los costados del hogar. La transferencia de calor disminuye considerablemente en comparación con el hogar ya que la temperatura de los gases de combustión es menor.

La distribución en el grafico anterior permite colocar mas tubos a los calculados (29) 36 tubos., que permite aumentar considerablemente la eficiencia del caldero. Pero el volumen del líquido que puede ingresar al caldero será menor.

6.11. NUEVO VOLUMEN DE LO TUBOS.

Remplazamos los valores en la ecuación:

Por, lo que ingresa 157.6 litros de agua en la parte interna del caldero.

6.12. POTENCIA DE LA BOMBA DE ALIMENTACION DE AGUA.

En esta ecuación nos dará la potencia en caballos de vapor (HP)


Q=caudal de la bomba

Para obtener el trabajo de la bomba utilizaremos la ecuación de bernoulli.

De la cual podemos decir que:

Y

Ya que la velocidad se aproxima a cero.

En muchos casos el tanque de diario esta casi a la misma altura que el nivel de agua del caldero:

De esta forma se tiene:

6.13. CALCULO POR PERDIDAS POR FRICCION

Partiendo de la ecuación de darcy:

L = tubería de ingreso al caldero (2.5m)

D = diámetro interno de la tubería (1.5pulgads)

Cálculo de la velocidad V de flujo :


6.14. CALCULO DEL FACTOR DE FRICCION f.

Esta es una función del número de Reynolds y el factor de rugosidad (e/d). Par tubería galvanizada se tiene un factor de fricción e=0.0018in.

Entonces:

El número de Reynolds se encuentra utilizando la ecuación:

Siendo:

Ya que se trata de un flujo laminar, es decir siendo el número de Reynolds menor a 2000 utilizaremos la fórmula:

Las pérdidas en la sección son:

Obteniendo en una instalación de tubería dos válvulas de globo iguala 10 u válvula de flujo unidireccional es de 2.5 y tres codos 90º igual a 0.9.


Con lo cual:

El trabajo de la bomba se simplifica a la diferencia de presiones más las perdidas por fricción obtenida:

Así para la bomba de alimentación seria:

6.15. FLUJO DE GASES DE COMBUSTION EN LAS TUBERIAS DEL CALDERO.

Según las empresas constructoras de caldero recomiendan tubería de 2” de diámetro. El cual ha de ser analizado con las ecuaciones de flujo de tuberías para asegurar el correcto funcionamiento del caldero.

La suma de ambos ingresa a la cámara de combustión

El flujo de aire s mayor que el de combustible, siendo este último la milésima parte del flujo de aire, se puede despreciar y se realizara análisis con el flujo de aire mencionado a las temperaturas que se puede alcanzar en cada paso.

Par efectos de cálculo tomaremos solo el aire para calcular la velocidad del interior de los tubos; se arar esta simplificación ya que el volumen del combustible tiende a cero. Sin embargo


el combustible es el que determina la velocidad de los humerales en función de su poder calorífico.

Para el cálculo de los volúmenes se partirá de la ecuación de flujos de gases.

Dónde.

Y conociendo que.

Calculando:

6.16. VELOCIDAD EN EL PRIMER PASO.

Diámetro de hogar 32cm, área trasversal será:

Aplicando:


Se tiene:

Considerando una velocidad normal. Pero en el hogar siempre se nota que a velocidad es mayor, esto se debe a que la flama no ocupa toda el área; por lo tanto esto proporcional al área ocupada.

6.17. VELOCIDAD EN EL SEGUNDO PASO.

La temperatura de los humerales en este paso es menor a la que se registra en el hogar; siendo esta entre 450 y 700°C, calculando el flujo tenemos.

Diámetro de tubería 5.24cm, numero de tubos 36. El área transversal Sra.:

Luego:

6.17 . CALCULO DE LA CHIMENEA.

La temperatura media de los humos en la chimenea oscila alrededor de los 200°C; por lo tanto se ha de diseñar un ducto por el cual puedan salir con facilidad los gases que circulan por el interior del caldero y su vez se produzca un efecto de succión para los mismos.

