ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL EJERCITO SEDE ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL EJERCITO SEDE
LATACUNGA LATACUNGA
FACULTAD DE INGENIERIA DE EJECUCION EN FACULTAD DE INGENIERIA DE EJECUCION EN
ELECTROMECANICA ELECTROMECANICA
TESIS PREVIA DE LÑA OBSERVACION DEL TITULO DE TESIS PREVIA DE LÑA OBSERVACION DEL TITULO DE
INGENIERO
INGENIERO DE DE EJHECUCION EJHECUCION EN EN ELECTROMECANICAELECTROMECANICA
TEMA:
TEMA: DISEÑO DISEÑO Y Y CONSTRUCCION CONSTRUCCION DE DE UNA UNA CALDERACALDERA
PIROTUBULAR HORIZONTAL
PIROTUBULAR HORIZONTAL DE TRES DE TRES PASOS PASOS 50 BHP50 BHP
POR: FRANCISCO XAVIER CAJAMARCA CORRAL POR: FRANCISCO XAVIER CAJAMARCA CORRAL
LATACUNGA
LATACUNGA
–
ECUADORECUADOR DICIEMBRE 2001 DICIEMBRE 2001DEDICATORIA DEDICATORIA
Este trabajo es dedicado al esfuerzo de mis padres Este trabajo es dedicado al esfuerzo de mis padres
CERTIFICACION
CERTIFICACION
Certificamos que el presente trabajo fue realizado en su totalidad por el Sr. Certificamos que el presente trabajo fue realizado en su totalidad por el Sr. Francisco Xavier Corral, bajo nuestra dirección.
Francisco Xavier Corral, bajo nuestra dirección.
……….. ………..
ING.
ING. William William Ramirez Ramirez Ing. Ing. Juan Juan Castro.Castro.
DIRECTOR CODIRECTOR
PREFACIO
PREFACIO
El presente proyecto pretende ofrecer una alternativa mas económica a las industrias que utilizan el vapor dentro de sus procesos de producción ,mediante la fabricación local de una caldera.
Por tratarse de una máquina sometida a grandes presiones y a severas condiciones de trabajo, deberá ser construida bajo estrictas normas de seguridad y deberá estar equipada con elementos que garanticen un buen funcionamiento ,además del bienestar del personal que trabaja alrededor de la misma.
Este proyecto comprende diseño y construcción de una caldera. Para el diseño se tomará en cuenta las recomendaciones más importantes de los fabricantes internacionales de calderas.
Las ventajas que nos ofrece este proyecto son las siguientes: menor tiempo en la entrega de la máquina , un precio mas económico, fácil mantenimiento y la mas importante que puede ser fabricada localmente.
I.- INTRODUCCION
I.- INTRODUCCION
1.1.- ANTECEDENTES
1.1.- ANTECEDENTES
Al considerarse al vapor como la principal fuente de energía térmica y las mas económica en la mayoría de los procesos industriales a nivel mundial, estaríamos hablando directamente de su máquina generadora conocida como Caldera.
Debido al elevado costo de una maquina generadora de vapor importada ,este se convierte en un obstáculo para las empresas nuevas que necesitan una caldera para sus procesos industriales, y que no están en la capacidad económica de realizar tal inversión.
Bajo este concepto la empresa MICROEMPAQUES S.A. ha tomado la decisión de apoyar e invertir en este proyecto de diseño y construcción de una caldera que
satisfaga las necesidades para la producción de cartón corrugado.
1.2.- OBJETIVOS GENERALES
1.2.- OBJETIVOS GENERALES
Diseñar y construir una caldera que satisfaga con la demanda de vapor para la producción de la compañía MICROEMPAQUES S.A.
Reducir el costo de esta maquina generadora de vapor con relación a una semejante pero importada.
Mantener todas las normas de seguridad y protección durante todo el proceso de construcción y de operación una vez entregada la máquina.
1.3.-1.3.-
OBJETIVO ESPECIFICO
OBJETIVO ESPECIFICO
Entregar la cantidad de vapor necesaria para la preparación del cartón microcorrugado, y la preparación de la goma que se usa en este proceso industrial en este caso particular 700 Kg. de vapor por hora a una presión máxima de 125 psi. estos parámetros fueron entregados por la compañía comercializadora de la maquinaría y equipos en los Estados Unidos
1.4.- ALCANCE
1.4.- ALCANCE
1.4.1.- PARTE TEORICA 1.4.1.- PARTE TEORICA
Se empieza con una visión general de los diferentes tipos de calderas, conceptuando a las calderas mas opcionadas para esta necesidad ,el procedimiento para el diseño térmico y los materiales utilizados en la fabricación. También se indican las
propiedades más importantes del combustible que se utilizara en este caso el diesel. 1.4.2. - DISEÑO
1.4.2. - DISEÑO
Para la fabricación de la caldera se tomarán en cuenta los siguientes aspectos: un prediseño térmico, un diseño térmico corregido para que cumpla con los parámetros de diseño establecidos, y un diseño mecánico analizando y comparando con parámetros establecidos por fabricantes internacionales de calderas.
1.4.3. - CONSTRUCCION 1.4.3. - CONSTRUCCION
Esta caldera será construida en su totalidad en talleres ecuatorianos especializados en este tipo de trabajos ,bajo permanente supervisión durante todas las
etapas de fabricación. 1.4.4.-
1.4.4.- MANUAL MANUAL DE DE MANTENIMIENTOMANTENIMIENTO
Estará incluido un manual de operación en el que se indicará la manera general de manejar la caldera desde su encendido ,además se entregarán los procedimientos para mantener a la caldera en perfectas condiciones de funcionamiento mediante un programa de mantenimiento.
II.- GENERALIDADES SOBRE LAS CALDERAS
II.- GENERALIDADES SOBRE LAS CALDERAS
DE TUBOS DE FUEGO
DE TUBOS DE FUEGO
2.1.- CALDERAS PIROTUBULARES
2.1.- CALDERAS PIROTUBULARES
Estas calderas también son conocidas como " calderas de tubos de humo "o como" calderas pirotubulares"
Su nombre se deriva del hecho que en las calderas de este tipo todo el trabajo o la mayor parte del mismo es realizado por transferencia de calor desde los productos de combustible caliente ,los cuales fluyen por el interior de los tubos, mientras que el agua se encuentra rodeando a dichos tubos.
En estas calderas el agua y el vapor se encuentran contenidos en una carcaza o envolvente ,incluyendo los elementos para producir vapor. Aunque la forma ideal para resistir presiones internas es un esfera ,sin embargo por consideraciones practicas se ha optado por construirlas básicamente en carcazas cilíndricas.
Secciones no cilíndricas y ciertas superficies planas han sido añadidas con el fin de proporcionar resistencia a presiones internas por varios métodos tales como :tirantes diagonales, pernos continuos, o tubos tirantes.
Estas calderas presentan limitaciones en su resistencia estructural para altas presiones, pues en el caso contrario se tendrían que diseñar calderas pirotubulares de
diámetros muy grandes y espesores también excesivos, lo cual sería antieconómico comparado con la producción de vapor que se generaría. Tiene sin embargo ,la ventaja de su gran volumen de almacenamiento de agua, además de su peculiaridad de
compensar los efectos de las grandes y repentinas fluctuaciones en la demanda de vapor. Debido a su gran volumen de agua ,el tiempo que necesita para alcanzar su presión de trabajo , partiendo de un arranque en frío, es considerablemente mayor que el requerido por una caldera acuotubular.
2.1.1.- CARACTERISTICAS 2.1.1.- CARACTERISTICAS
Las calderas pirotubulares se usan principalmente para sistemas de calefacción para la producción de vapor requerido en los procesos industriales o como calderas portátiles.
Se construyen en tamaños de hasta unos 6.800 Kg. (15.000 lb) de vapor por hora. La caldera de baja presión esta limitada a 1.05 Kg/cm2 (15 lb/plg2 )de
presión de vapor, y la caldera de vapor para generación de fuerza , puede operar a una presión de 17.6 Kg/cm2( 250 lb/plg2).
La caldera pirotubular se usa generalmente en donde la demanda de vapor es relativamente reducida, comparada con la demanda de las grandes centrales termoeléctricas.
No se utiliza para el accionamiento de turbinas , porque no es convenientemente adaptable a la instalación de supercalentadores.
Su posibilidad de sobrecalentamiento es limitada y depende del tipo de la caldera ; con el aumento de la demanda de vapor, la temperatura de los gases se eleva rápidamente.
El costo de una caldera pirotubular instalada, es relativamente bajo y considerablemente menor que la correspondiente caldera acuotubular de domo.
Y como ofrece condiciones favorables con respecto a sus costos de fabricación , es perfectamente adaptable a la producción estandarizada.
El diseño de la caldera de tubos de humo se basa principalmente en el hogar y en los pasos de los gases a través de los tubos.
Se han desarrollado muchos dispositivos .Los tubos han sido colocados horizontalmente, inclinados y en posición vertical, con uno o más retornos.
La caldera recibe la denominación de caldera de tubos continuos o de tubos de retorno, de acuerdo con la dirección del flujo de los gases. Puede tener un hogar interno , o estar dotada de fogón externo.
