Curso de Calderas Alta Eficiencia (Comercial)

7/23/2019 Curso de Calderas Alta Eficiencia (Comercial)

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1Rithet S.A. de C.V.Proyecto:Cliente:

INDICE:

1. INTRODUCCION.

1.1. Que es un calentador caldera para agua caliente?.

1.2. Aplicaciones.

1.3. Componentes y clasificacin comercial.1.4. Combustin y combustibles.

1.5. Potencia trmica y eficiencia.

2. CALENTADORES DE ALTA EFICIENCIA.

2.1 Tipo de Quemadores en las Calderas.

2.2. Tecnologa de Quemador Presurizado y Condensacin.

2.3. Calentador de alta eficiencia circuito cerrado

2.4. Aplicaciones Equipo slo y Cascada.

2.5. Calentador de alta eficiencia instantneo.

2.6. Aplicaciones Equipo slo y Cascada.

3. CALCULOS DE POTENCIA.

3.1. Clculo de la necesidad de Agua Caliente.

3.2. Clculo de la potencia Trmica de un Calentador.


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1. INTRODUCCION


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1.1. Que es un calentador caldera para agua caliente?.

Es un equipo que transforma la energa qumica de un combustible en energa trmica para calentar agua a menos de100C


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1.2. Aplicaciones.

Aplicaciones para Calderas de Alta Eficiencia.

Donde se requiera consumo de agua a menos de 100C.

Aplicaciones Domsticas:

Vivienda Plus, Residencial, Multifamiliar.

Aplicaciones Comerciales:Hoteles, moteles, lavanderas, deportivos, gimnasios, spa, baos pblicos, restaurantes, clnicas y hospitales, vivienda

turstica, tortilleras etc.

Aplicaciones Institucionales:

Colegios, internados, universidades, asociaciones casa hogar, asociaciones religiosas, instituciones de gobierno etc.

Aplicaciones Industriales:

Servicios sanitarios en la industria, industria de alimentos y bebidas, crnicos y procesadoras de aves, agro industria y otros

procesos industriales.Oportunidades.

En aplicaciones con potencias trmicas desde 100 KW.

Para aplicaciones domsticas con potencias trmicas desde 50 KW.

Proyectos Instalaciones nuevas, donde se busquen equipos ahorradores.

En instalaciones existentes, para sustituir equipos antiguos que ya terminaron su vida til.


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1.2. Aplicaciones.


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1.3. Componentes Tipos y Clasificacin Comercial.

Componentes principales: (1) aislamiento trmico, (2) salida de gases de combustin, (3) vlvula de seguridad, (4) nodo desacrificio, (5) tanque acumulador, (6) vlvula de dren, (7) Quemador, (8) control,


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Tipos y clasificacin comercial:

(1) Calentador Instantneo, de paso de Flujo. Son unidades que estn apagadas, sin consumir energa, un sensor de flujose activa cuando detectan circulacin de agua e inician su procedimiento de calentamiento.


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Tipos y clasificacin comercial

Calentador de Acumulacin Depsito. son los ms econmicos de explotacin; poseen un tanque donde acumulan el aguay la calientan hasta alcanzar una temperatura seleccionada en su control de temperatura (termostato).


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Tipos y clasificacin comercial.

(3) Calentador Caldera. Existen varios tipos de calderas pero en su concepto bsico son envases de metal (cobre, aceroinoxidable hierro colado) por donde circula el agua. Este envase es atravesado por tubos calientes. Pueden utilizarseen recirculacin.


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1.4 Combustin y Combustibles.

Combustin: Es una reaccin qumica en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de energa, en forma decalor, manifestndose visualmente como fuego.

En toda combustin existe un elemento que arde (combustible)y otro que produce la combustin (comburente),generalmente oxgeno e n forma de O2 gaseoso.

