Universidad Austral de Chile

Facultad de Ciencias de la Ingeniera

Escuela de Ingeniera Civil Mecnica

DISEO DE CALDERA HOSPITAL CARLOS IBEZ DEL CAMPO, DE LINARES

Integrantes:

Patricio Alejandro Antilef Baeza

Boris Enrique Arismendi lvarez

Flaminio Ivn Becerra Daz

Diego Alberto Troncoso vila

Alejandro Javier Yefi Nez

Profesores:

Sr. Rogelio Moreno

Sr. Marcelo Paredes

Sr. Juan Rebolledo

VALDIVIA

CHILE

08 de Julio de 2013

2

1. NDICE

1.1. ndice general

1. NDICE .......................................................................................................................... 2

1.1. ndice general ......................................................................................................... 2

1.2. ndice de figuras ..................................................................................................... 8

1.3. ndice de tablas .................................................................................................... 11

2. INTRODUCCIN ......................................................................................................... 13

3. PROBLEMA DE DISEO Y OBJETIVOS ................................................................... 14

3.1. Problema .............................................................................................................. 14

3.2. Definicin del Problema ....................................................................................... 14

3.3. Objetivos .............................................................................................................. 14

3.3.1. Objetivo general ............................................................................................ 14

3.3.2. Objetivos especficos .................................................................................... 14

3.4. Fronteras del proyecto ......................................................................................... 15

3.5. Alcances del proyecto .......................................................................................... 15

4. PLANIFICACION DE PROYECTO .............................................................................. 16

5. DEFINICIN DEL PRODUCTO .................................................................................. 18

5.1. Mtodo matriz QFD (Quality Function Deployment) ............................................ 18

5.2. Clientes involucrados ........................................................................................... 18

5.3. Requerimientos y especificaciones de ingeniera ................................................ 18

5.4. Matriz QFD ........................................................................................................... 20

6. CONSIDERACIONES DE DISEO ............................................................................. 21

6.1. Agua para calderas .............................................................................................. 21

6.2. Problemas causados por las impurezas del agua ................................................ 21

6.3. Caractersticas de la calidad del agua segn Decreto Supremo N48 ................ 21

6.4. Caractersticas del agua de Linares ..................................................................... 22

6.5. Tratamiento recomendado segn Asociacin chilena de seguridad (ACHS) ...... 23

7. GENERACIN DE CONCEPTOS ............................................................................... 24

7.1. Descomposicin funcional .................................................................................... 24

7.2. Tipo de caldera a disear ..................................................................................... 25

3

8. REDES DE VAPOR ..................................................................................................... 27

8.1. Diagrama Lay-Out ................................................................................................ 27

8.2. Distribucin de vapor hacia las reas de consumo .............................................. 28

8.2.1. Dimensionamiento de la red ......................................................................... 28

8.2.2. Clculo de prdida de carga en red de vapor ............................................... 29

8.2.2.1. Prdidas de carga regulares .................................................................. 29

8.2.2.2. Prdidas de carga singulares. ............................................................... 36

8.3. Aislacin trmica de las caeras ......................................................................... 38

8.3.1. Seleccin de material aislante. ..................................................................... 38

8.3.1.1. Clculo de prdidas de calor. ................................................................ 40

8.3.1.2. Relacin entre el porcentaje de ahorro energtico, perdida calor y el

espesor del material aislante. .................................................................................. 46