El hogar interno puede ser del tipo de tubo recto, localizado dentro del cuerpo cilíndrico y rodeado por paredes de agua, o puede ser del tipo de caja , con el fogón rodeado de una superficie enfriada por agua, que recibe el nombre de paredes de agua, con excepción de la parte de abajo (piso).
2.2.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS CALDERAS
2.2.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS CALDERAS
PIROTUBULARES
PIROTUBULARES
- VENTAJASVENTAJAS – Menor costo de fabricación
Son portátiles Fácil mantenimiento
Almacenan gran volumen de agua
Soportan fluctuaciones en la demanda de vapor
- DESVENTAJASDESVENTAJAS – Presentan limitaciones para altas presiones Producción de vapor relativamente reducida
Espacio limitado para la instalación de equipos auxiliares como supercalentadores.
2.3.-
2.3.- FORMAS
FORMAS DE
DE TRANSFERENCIA
TRANSFERENCIA DE
DE CALOR
CALOR EN
EN LA
LA
CALDERA
CALDERA
Llevar el calor desde el hogar donde se quema el combustible, hasta el agua que se encuentra dentro de la caldera presenta el problema de la transferencia de calor.
El calor puede transferirse de un punto a otro por tres métodos distintos : radiación , convección y conducción. Las calderas están diseñadas de manera que utilicen perfectamente los tres métodos.
2.3.1.- RADIACIÓN 2.3.1.- RADIACIÓN
Es el fenómeno de transferir el calor en forma de ondas similares a las ondas de radio y de la luz. Así como la luz estas ondas pasan libremente por el aire y otras materias transparentes sin efecto aparente en ellas .
Las llamas del combustible ardiendo dentro del hogar en todas direcciones, de este calor radiante un gran porcentaje pasa directamente de la llama a la superficie de calefacción de la caldera, donde es absorbido.
2.3.2.
2.3.2. - - CONVECCIÓNCONVECCIÓN
La transferencia de calor por convección se debe al movimiento del fluido. El
fluido frío adyacente a superficies calientes recibe calor que luego transfiere al resto del fluido frío mezclándose con él. La convección libre o natural ocurre cuando el movimiento del fluido no se complementa por agitación mecánica . Pero cuando el fluido se agita mecánicamente , el calor se transfiere por convección forzada.
2.3.3.
2.3.3. - - CONDUCCIÓNCONDUCCIÓN
Se efectúa cuando se transmite energía por contacto directo entre las moléculas de 2 o más cuerpos que se encuentran en buen contacto térmico entre sí ; o sea que las moléculas calentadas comunican su energía a las otras que se encuentran inmediatamente adyacentes a ellas.
En general , los sólidos conducen calor mejor que los líquidos y los líquidos mejor que los gases. Esto se explica debido a la diferencia de estructura molecular , puesto que las moléculas de un gas al encontrarse muy separadas, la transferencia de calor de molécula a molécula se torna más difícil.
2.4.
2.4. -
-
CLASIFICACION
CLASIFICACION
DE
DE LAS
LAS CALDERAS
CALDERAS
PIROTUBULARES
Las calderas pirotubulares se pueden clasificar bajo diferentes aspectos entre los más importantes tendríamos según su posición, según el fondo de la parte posterior, según el número de pasos; se podría considerar también por el tipo de combustible quemado sobre todo cuando la diferencia esta entre un combustible sólido y un combustible líquido.
2.4.1.
2.4.1. - - SEGUN SEGUN SU SU POSICIONPOSICION
Las calderas de tubos de fuego se las puede encontrar según su posición en horizontales y verticales, siendo las comunes y utilizadas las de posición horizontal.
FIG. 1:Clasificación de las calderas pirotubulares por la posición en que se encuentran
2.4.2. -
2.4.2. - SEGUN SEGUN EL EL FONDO FONDO DE LA DE LA PARTE POPARTE POSTERIORSTERIOR
La parte posterior de la cámara de combustión en una caldera puede ser de dos tipos de fondo seco y de fondo húmedo es decir que la cámara se encuentra enfriada
FIG. 2:Clasificación según el fondo de la parte posterior de la cámara.
2.4.3.
2.4.3. - - SEGUN SEGUN EL EL NUMERO NUMERO DE DE PASOS PASOS O O RETORNOSRETORNOS
Bajo este parámetro podemos encontrar calderas de dos pasos (fondo seco), tres pasos (con o sin enfriamiento de agua), cuatro pasos (fondo seco).
FIG. 3:Clasificación según el número de pasos.
2.4.4.
2.4.4. - - SEGUN SEGUN EL EL COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE QUEMADOQUEMADO
Este parámetro dependerá de la factibilidad de quemar los diferentes tipos de combustibles líquidos, sólidos y gaseosos, dentro de los mas utilizados estarían el Diesel, el Búnker, el Gas (glp), la madera, el carbón etc.
2.5. -
2.5. - CALDERAS
CALDERAS PIROTUBULARES
PIROTUBULARES HORIZONTALE
HORIZONTALESS
La mayor parte de las calderas tanto de aplicación industrial como de aplicación marina que son usadas actualmente son del tipo horizontal.
Las características de este tipo de calderas son bastante parecidas, a continuacióndetallaremos sus partes principales:
2.5.1.
2.5.1. - - EL EL CUERPO CUERPO O O CASCOCASCO
El cuerpo de la caldera esta compuesto básicamente por un cilindro de plancha de acero en el cual se encuentra formando parte integral el hogar y los tubos de fuego.
La línea del nivel de agua se fija generalmente en un punto localizado a no menos de 5 cm. Arriba del borde de la hilera superior de los tubos de fuego, o de la placa de la corona. El espacio comprendido arriba del nivel de agua es llamado cámara de vapor.
El casco de una caldera de tubos horizontales con piernas de agua, comprende una placa de extensión de la envolvente, prolongada por las placas que forman la caja de fuego o el hogar.
FIG. 4:Cuerpo o casco de una caldera pirotubular horizontal.
2.5.2.
2.5.2. - - EL EL HOGARHOGAR
El hogar constituye la parte de la caldera donde se realiza la combustión de la mezcla aire, suministrado por un ventilador, y el combustible pulverizado a través de un quemador.
El hogar en las calderas pirotubulares va localizado según el tipo de fabricante, este puede ser centralizado en unos casos y un poco desplazado hacia la base o parte inferior de la caldera en otros.
El hogar de las calderas pirotubulares lleva ladrillos refractarios los cuales van pegados entre sí con cemento refractario, todos estos materiales deben ser resistentes a las altas temperaturas que normalmente se producen en el hogar de toda caldera por causa de la combustión.
Este material refractario constituye un recubrimiento interior del hogar, para evitar que estas altas temperaturas alcancen y destruyan la cubierta o carcaza de la caldera.
FIG. 5: Hogar de una caldera pirotubular horizontal.
2.5.3.
2.5.3. - - LA LA CAMARA CAMARA DE DE COMBUSTIONCOMBUSTION
En las calderas pirotubulares modernas se considera que esta forma una sola parte con el hogar, sin embargo en las calderas Scotch, se denomina así la parte posterior del hogar. Es decir en otras palabras al fondo posterior del hogar y en lo que a esta parte concierne existen ciertas diferencias en el diseño de algunas calderas.
Es así que se denominan"calderas de fondo húmedo"a aquellas que tienen su parte posterior enfriada por la misma agua de la caldera; en este grupo encontramos a las calderas Scotch, Kewanee y a las Distral.
Por otra parte, se denominan"calderas de fondo seco"a aquellas que tienen su
parte trasera o posterior en contacto con los gases provenientes de la combustión realizada en el hogar, en este grupo encontramos a las calderas York Shipley y Cleaver Brooks.
Del esquema se puede observar que los tubos de las calderas con fondo seco son todos de la misma longitud, no así los tubos de la caldera con fondo húmedo que son de dos longitudes diferentes. Por otra parte cabe notar que la tapa de registro de la caldera de fondo seco ubicada en la parte trasera es de mayor dimensión que la caldera de fondo húmedo, lo cual facilita su acceso para inspección o limpieza. ( Fig. 2 )
2.5.4. -
Los tubos de fuego son construidos de acero de bajo porcentaje de carbono. La forma como se encuentren estos distribuidos definirá él numero de pasos o retornos de gasescirculando por el interior de los mismos.
Todos los tubos se encuentran soportados y unidos en sus extremos a placas o espejos, en los cuales van expandidos, biselados y pestañeados; o soldados según sea el tipo y marca de la caldera.
Los tubos de fuego son regularmente de 51 mm a 102 mm (2"a 4") de diámetro, y su selección depende de la perdida de tiro y del tipo de combustible a usar. Frecuentemente se aumenta el diámetro en 25 mm por cada 1.22 m de aumento en la longitud de los tubos. Esta relación es variable. Las calderas portátiles con chimeneas cortas, requieren diámetros grandes en los tubos; las que van dotadas de ventiladores de tiro, pueden llevar tubos de menor diámetro.