Para iniciar la combustin de cualquier combustible, es necesario alcanzar una temperatura mnima, llamada temperatura de

ignicin


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Combustibles: Tipos ms frecuentes de combustible son las materias orgnicas, que contienen carbono e hidrgeno(hidrocarburos). Biomasa, Combustleo, Diesel, Gas LP (licuado de propano), Gas Natural (Metano)

En una reaccin completa todos los elementos que forman el combustible se oxidan completamente. Los productos que seforman son el dixido de carbono (CO2) y el agua, el dixido de azufre (SO2) (si el combustible contiene azufre) ypueden aparecer xidos de nitrgeno (NOx), dependiendo de la temperatura, la cantidad de oxgeno en la reaccin y,sobre todo de la presin.

Combustin Combustible Fsil Hidrocarburo


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Combustin Gas Natural ( Metano)


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Combustin Gas LP ( Propano)


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En la combustin incompleta los productos que se queman pueden no reaccionar con el oxigeno, debido a que elcomburente y el combustible no estn en la proporcin adecuada, dando como resultado compuestos como elmonxido de carbono(CO). Adems, puede generarse carbn.

El mtodo ms prctico para medir la eficiencia de una combustin es por las ppm porcentaje de monxido de carbono

(CO)en los gases de escape. Par esto se necesita un equipo analizador de gases.Los combustibles que contienen azufre son el Combustleo y el Diesel; por lo que si los gases de escape se condensan

forman cidos.


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La proporcin de Oxigeno -Combustible , para lograr una combustin ideal vara dependiendo del combustible;.

Por ejemplo: Para el Gas Natural se requiere de 1 una parte de Gas Natural por 10 partes de aire.

Es importante mencionar que el aire a nivel del mar contiene aproximadamente 20% de oxgeno y 79 % de nitrgeno;.

As mismo la cantidad de aire disminuye conforme aumenta la altitud.


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El PCI ( Poder Calorfico Inferior ). Es el calor de la combustin que no aprovecha la energa trmica de condensacin delagua.

Para el Gas Natural 12,635 Kcal /Kg.

El PCS ( Poder Calorfico Superior )Aprovecha la energa trmica de condensacin del agua y por tanto, con la mismacantidad de combustible, se genera ms calor. (Combustin ms eficiente).

Para el Gas Natural 14,050 Kcal /Kg.


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1.5 Potencia Trmica y Eficiencia.

Potencia Trmica: capacidad de una calentador o caldera de generar calor.

Unidades de Potencia Trmica:

Kilocalora (Kcal/h).

La Kilocalora se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a un kilogramo de agua a 1 atmsfera de presinpara elevar su temperatura 1 C.

En el Sistema Ingls; Unidad Trmica Britnica (BTU/h).

En el Sistema Europeo; Kilo Watt Trmico(Kw)

Equivalencias; 1 Kcal=1000 cal ; 1BTU=252 cal= 0.252Kcal.; 1 Kw= 3,412.14 BTU/h. 1 Kw= 860 Kcal/h.

Tambin se utiliza Mbh, que son miles de BTUs por hora.

Unidades generales:

1 Galon = 3.785 L

F = (C * 1.8) + 32

C = (F 32) * 0.555

1 L = 1 kg

1 m3 = 1000 L

1 hora = 60 minutos


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Primera Ley de la Termodinmica.

Ley de la conservacin de la masa y la energa.

En resumen, la ley de la conservacin de la energa afirma que la energa no puede crearse ni destruirse, slo sepuede transformacin de una forma a otra.


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Segunda Ley de la Termodinmica.

Se puede enunciar de diferentes formas equivalentes, tiene muchas aplicaciones prcticas. Desde el punto de vista de laingeniera, tal vez la ms importante es en relacin con la eficiencia limitada de las mquinas trmicas.

Expresada en forma simple, la segunda ley afirma que no es posible construir una mquina capaz de convertir porcompleto, de manera continua, la energa trmica en otras formas de energa.

Eficiencia o Rendimiento.Es el cociente de la energa de entrada sobre la energa de salida, expresada en porcentaje.

= (Energa de Salida / Energa de Entrada) x 100 %.

Para el Caso de las calderas se debe tomar como energa de entrada el poder calorfico superior de combustible (PCS)


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2. CALENTADORES DE ALTA EFICIENCIA.