6.18. DENSIDAD MEDIA DE LOS HUMERALES.

La densidad media de los gases se obtiene con la ecuación de los gases, considerando la mescla de los gases como un gas ideal.

Dónde:


Remplazando la fórmula del volumen especifico de los humerales y valores mencionados,

tenemos:

El caudal volumétrico de los productos de la combustión podrá calcularse. Con muy buena aproximación:

Si estimamos un diámetro de chimenea de 30cm; la velocidad en la chimenea sería:

6.19. CALCULO DE ESFUERZO PRODUCIDO POR LA TEMPERATURA.

En el caldero las distribuciones de temperatura no es la misma en todo el caldero, en el interior el agua tiene ligeras variaciones pero podemos decir que es la misma en todos los puntos. Sin embargo la variación de temperatura en los gases de combustión es considerable. Produciendo de este modo graves problema en el diseño.

La temperatura de los gases en el hogar oscilan entre los 900°C, en el segundo paso se estima 600°c y la temperatura promedio del agua en el interior del caldero alrededor de los 120°C. Siendo materiales homogéneos, podemos estimar una temperatura promedio en cada caso para el cálculo. Tal como se muestra en la figura.


Al momento de construir el caldero, se lo hace a temperatura ambiente; es decir 20°C. A esta temperatura, los elementos del caldero se encuentran sin fuerzas internas. Pero cuando se termina de construir y se realizan la prueba de funcionamiento, sus elementos se dilatan proporcionalmente a la temperatura.

La siguiente formula relaciona la temperatura, la longitud del material y el coeficiente de dilatación térmica para poder determinar la dilatación del material.

Dónde:

El hogar, el segundo paso, así como los espejos son de la misma material, pero la temperatura a la que están expuestos es diferente; por lo que se calculará para cada elemento la dilatación térmica.

elemento

Hogar 11.7x10-6 500 -20 4.52

Segundo paso 11.7x10-6 340 -20 3.12

coraza 11.7x10-6 120 -20 0.931

Podemos apreciar que la diferencia en cada longitud es insignificante, por lo tanto ha de ser necesario calcular los esfuerzos en cada elemento. Pero tenemos que realizar el análisis con todos los elementos y eso nos llevaría a métodos de cálculo extenso.

6.20. ANALISIS DE ESFUERZOS ENTRE EL HOGAR Y LA CORAZA.


Como la coraza se encuentra a 120°c, se calculó una deformación de 0.931mm mientras que el hogar se mantiene a 500°c, presentando una deformación de 4.52mm tal como se muestra en la figura.

La deformación en cada caso se realiza en ambas direcciones y se considera que la separación entre las placas es despreciable; por lo tanto la deformación efectiva para el análisis será:

Para encontrar los esfuerzos, podemos utilizar la siguiente ecuación:

DONDE: P es la fuerza que ejerce el material dilatado sobre el material del ensamble, L es longitud del material sin deformación, A es el área del material sin deformación y E es el módulo de elasticidad del material (acero A – 36 E= 200GPa).

Y como el esfuerzo que buscamos es: (considerando que las áreas son las mismas).

Entonces:

Si el esfuerzo admisible es de 250MPa, este cálculo nos indica que existe un problema en el diseño.

Tomando los cálculos de la deformación, podemos ver que entre los tubos del segundo paso y la coraza existe mayor diferencia de desplazamiento.


elemento

Hogar 11.7x10-6 500 -20 4.52Segundo paso 11.7x10-6 340 -20 3.12coraza 11.7x10-6 120 -20 0.931

Tabla: deformaciones producidas en el hogar y el segundo paso (tubo)

Siendo esto:

La diferencia entre la deformación se divide para dos, ya que los tubos y la coraza se deforman ambas direcciones de eje z. para el diseño mostrado los esfuerzos no los mismos en los elementos mencionados; sin embargo la fuerza aplicada es la misma.

P: fuerza

A: área trasversal de cada elemento

La deformación en ambos elementos será:

Como:

Datos:

Con la fuerza encontrada, podemos calcular los esfuerzos en cada elemento:


El esfuerzo útil para este material es 400MPA; por lo tanto el factor de seguridad en cada caso será:

Se puede apreciar que los factores de seguridad no llegan al recomendado por la ASME F.S.=4; la solución a este inconveniente está en el espesor de los espejos.