Cabe indicar que en las calderas de tres pasos, se obtiene la máxima transferencia de calor en el segundo y tercer paso osea en los tubos de fuego, ya que los mismos representan la superficie de calentamiento principal de esta máquina térmica.
En las calderas de cuatro pasos , el 40% del calor es transferido en el hogar y el 60% es transferido en los otros tres pasos de los gases a través de los tubos.
En lo referente a la superficie de calefacción de las calderas pirotubulares , se puede decir en general que todas se encuentran diseñadas tomando como base de 4 a 5 pies cuadrados de calefacción por caballo caldera (bhp). Esto significaría que una caldera que tenga 750 pies cuadrados de superficie de calefacción tendrá aproximadamente 150 caballos caldera de potencia calorífica.
2.5.5.
2.5.5. - - PUERTAS PUERTAS O O TAPAS TAPAS DE DE REGISTROREGISTRO
Las puertas de acceso a los tubos se encuentran localizadas frente a los mismos; las puertas para la limpieza se encuentran en las cajas de humo y otras partes convenientes. Estas puertas son necesarias para remover el hollín y para el cambio de tubos.
Para el acceso se cuenta con registros de hombre, (Manhole) y para la limpieza, desfogue de sedimentos y lodos, así como para la inspección de las partes en contacto con el agua, se dispone de registros de mano (Handhole) y orificios con tapones roscados.
Los grifos de drenaje colocados en las partes inferiores, se conocen como grifos de purga. El vapor o agua caliente se descarga de la parte superior de la caldera por una o varias boquillas o conexiones roscada.
2.5.6.
2.5.6. - - CHIMENEACHIMENEA
La chimenea es el ducto que conduce por medio de un tiro los gases producto de la combustión hacia afuera de la caldera.
El tiro natural se crea cuando la presión barométrica en un punto determinado es inferior al que existe en la región adyacente, en otras palabras se entiende por tiro natural, la diferencia de presiones srcinada por la altura de la chimenea y la mayor temperatura de los gases de combustión con respecto al medio ambiente, dando como resultado una corriente de aire desde el hogar hacia el exterior de la caldera.
En cambio el tiro forzado significa introducir aire a presión al hogar. Utilizando ventiladores y el tiro inducido por su parte significa succionar los gases de combustión a través de ventiladores instalados en la chimenea, para sacarlos hacia el exterior.
FIG. 8:
FIG. 8:Chimenea y cubierta para una chimenea.
III.- COMBUSTION
III.- COMBUSTION
En este capitulo se realiza un análisis del proceso de combustión a efectuarse en el hogar de la caldera; esto es la determinación de los productos de combustión y de la temperatura de la llama, considerada como la temperatura inicial.
Por otro lado se selecciona el combustible y se incluyen las propiedades y características que presenta en el país.
3.1.
3.1. -
- ELEMENTOS
ELEMENTOS DE
DE LA
LA COMBUSTION
COMBUSTION
La combustión es un proceso químico que se produce por la unión de substancias combustibles con él oxigeno.
Los combustibles comerciales presentan básicamente tres elementos susceptibles de oxidarse: carbono, hidrógeno y azufre. El oxigeno mantiene la combustión y el nitrógeno no reacciona, sin embargo a elevadas temperaturas, el efecto de la disociación puede hacer que reaccione y forme óxidos los cuales dan lugar a problemas de contaminación.
El azufre produce normalmente ácidos los cuales son contaminantes y provocan corrosión en los metales. Adicionalmente se puede decir que existe agua en los reactantes debido a la humedad del aire y del combustible.
3.2.
3.2. -
- REQUISITOS
REQUISITOS PARA
PARA LA
LA COMBUSTION.
COMBUSTION.
Los requisitos específicos para obtener una combustión adecuada son particularmente para cada combustible. Es posible sin embargo, delimitar ciertas consideraciones generales y a partir de ellas formar las bases del diseño para la combustión. Estos requisitos son:
El suministro de aire debe ser tal que asegure suficiente oxigeno para una combustión completa.
Puesto que la combustión completa no necesariamente es combustión eficiente, se debe asegurar que el exceso de aire introducido sea solo el necesario, ya que este produce una baja temperatura en los gases.
El suministro de aire debe ser de tal manera que entre en libre e intimo contacto con las substancias combustibles.
Para la combustión, el aire y el combustible deben mantenerse a una temperatura mayor o igual a su punto de ignición hasta que la combustión se complete.
3.3.
3.3. -
- COMBUSTION
COMBUSTION EN
EN LAS
LAS CALDERAS
CALDERAS
La calidad de la combustión en las calderas es importante, pues esta tiene influencia directa sobre:
La eficiencia
El mantenimiento, y
Los depósitos de combustible no quemado combinado con impurezas afectan la transferencia de calor al agua en las calderas y al vapor en los recalentadores; por otra parte, la normal dosificación de combustible al iniciarse un ciclo de operación puede srcinar explosiones en el lado de fuego de las calderas.
Por lo tanto, una adecuada combustión evitará todas las anomalías arriba mencionadas.
Para que se produzca la combustión es necesario la presencia de los siguientes elementos:
Un elemento combustible: diesel oíl, fuel oíl, etc. Un elemento comburente: el aire
Un elemento de ignición: chispa.
El carbono, hidrógeno, y oxígeno son algunos de los elementos que contiene el combustible, los cuales se queman al combinarse con el aire suministrando calor, mientras los demás componentes reducen la cantidad efectiva de calor liberado.
3.4.
3.4. -
- ELECCION
ELECCION DEL
DEL COMBUSTIBLE
COMBUSTIBLE
En general en calderas se puede utilizar combustibles sólidos, líquidos o gaseosos. Dentro de los sólidos se emplean carbón, madera o desechos combustibles provenientes de cualquier proceso. Los combustibles líquidos empleados son Diesel y Búnker y los gaseosos generalmente son subproductos provenientes de la explotación del petróleo.
La selección de un tipo de combustible, dependerá de los criterios del diseñador y de la facilidad con que tenga acceso a ellos.
Un factor predominante para la selección del combustible es el aspecto económico, que debe involucrar análisis de costos, no solo del combustible sino de las instalaciones necesarias para su almacenamiento, transporte y dosificación. Un
ejemplo clásico se da entre el diesel y el búnker, aunque el segundo tiene menor costo
por galón, requiere intercambiadores de calor para su fluidización, así como instalaciones mixtas con diesel para encendido y apagado de la caldera.
En lo referente a los combustibles gaseosos, en comparación a los líquidos estos presentan inconvenientes para su almacenaje, transporte y suministro.
3.4.1.
3.4.1. - - TABLAS TABLAS DE DE CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS DE DE LOS LOS COMBUSTIBLESCOMBUSTIBLES
MAS COMUNES MAS COMUNES
Por ser el Diesel # 2 y Fuel oíl # 6 (búnker) los combustibles mas utilizados en este tipo de calderas tabularemos las características más importantes de cada uno de ellos, de acuerdo a datos experimentales tomados de la tesis de la Universidad Central del Ecuador, determinación del poder calórico de combustibles medios y pesados producidos en el Ecuador
Tabla 1: Propiedades aproximadas del Diesel # 2 para consumo nacional (fuente: Calderas
PROPIEDADES
PROPIEDADES DEL DEL DIESELDIESEL Viscosidad SSU a 100° F 36 a 45 Gravedad especifica 0,849 a 0,86
Grados API 33 a 35
Punto de inflamación ( °F ) 180 Poder calórico superior ( Kcal / Kg ) 10.700 Contenido de azufre % 0,49 Contenido de vanadio ( ppm ) 1,5
Tabla 2:Propiedades aproximadas del Bunker para consumo nacional ( Fuente : Calderas
Industriales y marinas del Ing.Angel Vargas.)
PROPIEDADES DEL BUNKER PROPIEDADES DEL BUNKER
Viscosidad SSU a 100° F 3714 a 3805 Gravedad especifica 0,950 a 0,953
Grados API 16,9 a 17,4
Punto de inflamación ( °F ) 285 Poder calórico superior ( Kcal / Kg ) 10.900 Contenido de azufre % 1,5 Contenido de vanadio ( ppm ) 120 Contenido de cenizas % 0,04 a 0,15
3.4.2.
Fácil almacenaje y manejo en bombas, tuberías y controles.
Fácil regulación de la combustión
Puesta en servicio rápida y fácil
Presenta pequeñas porciones de ceniza, dando lugar a menores pérdidas de calor y poca formación de escorias.
Su densidad relativa es menor que 1, por lo que su purificación es fácil.
3.4.3. - CARACTERISTICAS GENERALES DEL BUNKER. 3.4.3. - CARACTERISTICAS GENERALES DEL BUNKER.
Almacenaje bajo control de temperatura
Manejo cuidadoso en bombas , tuberías y controles
Necesita cierto tiempo para alcanzar la temperatura de servicio cuando el equipo estuvo fuera de servicio.
Presenta grandes cantidades de cenizas e impurezas por lo que el tiempo de limpieza de la caldera es menor.