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2.1 Tipos de Quemadores en las Calderas.

Quemadores. Son los equipos donde se realiza la combustin por lo tanto tienen que contener los 3 vrtices del triangulode combustin.

Por la forma que toman el aire de combustin se distinguen 2 tipos de quemadores:

QUEMADORES ATMOSFERICOS.

QUEMADORES MECANICOS (PRESURIZADOS)


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QUEMADORES ATMOSFERICOS.

nicamente se emplean para combustibles gaseosos. Una parte necesaria para la Combustin (Aire primario ) se induce enel propio quemador por el chorro de gas salido de un inyector (efecto venturi); el aire restante (aire secundario) se

obtiene por difusin de aire ambiente alrededor de la llama. En este tipo quemadores se tienen combustin con bajosndices de exceso de aire. Su funcionamiento se ve afectado por la altitud .

La energa de activacin se logra mediante llama piloto que debe estar permanentemente encendida, o con encendidosautomticos (pilotos electrnicos, tren de chispas etc..


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QUEMADORES MECANICO (PRESURIZADO).

Tambin se denominan como quemadores as obre presin; el aire de combustin es introducido mediante un ventilador,existen diversos sistemas para lograr la mezcla del aire con el combustible.

En el caso de gas el combustible se introduce mediante los inyectores, aprovechando la propia presin de suministro. En los

combustibles lquidos se utilizan diferentes sistemas para su pulverizacin, de modo que se crean micro gotas decombustible que facilitan su mezcla con el aire

La combustin puede ajustarse actuado sobre el gasto de combustible, sobre la cantidad de aire a impulsar y sobrelos elementos que producen la mezcla; por lo que es posible rendimientos de combustin muy altos.

La energa de activacin se logra mediante llama piloto que debe estar permanentemente encendida, o con encendidosautomticos (pilotos electrnicos, tren de chispas etc..


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De acuerdo con el tipo de quemador , existen slo dos tipos de calderas calentadores para agua caliente.

Calderas con Quemador Atmosfrico. Su eficiencia se ve afectada por la altitud donde se instala.

(Ver catlogo LC II -1400-2800.)

Calderas con Quemador Presurizado. Que son ms eficientes, en cuanto a la combustin. se puede realizar ajuste de laRelacin Oxgeno (Aire) Combustible; tambin llamada carburacin.


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2.2 Tecnologa de Quemador Presurizado y Condensacin.

Una caldera de Condensacin es un equipo que produce agua caliente a baja temperatura 40-60C, con un altorendimiento y bajas emisiones de xido de nitrgeno (NOx) y dixido de carbono (CO2).

Las calderas de condensacin son calderas de alto rendimiento (110% PCI), basado en el aprovechamiento del calor decondensacin de los humos de la combustin. Esta tecnologa aprovecha el vapor de agua que se produce en los gasesde combustin y lo devuelve en estado lquido.

Con una caldera clsica de tipo atmosfrico, una parte no despreciable del calor latente es evacuada por los humos, lo queimplica una temperatura muy elevada de los productos de combustin del orden de 150C. La utilizacin de una calderade condensacin permite recuperar una parte muy importante de ese calor latente y esta recuperacin de la energareduce considerablemente la temperatura de los gases de combustin para devolverle valores del orden de 65Climitando as las emisiones de gas contaminantes.

EFICIENCIA

La eficiencia de estas calderas resulta ser superior al 100% (medido en las condiciones tradicionales, sobre el podercalorfico inferior), lo que puede resultar extremo, pero que es cierto.

Sobre el poder calorfico superior (teniendo en cuenta el calor latente del agua) es, por supuesto, un rendimiento inferior al100%, sobre un 96%, frente al 50-80% de las calderas convencionales.

(Ver catlogo LC II -1400-2800.)


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La mayor limitante en las calderas convencionales (Combustleo y Diesel) es la temperatura de los gases de escape y portanto la temperatura de agua en caldera que no puede estar por debajo de la temperatura de condensacin de losgases.