En los espejos se producen pandeos bidimensionales, de las deformaciones producidas por la temperatura. En la siguiente figura se muestra los efectos producidos por una misma fuerza y diferentes espesores de pared.

Si la placa tiene mayor espesor la deformación será menor y si tiene menor espesor la deformación será mayor. Cuando se coloca placas de gran espesor, los esfuerzos en los tubos, en este caso para el segundo paso, el hogar y la carcasa son mayores. Por lo tanto, si se coloca un espesor de pared menor se aliviara los esfuerzos en todos los elementos; no obstante se notara ciertas deformaciones en los espejos.

Podemos recomendar espesores entre 3/8” y 1/4”, escogiendo al de espesor de placa 6mm ya que con este espesor se lograra que los esfuerzos sean lo más mínimo posible.

6.21. AISLANTE DE CALDERO.

Con el objetivo de reducir notablemente las perdidas por transferencia de calor en las superficies del caldero, se recubrirá de una capa aislante a la superficie externa del equipo. La elección del tipo de aislante así como del espesor efectivo se limita a las características del


material que se encuentran en el mercado. Un aislante muy conocido y de fácil adquisición es la lana de vidrio que se encuentran en rollos de 15m con un espesor de25mm y un ancho de1.2m.

El aislante mencionado resulta ideal para nuestra aplicación ya que, su montaje es sencillo, no representa elevados costos de inversión y posee una excelente resistencia térmica. Debido a que este material se lo encuentra por rollos, utilizaremos dos capas de aislante sobre la superficie del caldero, logrando así un espesor de pared de 50mm. Éste a su vez, estará protegido por una plancha metálica que evite su deterioro.

6.22. TABLAS DE RESULTADOS CALCULADOS.

8.36HP 121.34Kg/h 0.701m 36 0.776m

0.32m 0.09CV 2.22gal/h 0.0492CV 0.30m


7. CONCLUSIONES.

En la mayaría de las micro empresas dedicadas a la construcción del caldero no saben cuánto podría ser el riesgo en un caldero cuando no se utilice el cálculo de construcción en sí podrían poner en riesgo la vida de las personas que se encuentran laborando en la empresa.

El principal problema que se observa con respecto al caldero que construye la empresa en comparación con el propuso, es que el consumo de combustible del caldero es de 5gls/h, mientras que en el propuesto es de 2.2gls/h, esto es debido a la eficiencia del caldero, es decir mientras mayor es el número de tubos en el caldero mejor va ser la eficiencia y el consumo de combustible por ende va ser menor.

En el colocación del hogar y tubos existe una diversidad de posicionamiento, pero al hogar se opta por colocarlo en el centro de los espejos ya que así se disminuirían los esfuerzos producidos en el momento de funcionamiento.

En el momento que los ases circulan en la parte interna del caldero disminuye su temperatura, esto se debe a la interacción que existe con los paredes de los tubos, siendo así de mayor área en el último paso y menor velocidad de flujo de los gases para así lograr reducir la transferencia térmica hacia el agua del caldero.


8. ANEXO.



CALDERAS DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA

9.- BIBLIOGRAFIA.

Censo de instrumentos críticos plantas Unidad de Balance (servicios). Sección III Instrumentos, Superintendencia de Mantenimiento. Septiembre 1988

Manual de Operación y mantenimiento. Calderas fabricadas por DISTRAL S.A. para ECOPETROL, Unidad de Balance Barrancabermeja. Serie A-2212. Tomo I.

Manual de Operación de calderas B-2951/55 de Unidad de Balance. Grupo III de la Superintendencia de Operaciones III. ECOPETROL - Complejo Industrial de Barrancabermeja, 1987. 159 p.

ALVAREZ CORREA, JAIME ANDRES. “Aplicaciones termográficas en calderas. ECOPETROL, Complejo Industrial. Grupo de Inspección de Equipos, 1994.

CARREÑO, JUSTO. “Mantenimiento programado de B-2951-4. Grupo III Servicios Industriales. Barrancabermeja, 1994.

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Trabajo Investigacion Pirotubular