3.5. - AIRE R
3.5. - AIRE REQUERIDO PARA LA COMBUSTION
EQUERIDO PARA LA COMBUSTION
Para un determinado peso de un combustible normalmente se requiere un peso preciso de oxígeno para quemar así los componentes químicos de este combustible.
Como el aire es una mezcla de oxígeno, nitrógeno y otros gases, un peso preciso de oxígeno es equivalente a un peso de aire que es suficientemente constante para los propósitos de la combustión.
Sin embargo en la practica la completa combustión del fuel o de cualquier combustible no podría ser efectuada sino se suministrara algo de aire en exceso de
aquel requerido para una combustión teóricamente perfecta.
El exceso de aire se determina por la experiencia, y la cantidad óptima depende de varios factores, entre ellos:
Garantizar la combustión completa
Tratar de asegurar turbulencia y mezcla completa del aire con el combustible pulverizado.
Del combustible a emplearse
Del método de quemado
De la disposición y proporciones de la cámara de combustión
Bajo estas consideraciones, para calderas que emplean quemadores a diesel, se recomienda que el porcentaje de aire de exceso sea entre 5 y 20%, cantidades mayores disminuyen la eficiencia, ya que roban inútilmente energía, refrigeran los gases de combustión y aíslan la llama de las superficies de caldeo.
En la figura se puede observar el efecto del porcentaje de aire teórico sobre al eficiencia de la caldera.
FIG. 9: Efecto del porcentaje de aire teórico en la eficiencia de la caldera
En la gráfica se observa que entre el 100 y 120% de aire se obtienen los valores máximos de eficiencia caracterizándose por ser una zona con alto contenido de C02y
prácticamente ausencia de CO; una comprobación visual de esta condición es que la llama presenta un color dorado y los gases de escape son transparentes. Cuando los humos aparecen de color negro es un indicador de que existe insuficiencia de aire, mientras que los humos blancos revelan un exceso de aire.
3.6.
3.6. -
- EFICIENCIA
EFICIENCIA DE
DE LA
LA COMBUSTION
COMBUSTION
La eficiencia de la combustión representa la cantidad de calor neto que el combustible puede entregar a los gases. La disminución de calor útil se debe por un
lado, a que en el fenómeno de la explosión se pierde algo del calor de combustión por conducción y radiación;
Además existen pérdidas provenientes del quemador dadas por muchos factores, entre los que pueden mencionarse:
falta de atomización , goteo
carbonización del combustible en las boquillas fallas en el suministro de aire, etc.
Estas pérdidas se han estimado en un 5% del poder calórico neto, y son consideradas como irreversibles.
3.7.
3.7. -
- EFECTOS
EFECTOS QUE
QUE PRODUCE
PRODUCE LA
LA INSUFICIENCIA
INSUFICIENCIA DE
DE
AIRE
AIRE
La experiencia ha demostrado que la mayor perdida de eficiencia en una caldera, y en general de toda la planta de poder, proviene de una combustión inadecuada en las calderas, la que es debida en gran parte a un mal manejo y control sobre los ventiladores de tiraje, los que proporcionarán aire en exceso o en cantidad insuficiente.
La ecuación química (3.1) (3.2). REF. 1 explica el efecto de la insuficiencia de aire, el carbono contenido en el petróleo, puede oxidarse hasta formar dióxido de carbono, con la cantidad apropiada de aire, la oxidación completa del carbono hasta dióxido de carbono esta indicada por la ecuación:
Con una cantidad insuficiente de aire, la reacción sería:
C + ½ O2= CO + 4.440 Btu ( 3.2 )
Al comparar las dos ecuaciones puede observarse que en la combustión incompleta del carbono en el combustible hay una reducción de 10.100 Btu por libra de carbono.
Esto demuestra la perdida de calor útil debida a que el suministro de aire al hogar es inadecuado. Una perdida mayor de calor se producirá si la cantidad de aire suministrado es disminuida en tal forma que el oxígeno no alcance a oxidar al carbono hasta monóxido de carbono.
Felizmente esta última condición es fácilmente reconocida, porque el carbono no quemado abandona la caldera junto con los gases, por la chimenea, como humo negro denso. El aspecto de la llama en el hogar es indicativo de la calidad de la combustión.
La llama aparece de un color rojizo obscuro cuando todo el carbono no alcanza a quemarse para formar monóxido de carbono. Cuando todo el carbono se quema hasta formar monóxido de carbono la llama es de color anaranjado.
Si todo el carbono se quema hasta formar bióxido de carbono, la llama del hogar aparecerá de un color amarillo dorado, cuando la cantidad de aire sea la correcta.
En estas condiciones por la chimenea saldrá una neblina de color café claro, semitransparente, que es indicativa de combustión correcta, se le llama " punto de
humo" y debe ser conocida por todos los operadores de calderas para obtener las mejores condiciones de eficiencia.
3.8.
3.8. -
- EFECTO
EFECTO DEL
DEL EXCESO
EXCESO DE
DE AIRE
AIRE
La combustión completa del petróleo no asegura el logro de la condición más
eficiente, se necesitan 13,52 lb. de aire para quemar en condiciones ideales cada libra de carbono hasta la formación de bióxido de carbono, dato tomado del libro Caderas industriales y marinas del Ing.A.Vargas, 1984,pp170.
Bajo las condiciones reales del hogar, se hace necesario proporcionar mas de 13,52 lb. de aire para la oxidación completa de cada lb de carbono; perdidas inevitables hacen imposible la combustión perfecta y será necesario un 110 a 115% de la cantidad ideal del aire, para quemar totalmente el petróleo. Esto representa un 15% de exceso de aire.
El exceso de aire se define como la cantidad extra de aire necesario sobre la cantidad ideal, para la combustión completa del petróleo en el hogar. A parte de la pequeña cantidad que se aporta para asegurar la combustión completa, el exceso de aire no cumple otra función útil en el hogar. Una vez que el carbono se ha oxidado por completo con 2,667 libras de oxígeno, el resto del aire queda inactivo.
Como el exceso de aire incrementa el volumen de nitrógeno y otros gases no
combustibles que absorben el calor, en realidad reduce el calor útil que se obtiene del petróleo.
La presencia de un exceso de aire mayor que el necesario, se reconoce en el hogar por la llama blanca, opaca o brillante, según sea su cantidad.
La apariencia de los gases en la chimenea también son indicativos de la proporción de exceso de aire. Cuando los gases son incoloros o de color blanco, el exceso de aire suministrado a la caldera es mayor que el necesario.
Cuando en la chimenea aparece humo blanco (no transparente), el aire que pasa por los registros ha alcanzado tal velocidad, que arrastra al exterior partículas de petróleo que no han terminado de quemarse.
Estas partículas oxidadas parcialmente, dan al humo un color blanco.
3.9.
3.9. -
- REQUISITOS
REQUISITOS PARA
PARA UNA
UNA COMBUSTION
COMBUSTION EFICIENTE
EFICIENTE
Los requisitos para obtener una combustión eficiente del combustible pueden
ser resumidos básicamente en los siguientes puntos:
El combustible debe ser atomizado eficientemente en el rango o alcance requerido de salida desde el quemador
El suministro de aire debe ser inyectado de tal forma que se mezcle íntimamente con el combustible atomizado.
El tiempo disponible para la combustión de la gotita más grande debe ser suficiente para que la combustión sea completa antes que la gotita entre en
La temperatura del hogar deberá estar relacionada con el tiempo disponible arriba indicado.
3.10. -
3.10. - TEMPERATURA
TEMPERATURA DE LA
DE LA LLAMA
LLAMA
La temperatura que alcanza la combustión depende de factores como:
Poder calórico del combustible Exceso de aire
Radiación de calor de la llama a las paredes del hogar.
A continuación en la tabla 3.1 se presenta temperaturas de llama productos de la combustión de diesel nacional para porcentajes de aire entre 100 y 120%.
Tabla 3.1: Temperaturas de llama de los productos de combustión para distintos porcentajes de
exceso de aire. ( Fuente: Tesis Escuela Politécnica Nacional, A.Vaca, 1983)
% aire teórico % aire teórico TEMPERATURAS TEMPERATURAS ( ( ° ° K K ) ) ( ( ° ° C C )) Adiab.
Adiab. LlamaLlama AdiabAdiab. LlamaLlama
100 105 110 115 120 2400 2377,1 2303,8 2235,8 2172,4 2358,6 2283,1 2213,2 2148,2 2087,7 2126,8 2103,9 2030,6 1962,6 1899,2 2085,4 2009,9 1940,1 1875,1 1814,5
IV.- DISEÑO TERMICO
IV.- DISEÑO TERMICO
4.1.
4.1. -
- PARAMETROS
PARAMETROS DE
DE DISEÑO
DISEÑO
Para iniciar el diseño térmico de esta caldera fueron necesarios los siguientes requerimientos industriales de la empresa MICROEMPAQUES S.A., los cuales a su
vez fueron entregados por los fabricantes de las maquinas en los Estados Unidos, las cuales serían implementadas en esta nueva planta de procesamiento de cartón corrugado.