Nota: Las calderas de Alta eficiencia y condensacin utilizan slo como combustibles Gas Natural y Gas LP.

Es por ello que a pesar de que las eficiencias a plena carga de los equipos convencionales son buenos, no son capaces deajustarse eficazmente a la variacin de la demanda.

Con base en lo anterior, adquieren cada vez mayor importancia las calderas de alto rendimiento en cualquier condicin defuncionamiento y por tanto, la tecnologa de condensacin.

Las calderas con tecnologa de condensacin, son equipos capaces de ajustarse a la demanda en todo el rango defuncionamiento del equipo y por tanto, las eficiencias obtenidos son superiores.

En comparacin con calderas convencionales, los ahorros se sitan entre un 30% y un 40% sobre los consumos; eninstalaciones con calderas antiguas hasta un 60%.

Esta tecnologa se amortiza en un corto periodo de tiempo, sobre todo, cuando hay un alto consumo de energa.


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(1) Una mezcla perfecta de aire y gas entra a la caldera. Por medio de Quemador presurizado, ajuste de Carburacin.

(2)La mezcla encendida pasa a travs del intercambiador de calor.

(3)El agua fra es calentada por los gases calientes.

(4)Cuando los gases quemados salen, condensan debido al cambio de temperatura y el agua fra es precalentada antes deentrar al intercambiador de calor, incrementando as la eficiencia del sistema completo.

(5)Los gases de combustin a baja temperatura salen por el ducto de ventilacin.


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2.3 Calentador Alta Eficiencia Circuito Cerrado.

Tecnologa: Quemador Presurizado, y Condensacin . Eficiencia Trmica hasta 96%.

Tipo de Calentador: Circuito cerrado, es decir el agua a calentar nunca pasa por el intercambiador de calor de la caldera.

Por lo que se debern utilizar intercambiadores de calor externos o internos y tanques acumuladores de agua caliente.,tanques de expansin, circuladoras de agua caliente.

Se recomienda instalar en aplicaciones con agua dura >de 100 ppm de dureza en carbonato de calcio.Se recomienda instalar para calentamiento de agua de albercas.

Temperatura de Agua: Para calentar agua de 38 a 60 C.

Alimentacin Elctrica: 110 VAC, Consumo 110 W.

Combustible: De fbrica a Gas Natural, opcin con kit de transformacin para Gas LP.

Potencia: 60 KW.(204,840 BTU/hr) (51,620 Kcal/hr) (204 Mbh)

45 KW.(153,630 BTU/hr) (38,715 Kca/hrl) (153 Mbh)

30 KW.(102,420 BTU/hr) (25,810 Kcal/hr) (102Mbh)

24 KW.(81,936 BTU/hr) (20,648 Kcal/hr) (81 Mbh)

Se puede ajustar la potencia del quemador de 30% a 100% de la capacidad.

Control y Regulacin: Totalmente automtico, por medio de micro controlador , sensores de presin ,temperatura , flujo deagua etc..

Potencia Modular: En instalaciones donde exceda la potencia de un equipo , se pueden conectara hasta 8 equipos encascada. Maestro-Esclavos.

Peso: 70 kg.Ahorro : En comparacin con calderas convencionales, los ahorros se sitan entre un 30% y un 40% sobre los consumos;

en instalaciones antiguas hasta un 60%.

Seguridad: Componentes y sistema de control garantiza un funcionamiento confiable.

Facilidad en la Instalacin y mantenimiento de los equipos.


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(1) Conexin Gas.

(2) Salida de condensados.

(3) Agua Caliente.

(4) Retorno de Agua.

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2.4 Aplicaciones Equipo Slo y Cascada.

Ejemplo Instalacin Equipo Slo circuito cerrado.

Lnea Verde Agua Fra.. Lnea Amarilla Agua caliente Lnea roja agua caliente de caldera. Lnea azul retorno de agua a caldera.

Lnea azul marino condensados. Lnea naranja alimentacin de gas.


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Funcionamiento.

(1) Circuito cerrad o se llena con agua de muy baja dureza < de 60 ppm.