Estos requerimientos son los siguientes:
Cantidad de vapor por hora ( flujo másico ) :
1.543lb vapor / hora = 700 Kg vapor / hora
Presión máxima de operación :
125 Psi = 8,78 Kg/cm
2
Para el diseño térmico de esta caldera se tomará el procedimiento de cálculo para intercambiadores de calor del libro de DONALD KERN.
4.2.
4.2. -
- CALCULO
CALCULO DE
DE LA
LA POTENCIA
POTENCIA DE
DE LA
LA CALDERA
CALDERA
La potencia en HP de caldera, tal como fue establecida en 1889 por la ASME, estaba basada en una máquina de vapor que empleaba 13,62 kg de vapor por HP hora a una presión relativa de 4,9 kg/cm2 y con agua de alimentación a 38,5oC. Esto corresponde a la vaporización de 15,66 kg de agua por hora a 100oC, lo cual significa
la conversión de 15,66 kg de agua por hora a 100oC en vapor seco a 100oC, a la presión atmosférica normal ( 1,033 kg/cm2).
En estas condiciones cada kg. de vapor producido requiere la entalpia de vaporización a la presión atmosférica normal, la cual vale 543,4 Kcal. Por consiguiente la capacidad de una caldera podrá expresarse de la siguiente manera:
REF. 2
( h - hf )
HPCALDERA = ( 4.1 )
543,4 x 15,66
= Flujo másico de vapor producido por la caldera (Kg./h) h = Entalpia del vapor en condiciones de salida (Kcal/Kg.) hf = Entalpía del agua en condiciones de entrada (Kcal/Kg.)
Entonces :
= 700 Kg./h
h = 666,93 Kcal/Kg. ( vapor saturado y seco a 8,78 Kg/cm2)
hf = 70,49 Kcal/Kg. ( líquido comprimido a 8,78 Kg/cm2y 70oC )
Para optimizar el consumo de combustible toda caldera debería alimentarse con
agua caliente, así nos indica el Ing. Angel Vargas autor del libro “ Calderas Industriales y Marinas “ siendo una temperatura promedio la de 70ºC, con este valor sería más fácil alcanzar una temperatura de ebullición del agua y a la presión de trabajo que estuviere operando la caldera.
700 ( 666,93 - 70,49 ) HPCALDERA = ( 4.2 ) 543,4 x 15,66 HP HPCALDERACALDERA= = 49,06 49,06 BHP.BHP.
4.3.
4.3. -
-
PLANTEAMIENTO
PLANTEAMIE
NTO Y
Y SELECCION
SELECCION DE
DE
ALTERNATIVAS
ALTERNATIVAS
4.3.1.
4.3.1. - - ALTERNATIVAS ALTERNATIVAS POR LA POR LA POSICION POSICION RELATIVA RELATIVA DE LODE LOS S GASESGASES Y DEL AGUA
Y DEL AGUA
4.3.1.1.
4.3.1.1. - - Alternativa Alternativa 1: 1: Caldera Caldera pirotubularpirotubular
En este tipo de calderas los gases de la combustión viajan por el interior del tubo y el agua se encuentra rodeando a los tubos de fuego.
VENTAJAS DESVENTAJAS
Se construyen en tamaños pequeños y medianos
Buena producción de vapor Vida útil considerable Costo relativamente bajo Son portátiles
Menor tiempo de construcción
Tiene limitaciones para altas presiones Tienen limitación para grandes demandas de vapor
4.3.1.2.
4.3.1.2. - - Alternativa Alternativa 2: 2: Caldera Caldera acuotubularacuotubular
En este tipo de calderas el agua circula por el interior de los tubos mientras que los gases calientes de la combustión rodean a los tubos.
VENTAJAS DESVENTAJAS
VENTAJAS DESVENTAJAS
Trabajan a grandes presiones Tienen excelente rendimiento
Posibilidad de instalar equipos para obtener vapor de mejor calidad ( sobrecalentadores )
Para su instalación necesitan una área extensa
Mayor tiempo para su construcción Costo elevado
Mayor consumo de combustible
4.3.2. -
4.3.2.1.
4.3.2.1. - - Alternativa Alternativa 3: 3: Caldera Caldera pirotubular pirotubular verticalvertical
VENTAJAS DESVENTAJAS
VENTAJAS DESVENTAJAS
Tienen una producción de vapor regular Construcción rápida
Fácil mantenimiento Costo relativamente bajo
Ocupa un área reducida para su instalación
Transferencia de calor regular por ser de un solo paso
Cámara de combustión pequeña Cámara de vapor relativamente pequeña
4.3.2.2.
4.3.2.2. - - Alternativa Alternativa 4: Ca4: Caldera ldera pirotubular pirotubular horizontalhorizontal
VENTAJAS DESVENTAJAS
VENTAJAS DESVENTAJAS
Buena producción de vapor Buena transferencia de calor Fácil mantenimiento Variedad de tamaños y diseños Tiempo de construcción reducido
Mayor cantidad de accesorios Costo relativamente elevado Mayor complejidad en su construcción
4.4. - SELECCION DE ALTERNATIVAS
4.4. - SELECCION DE ALTERNATIVAS
características que la empresa MICROOEMPAQUES S.A. necesita se ha utilizado el método de ordenamiento y ponderación de factores, con una escala de calificación de 1 a 10.
4.4.1. -
4.4.1. - POR LA POSICION RELAPOR LA POSICION RELATIVA DE LOS GASES TIVA DE LOS GASES Y DEL AGUAY DEL AGUA
Alternativa 1 :Caldera pirotubular
Alternativa 2 :Caldera acuotubular
CARACTERISTICA
CARACTERISTICA VALOR VALOR IDEAL IDEAL ALT.1 ALT.1 ALT.2ALT.2
Rendimiento térmico 10 8 9 Seguridad 10 9 8 Durabilidad 8 8 7 Costo 8 6 4 Facilidad Mantenimiento 6 5 4 Facilidad operación 6 5 3 Facilidad instalación 6 5 3 TOTAL TOTAL 54 46 38 PORCENTAJE PORCENTAJE 100 % 85,18% 70,37% 4.4.2.
Alternativa 3 :Caldera vertical
Alternativa 4 :Caldera horizontal
CARACTERISTICA
CARACTERISTICA VALOR VALOR IDEAL IDEAL ALT.1 ALT.1 ALT.2ALT.2
Transferencia de calor 10 7 9
Producción de vapor 8 6 7
Costo 8 7 6
Facilidad de limpieza 8 6 7
Facilidad de reposición de tubos 6 4 5
Facilidad unión con espejos 6 3 5
TOTAL
TOTAL 46 33 39
PORCENTAJE
PORCENTAJE 100 % 71,7 % 84, 7 %
4.4.3.
4.4.3. - - SELECCION SELECCION DE DE ALTERNATIVAALTERNATIVAS S ESCOGIDASESCOGIDAS
El tipo de caldera que se diseñará y se fabricará para la producción de vapor es una caldera pirotubular de tres pasos (4.4.1 :85.18 %85.18 %) , y con la posición de los tubos horizontales ( 4.4.2 :84,7 %84,7 %) .
La alternativa global seleccionada ofrece facilidad de transporte y ubicación del equipo en el espacio destinado, además por la facilidad de manejo y rapidez en la instalación de las líneas de combustible se utilizará Diesel # 2.
4.4.4.
El valor obtenido en el cálculo de la potencia de la caldera de 49,06 BHP no consta como un valor establecido o normalizado a nivel internacional por los fabricantes de calderas, por lo que recurrimos al manual guía de YORK SHIPLEY REF.3 y elegimos el valor más cercano al resultado obtenido, de preferencia se tomará por seguridad un valor superior, siendo este valor el de 50 BHP ( 490 Kw ).
4.4.5.
Fig.10.- Esquema general de una caldera pirotubular horizontal.
4.4.6. - DATOS PRINCIPALES DE YORK SHIPLEY. 4.4.6. - DATOS PRINCIPALES DE YORK SHIPLEY.
4.4.7. - RESUMEN DE DATOS PRINCIPALES DE YORK SHIPLEY PARA 4.4.7. - RESUMEN DE DATOS PRINCIPALES DE YORK SHIPLEY PARA UNA CALDERA DE 50 BHP
UNA CALDERA DE 50 BHP
SERIE 542
Apox. Boiler HP ( KW ) 50 490
Vapor Lb / h ( Kg / h ) 1.725 784
M.BTU ( 1000 Kcal ) salida por hora 2.092 527,1 Area Calentamiento Pie2 ( m2) 250 23,23
Cap.Válvula Seg. Min. Lbs/h ( Kg/h ) 2.000 909
Peso seco Lbs ( Kg ) 4.640 1.841
Peso húmedo Lbs ( Kg ) 7.840 3.400
Capacidad de agua Gal. ( Lt ) 342 1.294
DATOS DEL QUEMADOR DATOS DEL QUEMADOR
Consumo de combustible GPH ( LPH ) 15 56,78
Motor bomba comb. Hp ( Kw ) ¼ 0,186
Motor ventilador Hp ( Kw ) 1 – 1 ½ 0,746 – 1,12
4.4.8.-
4.4.8.- PARAMETROS PARAMETROS DE DE OPERACIONOPERACION
4.4.8.1.-
4.4.8.1.- Parámetros Parámetros para para el el agua agua en en condiciones condiciones establesestables
La temperatura de operación mínima recomendada para el agua de alimentación a las calderas es 70°C , cuando se utiliza agua a temperaturas menores se producen choques térmicos y se fatiga prematuramente al material , acortando la vida útil de la caldera .
Para determinar la temperatura de salida del agua en esta caso sería la del vapor de agua , recurrimos a una tabla de propiedades termodinámicas del mismo , conociendo como dato la presión de salida máxima que tendrá la caldera que son 125 psi , obtenemos interpolando entre los valores de 120 y 130 psi , dando como resultado un valor de 173°C. ( ANEXO 1 )
Conocemos también como requerimiento base para el diseño la cantidad de vapor que esta empresa necesita para su proceso de producción que son 700 Kg de vapor por hora , obteniendo el siguiente cuadro de datos :
Tabla 4:Parámetros para el agua en condiciones estables.
Temperatura entrada agua
Temperatura entrada agua 158°F 70°C
Temperatura salida agua
Temperatura salida agua 343,4°F 173°C
Flujo másico de agua
4.4.8.2.-
4.4.8.2.- Caudal Caudal de de gasesgases
Para conocer el caudal total de gases generados dentro de la caldera aplicamos la ecuación general ( 4.3 ) REF. 4
Caudal de gases = Caudal de aire + caudal combustible ( 4.3 )
Caudal de combustible
Caudal de combustible:: combcomb
Tomamos como dato obtenido del texto “Calderas Industriales y Marinas” del
Ing.A.Vargas Z. , la cantidad de combustible en galones por hora que se consume por cada Caballo Caldera . REF. 5
1 1 BHP BHP 0,295 0,295 gal/hgal/h Entonces : 50 50 BHP BHP 14,75 14,75 gal/hgal/h Densidad del
Densidad del diesel diesel = = 33,733,7ooAPIAPI REF. 6
Las densidades específicas y las densidades API se relacionan entre sí mediante la ecuación ( 4.4 ). REF. 7
141,5 Peso especifico = ( 4.4 ) 131,5 +oAPI 141,5 Peso especifico = = 0,856 131,5 + 33,7
El peso específico o gravedad específica ( SG ) de un líquido es la relación de su densidad ( ) a cierta temperatura , con respecto a la del agua a una temperatura normalizada Ec ( 4.5 ) . Como la presión tiene un efecto insignificante sobre la densidad de los líquidos , la temperatura es la única variable que debe ser tenida en cuenta al sentar las bases para la gravedad específica.
Densidad sustancia SG = ( 4.5 ) Densidad agua a 60oF Densidad de sustancia 0,856 = 1 gr/cc Densidad de la sustancia = 0,856 gr/cc
Transformamos el caudal de combustible que srcinalmente se encontraba en galones por hora a Kilogramos por segundo. REF. 5
= 14,75 gal/h x 3785 cc/gal = 55828,75 cc/h x 0,856 gr/cc = 47789,41 gr/h = = 47,8 47,8 Kg./hKg./h Caudal de aire: Caudal de aire:
La cantidad de aire requerido para quemar el combustible y los productos resultantes de la combustión pueden ser obtenidos de la siguiente tabla extraída del
libro “ Calderas Industriales y Marinas del Ing.A.Vargas Z.:
Tabla 5: Cantidad de aire requerido para quemar el combustible
ELEMENTO
ELEMENTO EN EN EL EL COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE Lb Lb AIRE AIRE / / Lb Lb ELEMENTOELEMENTO
CARBONO C 11,5 HIDROGENO H 34,2 AZUFRE S 4,31
Tabla 6: Composición porcentual de diesel # 2
ELEMENTO
CARBONO C 86,3 HIDROGENO H 12,3 AZUFRE S 1,5
Entonces la cantidad de aire requerida por libra de combustible será igual a :
0,863 x 11,5 + 0,123 x 34,2 + 0,015 x 4,3 = 14,20 Lb aire.
Conocemos que 1 BHP consume 0,295 galones de combustible , lo que para esta caldera de 50 BHP consumiría 14,75 galones de diesel # 2 , el peso promedio de un galón es de 7,6 Lb medido experimentalmente , por lo que tendríamos un peso total de 112,1 Lb de combustible.
Entonces se tendría :
112,1 Lb
112,1 Lb combustible combustible x 14,20 x 14,20 Lb aire Lb aire = = 1591,9 Lb 1591,9 Lb aireaire
Transformamos esta 1591,9 Lb de aire a pies cúbicos dividiendo para 0,08071 lbs. que tiene un pie cúbico , así tenemos un valor de 19722,71 pies cúbicos en una hora , pero el valor que necesitamos conocer será en minutos por lo dividimos para 60 min. Obteniendo un valor de 328,71 pies cúbicos por minuto ( CFM ).
Esto es el valor mínimo que será considerado a nivel del mar por lo que para una altura superior a 2.800 metros S.N.M. se considera y 30% y con un aire de exceso
del 15% explicado en él capitulo III , tendríamos un volumen de aire de 443,76 CFM. , comparando con la tabla de datos de YORK SHIPLEY podemos observar que se recomienda utilzar 500 CFM para esta cantidad de BHP , por lo que adoptamos este valor para el siguiente cálculo.
V
V = = 500 500 CFM CFM ( ( piepie33 /min ) /min )
V
V = = 0,236 0,236 mm33 /s /s
Es una practica muy usada unificar el fluido de referencia ( agua a 15,6oC ),
para establecer los pesos específicos de los fluidos que participan en el diseño . La ecuación de los gases ideales Ec. ( 4.5 ) nos ayudará a encontrar el caudal de aire que ingresa : REF 9
p p VV = R TR T ( 4.5 ) De donde: p p = presión absoluta V V == volumen de aire
= masa de aire total
R
R = constante ( 0,287 KJ/KgoK )
T
T = temperatura liquido de referencia ( agua a 15.6OC , 288OK )
Entonces:
p = 32,22 cm agua ( 0,45 psi , SEVERNS W.H.) p = 1.000 Kg/m2 x 9,8 m/s2 x 0,3222 m
p = 3.158 Pa
pabs = pman + patm (
4.6 )
pabs = 3.158 Pa + 73.000 Pa
pabs = 76.158 Pa
p
pabsabs = 76,16 = 76,16 KpaKpa
De donde:
pabs = Presión absoluta
pman = Presión manométrica
patm = Presión atmosférica
Despejando m de la formula ( 4.5 ) obtenemos:
p pVV = ( 4.7 ) R T R T ( 76,16 KPa ) ( 0,236 m3 /s ) =
( 0,287 KJ/Kg.oK ) ( 288oK ) = 0,2174 Kg./s
= 783 Kg./h
Caudal de gases = Caudal de combustible + Caudal de aire
* Caudal de gases = 47,8 Kg./h + 783 Kg./h ( 4.8 ) * Caudal de gases = 830,8 Kg./h gas gas= = 830,8 830,8 Kg Kg / h/ h Resumen: Resumen:
Temperatura entrada gases Temperatura entrada gases= 1.940
o C = 3524 o F TABLA 3 Caudal de gases Caudal de gases= 831 Kg./h = 1.833 Lb/h Parámetros complementarios Parámetros complementarios
Según VARGAS A. : REF.10 se entiende por caballo caldera , la producción de 15,65 Kg/h de vapor saturado a 100oC , utilizando agua de alimentación a la
misma temperatura. La equivalencia del caballo caldera es:
1
1 BHP BHP = = 33.472 33.472 BTU/hBTU/h
50
La cantidad de energía que entregan los gases de combustión será igual a la cantidad de energía que entrega el agua y será igual a la cantidad de energía por cada caballo caldera. REF. 11
Q
Qgasgas = = QQaguaagua = BHP= BHPcalderacaldera (
4.9 )
De donde:
Qgas = Energía de los gases de combustión
Qagua = Energía que entrega el agua
BHPcaldera =Energía producida por Caballo caldera
* Energía de los gases de combustión: * Energía de los gases de combustión:
Q
Qgasgas = gasgasCpCpgasgas( Te - Ts )( Te - Ts ) ( 4.10 )
De donde:
gas
gas = Caudal de gases = 1.833 lb/h
Cp
Cpgasgas = Calor específico del gas = 0.320 BTU/lb.oF
Te
Te= Temperatura de entrada de los gases = 3.524oF Ts
Para obtener el valor del Cpgas , tomamos como temperaturas bases los
siguientes valores , 1.940ºC a la entrada y 300ºC a la salida dándonos como resultado
un promedio de 1.120ºC , con este valor consultamos la tabla de las propiedades de los
gases de combustión tomado de la Tesis de la ESPE del Ing. W.Ramirez.T. e interpolamos con estos valores, obteniendo el valor de 0,320 Btu/lboF
Entonces:
Qgas = Qagua = BHPcaldera
Qgas= 1'673.600 = 1.833 x 0.320 (3.524 -Ts ) ( 4.11 )
Despejando de la fórmula ( 4.11 ) obtenemos la temperatura de salida de los gases Ts, que es igual a: Ts Ts = = 689689 o o F = 365 F = 365 o o C C 4.4.9.-
4.4.9.- SUPOSICIÓN SUPOSICIÓN DEL DEL COEFICIENTE COEFICIENTE DE DE TRANSFERENCIA TRANSFERENCIA DEDE CALOR U
CALOR UDD
Para el prediseño térmico es necesario suponer en primera instancia un coeficiente total de transferencia de calor .