(2) Se alimenta el controlador de la caldera con 110 VAC /1F/ 60 Hz.

(3) El controlador arranca el quemador de la caldera y la bomba circulador ; cuando baja la temperatura del tanque este

por abajo del set point de temperatura (por medio de sensor de temperatura)(4) El agua del circuito cerrado se calentar en el intercambiador de la caldera y fluye hacia el serpentn de tanque

acumulador (por medio de una bomba circulador).

(5) Transfiriendo el calor generado por la caldera al agua a calentar.

(6) Durante el funcionamiento de l quemador el agua del circuito cerrado se calentar y puede alcanzar cerca de 100 C.


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Para evitar que el agua este en ebullicin (fase lquido a fase gas) se llena (En fro) el circuito cerrado con agua a unapresin manomtrica de 1 atm=1.2 kg/cm2 = 16 a 18 PSI.

Para obtener una presin Absoluta de 2 atm=2.2 kg/cm2 = 32 a 35 PSI

Entonces con esta presin absoluta el agua estar en ebullicin hasta una temperatura de 125 C.

2 4 A li i E i Sl C d


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Intercambiador de calor interno Doble ( DosSerpentn dentro de tanque acumuladorde agua caliente)

Capacidad 300, 500 y 1000 litros

Tipo Vertical para la Estratificacin del agua.

Vitrificado (Porcelanizado) para evitaroxidacin.

Para el tanque de 1000 litros. Un serpentninferior para equipo termosolar (60Kw),serpentn superior para caldera (40 Kw).

nodo de magnesio para evitar corrosingalvnica.

Aislamiento trmico en espuma de poliuretano.



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Intercambiador de calor interno Simple (Un Serpentn dentro de tanque acumulador de agua caliente)



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Tipo Vertical para la Estratificacin del agua.

2 4 Aplicaciones Equipo Slo y Cascada


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Intercambiador de calor externo (Intercambiador de Placas).

Se instalan cuando el cliente ya cuenta con tanque acumulador y en aplicaciones donde el agua contiene qumicos; porejemplo albercas y procesos industriales



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Tanque de Expansin Cerrado.

Componente que mantiene la presin del circuito cerrado estable; aun cuando se incrementa la temperatura del lquidodentro del circuito cerrado.

Vlvula de Alivio.

Componente de seguridad que desfoga el lquido si aumenta la presin del circuito cerrado, ms de lo permitido.

Vlvula de Eliminadora de Aire.Componente para purgar el aire atrapado en el circuito hidrulico



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Circulador de agua caliente.

Es el componente que mantiene el flujo de agua dentro del circuito cerrado par que se pueda realizar la transferencia decalor entre la caldera y el agua a calentar en el tanque acumulador.


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Ejemplo Instalacin Equipo en Cascada con tanque acumulador de agua caliente.


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Ejemplo Instalacin Equipo en Cascada con tanque acumulador de agua caliente.


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Ejemplo Instalacin Equipo en Cascada con intercambiador de calor externo (placas)


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Ejemplo Instalacin Equipo en Cascada con intercambiador de calor externo (placas)


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Ejemplo Instalacin Equipo Slo y Equipo Solar.


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2.5 Calentador Alta Eficiencia Instantneo.

Tecnologa: Quemador Presurizado, y Condensacin . Eficiencia Trmica hasta 96%.

Tipo de Calentador: Instantneo, es decir el agua a calentar de proceso pasa por el intercambiador de calor , del equipo,y slo trabaja cuando existe flujo de agua a calentar.

Se recomienda instalar en aplicaciones con agua suave < de 60 ppm de dureza en carbonato de calcio.No se recomienda instalar para calentamiento de agua de albercas.

Flujo de Agua: 2.5 a 27 l/min. Presin hasta 12 Bar.

Temperatura de Agua: Para calentar agua de 38 a 60 C.

Alimentacin Elctrica: 110 VAC, Consumo 110 W.

Combustible: De fbrica a Gas Natural, opcin con kit de transformacin para Gas LP.