En el libro de Procesos de transferencia de calor de DONALD KERN se presenta la siguiente información que nos ayudará en este diseño:
FLUIDO
FLUIDO CALIENTE CALIENTE FLUIDO FLUIDO FRIO FRIO UUDD( BTU/h.pie( BTU/h.pie
2 2 °F ) °F ) Gases Vapor de agua Agua Sustancia Orgánica pesada
2 – 50 6 - 60
En el caso de una caldera el intercambio de calor se da entre los gases de la combustión y el agua , por lo escogemos el parámetro Gases Agua en el rango de 2 -50
Como suposición inicial elegimos un valor intermedio, basado en recomendaciones anteriores , el cual nos dará la pauta para empezar este diseño . Suponemos entonces: U UDD= = 25 25 BTU/h.pieBTU/h.pie 2 o 2 o F F 4.4.10.-
4.4.10.- DIFERENCIA DIFERENCIA VERDADERA VERDADERA DE DE TEMPERATURATEMPERATURA
La diferencia de temperatura verdadera o efectiva para ser utilizada en cualquier tipo de intercambiador de calor , se expresa de la siguiente manera:
= F
= FTT. MLDT. MLDT ( 4.12 )
De donde:
MLDT : Media logarítmica de la diferencia de temperaturas FT : Factor adimensional de diferencia de temperatura
Aun cuando dos fluidos puedan transferir calor en un aparato de tubos concéntricos ya sea en contracorriente o flujo paralelo , la dirección relativa de los dos fluidos influye en el valor de la diferencia de temperatura. Este punto no podrá ser suficientemente puntualizado . Cualquier trayectoria de flujos formados por dos fluidos debe identificarse con sus diferencias de temperaturas: REF.12
Te = Temperatura de entrada de los gases = 1.940oC
Tf = Temperatura de salida de los gases = 365oC
Ti = Temperatura del agua = 173oC
Tmax - Tmin MLDT = ( 4.13 ) Tmax ln Tmin De donde:
Tmax: Diferencia de temperatura en la terminal caliente
Tmin: Diferencia de temperatura en la terminal fría
Tmax = Te- Ti Tmax = 1.940 - 173 = 1.767 °C Tmin = Tf - Ti T Tminmin = 365 = 365 - - 173 173 = = 192 192 °C°C Entonces: 1.767 - 192 MLDT = 1.767 ln 192 MLDT = 711 MLDT = 711ooC C ( ( 1312 1312 °F °F ))
4.4.11.-
4.4.11.- CALCULO CALCULO DE DE LA LA SUPERFICIE SUPERFICIE DE DE CALENTAMIENTOCALENTAMIENTO
La ecuación de Fourier que considera los depósitos de lodos y suciedades en los
tubos es: Q Q = = UUDD. A . MLTD. A . MLTD ( 4.14 ) De donde: Q A = ( 4.15 ) UD. MLTD 1'673.600 BTU/h A = 25 BTU/h. o F.pie 2 x 1312 o F A A = = 51,94 51,94 piepie22 4.4.12.-
4.4.12.- SELECCION SELECCION Y Y ARREGLO ARREGLO DE DE TUBOSTUBOS
Los tubos de fuego según el libro de CALDERAS de CARL SHIELD , son
regularmente de 2” a 4” de diámetro y frecuentemente se aumenta el diámetro en 1”
por cada 1,22 m de aumento en la longitud de los tubos. Esta relación es variable . Las calderas portátiles con chimeneas cortas , requieren diámetros grandes en los tubos ; las que van dotadas de ventiladores de tiro , pueden llevar tubos de fuego de menor diámetro. REF.13
Para determinar la longitud de los tubos nos basamos en el manual guía de DONLEE TECHNOLOGIES inc. , observando las medidas principales que tenemos en estos gráficos . ANEXO 8 esta medida por lo tanto es igual a 2,25 m.
Utilizaremos tubería de acero sin costura para calderas ASTM A192 ( Fig.11 ), ya que esta es la única tubería disponible en el mercado nacional , tiene superficies bastantes lisas y excelentes propiedades de transferencia de calor.
Fig.11.-Tubería para calderas ASTM A192 de ø 2”
La disposición de los tubos de fuego se lo ha realizado en forma triangular (Fig.12 ) puesto que se desarrollan coeficientes de transferencia de calor superiores en el lado de la coraza y por lo tanto en el agua. De acuerdo a ASME PG-53 , el paso entre tubos ( PT) no debe ser menor que 1.00 veces el diámetro exterior del tubo.
Fig.12.- Arreglo triangular de los tubos, según ASME PG-53
4.4.13.-
4.4.13.- NÚMERO NÚMERO DE DE TUBOSTUBOS
A = Superficie de calentamiento L = Longitud de los tubos ( pie/tubo )
DE . = Superficie ( exterior ) por pie lineal ( pie2 /pie ) A N = ( 4.15 ) L ( DE . ) 52 pie2 N = 7,38 pie ( 2 / 12 . ) N = 13,45 tubos. N
Ncorregidoscorregidos = = 14 14 tubos.tubos.
4.4.14.-
4.4.14.- CORRECCIÓN CORRECCIÓN DE DE PARÁMETROSPARÁMETROS
Area de transferencia de calor:
Acorregida= Ncorregidosx L x ( DE . ) = 14 x 7,38 x 0,5236
Acorregida= 54,09 pies2
UDcorregida= Q / ( Acorregida. MLDT ) = 1´673.600 / ( 54,09 x 1.312 )
UDcorregida= 23,42 BTU/h.oF.pie2
4.4.15.-
4.4.15.- COEFICIENTE COEFICIENTE TOTAL TOTAL DE DE TRANSFERENCIA TRANSFERENCIA DE DE CALORCALOR CALCULADO. U
CALCULADO. UCC
Para calcular el coeficiente total de transferencia de calor referido a la superficie externa del tubo o coeficiente total limpio ( Uc ) , podemos utilizar la ecuación ( 4.16 ) REF.15 1 Uc= ( 4.16 ) 1 DE DE 1 + ln + ho 2 ktubo DI hio 4.4.15.1.- Tubos
4.4.15.1.- Tubos::Fluido caliente ( Gases de combustión )
*
* Propiedades Propiedades de de los los gases:gases: ANEXO 2
Temperatura promedio = 1.153oC = 2.107oF
kt= 0,05033 BTU/h.pie.oF
ct= 0,3238 BTU/lb.oF t= 0,04898 Cpoises
t= 0,04898 x 2,42 = 0,1185 lb/pie.h
Para el cálculo de los siguientes parámetros utilizaremos el procedimiento utilizado por Donald Kern.
*
* Area Area de de flujo: flujo: ( ( aatt))
Ntubosx aunitaria at= ( 4.17 ) N pasos 14 x 1,9052 at= 4 2 a
att= = 17,10 17,10 pulgpulg22 = = 0,1187 0,1187 piepie22
*
* Masa-Velocidad Masa-Velocidad : : ( ( Gt Gt ))
Flujo másico de gases
Gt = ( 4.18 ) Area de flujo 1.833 lb/h Gt = 0,1187 pie2 Gt Gt = = 15.442 15.442 lb/h.pielb/h.pie22
*
* Número Número de de Reynolds: Reynolds: ( ( ReRett))
DI x Gt Ret= (4.19 ) t ( 1,905 / 12 ) (15.442 lb/h.pie2) Ret= 0,1185 lb/h.pie Re Rett= 20.687= 20.687 *
* Número Número de de Prandtl: Prandtl: ( ( PrPrtt))
ctx t Prt= ( 4.20 ) kt 0,3238 x 0,1185 Prt= 0,05033 Pr Prtt= 0,7623= 0,7623 *
Se debe aclarar que las tuberías como la utilizada en la coraza son mas rugosas que los tubos y producen mas turbulencia para los mismos números de Reynolds. Los números de Nusselt calculados de correlaciones para tubos son menores y mas seguros que los cálculos correspondientes basados en datos de tuberías. La ecuación ( 4.21 ) se utiliza para tubos lisos.