Potencia: 47 KW.(160,370 BTU/hr) (40,420 Kcal/hr) (160Mbh).

Se puede ajustar la potencia del quemador de 30% a 100% de la capacidad.

Control y Regulacin: Totalmente automtico, por medio de micro controlador , sensores de presin ,temperatura , flujo deagua etc..

Potencia Modular: En instalaciones donde exceda la potencia de un equipo , se pueden conectara hasta 12 equipos encascada. Maestro-Eclavos.

Peso: 35 kg.

Ahorro : En comparacin con calderas convencionales, los ahorros se sitan entre un 30% y un 40% sobre los consumos;en instalaciones antiguas hasta un 60%.

Seguridad: Componentes y sistema de control garantiza un funcionamiento confiable


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2.5 Calentador Alta Eficiencia Instantneo.


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Ejemplo Instalacin Equipo Slo

Lnea Azul Agua Fra.

Lnea Amarilla Alimentacin de Gas Natural Gas LP.

Lnea Roja Agua Caliente.

Lnea Negra Punteada cable de interconexin Equipos en Cascada.


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Ejemplo de Instalacin Equipos en Cascada.


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Ejemplo de Instalacin Equipos en Cascada.


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Ejemplo de Instalacin Equipos en Cascada con tanque acumulador de agua caliente.


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Ejemplo de Instalacin Equipos en Cascada con tanque acumulador de agua caliente.


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Ejemplo Instalacin Equipo Slo y Equipo Solar.


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Ejemplo Instalacin Equipos en Cascada y Equipo Solar gran dimensin.


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3. CALCULO DE POTENCIA Y CAPACIDAD.


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Por ejemplo; Determinar la capacidad de la caldera y tamao del tanque de almacenamiento para un edificio dedepartamentos:

Posible demanda mxima; 9,630 Litros/hora

Factor de demanda

9,630 L/h X 0.3 = 2,889 L/h

La capacidad de almacenamiento del tanque

2,889 L/h X 1.25 = 3,611 L


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La potencia de la caldera se calcula:

Q = W Cp T

Q= Potencia kcal (BTU)

W=Cantidad de agua por calentar kg/h

Cp=Calor especifico del agua a presin constante 1 kcal/KgC (BTU/LbF)

T=Diferencia en Temperatura (T final (tanque) T inicial (Agua fra))

Q = 2,889 kg/h X 1 kcal/KgC X 30C = 86,670 kcal

Conversin 1 kW = 860 k calora/hora

86,670 kcal = 99.62 kW

El clculo nos da una potencia requerida de 99.62 KW

Como sobre pasa la potencia de una caldera de condensacin de 60 KW; Se sugiere 2 equipos de 60 KW

Entonces 60 KWx2 = 120 KW.

Se puede ajustar el quemador (ajuste de 30% a l 100% de la capacidad total)

para que cada caldera proporcione 50 KW x 2 = 100 KW

Respaldo de caldera al 70% por referencia en instalaciones

Como son 2 calderas, cuando reciba mantenimiento una caldera, la otra trabajar ajustando el quemador al 100% de sucapacidad es decir 60 kw que correspondera al 60% de la capacidad total de los dos equipos.

Cumpliendo con el requisito de respaldo de caldera al 70%


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Referencias para clculo de Albercas

Capacidad Alberca; 30 m3

Temperatura requerida: 28CJacuzzi: 32C

Tiempo de calentamiento: 4 horas

La potencia de la caldera se calcula

Q = (W Cp T)/t

Q= Potencia kcal (Btu)

W=Cantidad de agua por calentar kg/h

Cp=Calor especifico del agua a presin constante 1 kcal/kgC (Btu/lbF)

T=Diferencia en Temperatura (T final (tanque) T inicial (Agua fra))t = Tiempo (h)

Q = 30,000 kg X 1 kcal/kgC X 13C = 97,500 kcal

4 horas

Conversin 1 kW = 860 k calora/hora

97,500 kcal = 113.37 Kw

El clculo nos da una potencia requerida de 113.37 kW (85%)

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