Nut= 0,027 Ret0,8Prt1/3 t ( 4.21 )
Nut= 0,027 ( 20.678 )0,8( 0,7623 )1/3 t
Nu
Nutt= 69,92 .= 69,92 . tt
Coeficiente de transferencia de calor interior. ( h Coeficiente de transferencia de calor interior. ( hii))
hix DI Nut= ( 4.22 ) kt hix 0,185 69,92 t = 0,05033 hi = 19,02 BTU/h.oF.pie2 ( 4.23 ) t
Coeficiente de transferencia de calor interior referido a la superficie exterior Coeficiente de transferencia de calor interior referido a la superficie exterior del
DI hio= hi ( 4.24 ) DE hio hi DI = ( 4.25 ) t t DE hi = 19,02 BTU/h.oF.pie2 t hio/ t= 19,02 x ( 1,905 / 2 ) hio/ t= 18,11 BTU/h.oF.pie2 t = ( t / wt )
De donde : Propiedades de los gases
t= 0,04898 Cpoises wt = 0,04884 Cpoises t= ( 0,04898 / 0,04884 ) = 1,002 Entonces t 1 Por lo tanto: h hioio = = 18,11 18,11 BTU/h.BTU/h. o o F.pie F.pie22
4.4.15.2.- Coraza
4.4.15.2.- Coraza::Fluido frío ( Agua )
*
* Propiedades Propiedades del del aguaagua [ ANEXO 3,4,5 ]
A : temperatura promedio = 173oC = 343,4oF
ks= 0,477 BTU/h.oF.pie
cs= 1,1 BTU/lb.oF s= 0,1 Cpoises
s= 0,1 x 2,42 = 0,242 lb/pie.h
Según el Manual del Ingeniero Mecánico de MARKS , en el caso de calderas el flujo es laminar ya que la convección es libre y el agua esta en estado de ebullición , para lo cual tendremos los siguientes factores: REF.18
q
= 230.000 BTU/h.pie.oF a T = 882oF (
4.27 ) A
T = Temperatura de pared - Temperatura del agua.
1.940 + 365
+ 173 2
T = - 173 ( 4.28 ) 2 T = 882 T = 882ooFF q 230.000 ho= = ( 4.29 ) A T 882 ho= 261 BTU/h.pie2.oF 1 Uc= 1 DE DE 1 + ln + 261 2 ktubo DI 18,11
Características del tubo Características del tubo: ktubo= 21 BTU/h.pie2.oF
Ttubo= 631oC = 1.167oF
Uc= 16,87 BTU/h.pie2.oF
Podemos observar que el valor delUUDD = 25 BTU/h.pie= 25 BTU/h.pie22.°F.°Fy el valor delUUCC=
16,87 BTU/h.pie
16,87 BTU/h.pie22.°F.°F, no son iguales , por lo que necesario realizar otras suposiciones
4.4.16.-
4.4.16.- SEGUNDA SEGUNDA SUPOSICIÓNSUPOSICIÓN
Después de realizar este cálculo un cierto número veces hasta lograr aproximarnos a una igualdad entre estos dos factores podemos entonces suponer el siguiente factor UD:
Entonces suponemosUUdd= 5,1 BTU/h.pie= 5,1 BTU/h.pie2o2oF.F.
4.4.17.-4.4.17.- CALCULOCALCULO DEDE LALA SUPERFICIESUPERFICIE DEDE CALENTAMIENTOCALENTAMIENTO
Q = UD. A . MLTD Q A = UD. MLTD 1'673.600 BTU/h A = A A = = 250.11 250.11 piepie22 5,1 BTU/h.oF.pie2x 1.312oF
4.4.18.-4.4.18.- NÚMERONÚMERO DEDE TUBOSTUBOS
A N = L ( DE . ) 250 pie2 N = 7,38 pie ( 2 / 12 . )
N = 64,60 tubos.
Por razones de espacio en los espejos y para realizar una distribución simétrica escogemos N = 60 tubos.
Fig.13:
Fig.13: Distribución de los tubos en los espejos. D = 1220 mm
4.4.19.-
4.4.19.- CORRECCIÓN CORRECCIÓN DE DE PARÁMETROSPARÁMETROS
Realizaremos los cálculos siguiendo el modelo establecido por Donald Kern pero esta vez lo haremos para el valor de 60 tubos.
A
Acorregidacorregida= 275,32 pies= 275,32 pies 2 2
U
UDcorregidaDcorregida= 4,63 BTU/h.= 4,63 BTU/h. o o
F.pie F.pie22
4.4.20.-
CALCULADO. U CALCULADO. UCC 1 Uc= 1 DE DE 1 + ln + ho 2 ktubo DI hio
Lado Tubos : Gases Lado Tubos : Gases
Propiedades Propiedades Temperatura promedio = 1.153oC = 2.107oF kt= 0,05033 BTU/h.pie.oF ct= 0,3238 BTU/lb.oF t= 0,04898 Cpoises t= 0,04898 x 2,42 = 0,1185 lb/pie.h Area de flujo: ( a Area de flujo: ( att)) Ntubosx aunitaria at= N pasos 60 x 1,9052x at= 4 x 2 a
Masa-Velocidad : ( Gt ) Masa-Velocidad : ( Gt )
Flujo másico de gases Gt = Area de flujo 1.833 lb/h Gt = 0,593 pie2 Gt = 3.091 lb/h.pie Gt = 3.091 lb/h.pie22 Número de Reynolds: ( Re Número de Reynolds: ( Rett)) DI x Gt Ret= t ( 1,905 / 12 pie ) ( 3.091 lb/h.pie2) Ret= 0,1185 lb/h.pie Re Rett= 4.140= 4.140 Número de Prandtl: ( Pr Número de Prandtl: ( Prtt))
ctx t Prt= kt 0,3238 x 0,1185 Prt= 0,05033 Pr Prtt= 0,7623= 0,7623 Número de Nusselt : Nu Número de Nusselt : Nutt Nut= 0,027 Ret0,8Prt1/3Ýt Nut= 0,027 ( 4.140 )0,8( 0,7623 )1/3 t Nu Nutt= 19,30= 19,30 tt
Coeficiente de transferencia de calor interior. ( h Coeficiente de transferencia de calor interior. ( hii))
hix DI Nut= kt hix 0,185 19,30 t = 0,05033 hi = 5,25 BTU/h.oF.pie2 t
Coeficiente
Coeficiente de de transferencia transferencia de de calor calor interior interior referido referido a a la la superficiesuperficie exterior del tubo( h
exterior del tubo( hioio))
DI hio= hi DE hio hi DI = t t DE t 1 h
hioio= 5 BTU/h.= 5 BTU/h.ooF.pieF.pie22
Lado Coraza : Agua Lado Coraza : Agua
Propiedades del agua :
Agua temperatura promedio = 173oC = 343,4oF
ks= 0,477 BTU/h.oF.pie
cs= 1,1 BTU/lb.oF s= 0,1 Cpoises
s= 0,1 x 2,42 = 0,242 lb/pie.h
Para flujo laminar : Para flujo laminar :
q
= 230.000 BTU/h.pie.oF a T = 882oF
A
1.940 + 365 + 173 2 T = - 173 2 T = 882 T = 882ooFF q 230.000 ho= = A T 882 h hoo= 260 BTU/h.pie= 260 BTU/h.pie 2 2 ..OOFF 1 Uc= 1 DE DE 1 + ln + 260 2 ktubo DI 5 U Ucc= 4,90 BTU/h.pie= 4,90 BTU/h.pie 2.o 2.o F F
Observamos que el valor de 4,90 BTU/h.pie2.oF ,es aproximadamente igual al
segundo valor escogido de 5,1 BTU/h.pie2.oF , entonces finalmente podemos
aceptar estos valores como los adecuados para el diseño de nuestra caldera.
Q
Qconvconv= U= Uccx A x MLDTx A x MLDT
Q
Qconvconv= 4,90 x 275,32 x 1.312 = 1'769.977 BTU/h= 4,90 x 275,32 x 1.312 = 1'769.977 BTU/h
La cantidad de energía total que entregan 50BHP son 1´673.600 BTU/h , y la cantidad de energía calculada por convección Qconv = 1´769.977 BTU/h , según
W.H.SEVERNS , nos indica que la potencia nominal “ no “ expresa las limitaciones de
capacidad de las calderas de hoy día, ya que la mayoría de las calderas pueden desarrollar del 400 al 600% de su potencia nominal y algunas de ellas trabajan durante largos periodos al 300% . El rendimiento de las calderas puede diminuir cuando desarrollan mas de su potencia nominal ; esta disminución de rendimiento no suele ser apreciable hasta que la caldera desarrolla el 200% o mas de su potencia normal , y es debida a la inaptitud de la caldera a absorber el calor adicional liberado por el fuego en estas condiciones de trabajo. REF.20
4.4.21.-
4.4.21.- CALCULO CALCULO DEL DEL DIAMETRO DIAMETRO DEL DEL HOGARHOGAR
Para el cálculo del diámetro mínimo del hogar tomaremos como guía el procedimiento utilizado en el texto de GUNN D. y HORTON R. REF.21 .
Datos: Datos:
Calor latente del vapor a 125 psi = 2.036 KJ/Kg. Temperatura de saturación = 173oC
Calor sensible a 173oC = 734 KJ/Kg.
Temperatura de agua alimentación = 70oC
Calor sensible a 70oC = 289 KJ/Kg.
4.4.21.1.-
4.4.21.1.- Calor
Calor sensible
sensible a
a ser
ser añadido:
añadido:
Qa= Calor sensible a 173oC - calor sensible a 60oC ( 3.30 )