8.3.1.3. Clculo de espesor del aislante desde el punto de vista econmico. .... 50

8.3.2. Dilatacin en las caeras de la red de vapor ............................................... 55

8.3.3. Soportes de las caeras en la red de vapor ................................................ 56

8.3.4. Distancia entre soportes de las caeras ...................................................... 56

8.3.5. Accesorios de dilatacin ............................................................................... 57

8.3.6. Configuracin de accesorios en la red de vapor ........................................... 57

8.3.6.1. Red Principal .......................................................................................... 58

8.3.6.2. Esterilizacin .......................................................................................... 58

8.3.6.3. Lavandera ............................................................................................. 59

8.3.6.4. Alimentacin .......................................................................................... 60

8.3.6.5. Agua Caliente ........................................................................................ 61

8.3.6.6. Calefaccin ............................................................................................ 62

8.4. Red de Condensado. ........................................................................................... 62

8.4.1. Cantidad de condesado generado ................................................................ 63

8.4.2. Dimensionamiento de la red de condesado .................................................. 64

8.4.3. Perdida de carga en la red de condensado .................................................. 65

8.4.4. Aislante de la red de condensado ................................................................. 66

8.4.5. Clculo y seleccin de Componentes de la red de vapor y condensado ...... 66

8.4.5.1. Clculo y seleccin de trampas de vapor .............................................. 67

8.4.6. Seleccin de Vlvulas ................................................................................... 69

8.4.6.1. Seleccin Vlvulas de Cierre ................................................................. 69

4

8.4.6.2. Seleccin Vlvulas de estrangulacin de flujo ....................................... 70

8.4.6.3. Seleccin Vlvulas de Retencin ........................................................... 71

8.4.6.4. Seleccin vlvulas reductora de presin ............................................... 71

8.4.6.5. Seleccin de vlvulas de seguridad ....................................................... 72

8.4.6.6. Seleccin Vlvulas de control de temperatura ....................................... 72

8.4.7. Seleccin de Filtro ......................................................................................... 73

8.4.8. Seleccin de instrumentos de medicin de presin ...................................... 73

8.4.9. Clculo y seleccin separador de gotas ....................................................... 74

8.5. Diseo y clculo de tanque de condensado ......................................................... 75

8.5.1. Tanque de condensado de la caldera ........................................................... 75

8.5.2. Norma para tanques de almacenamiento ..................................................... 76

8.5.3. Soldadura en tanque de condensados ......................................................... 76

8.5.4. Entrada hombre y accesorios ....................................................................... 76

8.5.4.1. Entradas hombre verticales y horizontales ............................................ 76

8.5.4.2. Venteos .................................................................................................. 76

8.5.4.3. Drenaje y sumideros .............................................................................. 76

8.5.4.4. Plataformas y pasillos segn A.P.I. 650 ................................................ 77

8.5.4.5. Escaleras segn A.P.I. 650 .................................................................... 77

8.5.5. Altura del tanque de condensados ................................................................ 78

8.5.6. Resultados de esfuerzos ............................................................................... 78

8.5.6.1. Tanque de condensados ....................................................................... 78

8.5.6.2. Estructura soportante ............................................................................. 79

8.6. Ingreso del agua a la caldera ............................................................................... 80

8.6.1. El fenmeno de cavitacin en bombas ......................................................... 80

8.6.1.1. Cavitacin en la tajamar de la voluta o de impulsin ............................. 80

8.6.1.2. Cavitacin en el ojo del rodete o de aspiracin ..................................... 81

8.6.2. NPSH disponible ........................................................................................... 82

8.6.3. NPSH requerido ............................................................................................ 86

8.6.4. Seleccin de la bomba .................................................................................. 86

8.6.5. Conexin en paralelo de las bombas ............................................................ 87

8.7. Sistema de agua caliente sanitaria ...................................................................... 88

8.7.1. Produccin instantnea ................................................................................. 89

8.7.2. Seleccin del acumulador ............................................................................. 92

5

8.7.3. Caractersticas tcnicas del acumulador ...................................................... 94

8.7.4. Composicin del suministro .......................................................................... 94

8.7.5. Acumulador de 1500 litros ............................................................................ 94

8.8. Calefaccin recinto hospitalario ........................................................................... 95

8.8.1. Diseo intercambiador de calor para calefaccin ......................................... 95

8.8.1.1. Propiedades fsicas de los fluidos. ......................................................... 96

8.8.1.2. Potencia trmica .................................................................................... 96

8.8.1.3. Cantidad de agua a calentar. ................................................................. 97

8.8.1.4. Temperatura media logartmica ............................................................. 98

8.8.1.5. Coeficiente de Transferencia de calor ................................................... 98

8.8.1.6. Seleccin de los tubos. .......................................................................... 98

8.8.1.7. Coeficiente de pelcula en el lado de los tubos. ................................... 101

8.8.1.8. Coeficiente de pelcula en el lado del casco ........................................ 104

8.8.1.9. Coeficiente global de transferencia de calor. ....................................... 105

8.8.1.10. Cada de presin en el lado de los tubos. ............................................ 107

8.8.1.11. Cada de presin en el lado del casco. ................................................ 108

8.8.2. Aislacin trmica del Intercambiador de calor ............................................ 110

8.8.2.1. Seleccin Aislante trmico ................................................................... 110

8.8.2.2. Prdida de calor ocasionada por la carcasa ........................................ 110

8.8.3. Prdida de calor ocasionada por los cabezales .......................................... 114

8.8.4. Rendimiento del Intercambiador de calor ................................................... 116

8.8.5. Modelo intercambiador de calor .................................................................. 117

8.8.6. rea de calefaccin ..................................................................................... 118

8.8.6.1. Balance de energa. ............................................................................. 118

9. CLCULO TRMICO ................................................................................................ 119

9.1. Clculo del hogar ............................................................................................... 119

9.1.1. Consumo de combustible (Cc) .................................................................... 119

9.1.2. Volumen mnimo de la cmara de combustin ........................................... 120

9.1.3. Ciclo de carga de combustible .................................................................... 121

9.2. Caractersticas del ante-hogar ........................................................................... 122

9.3. Anlisis de combustin ....................................................................................... 123

9.3.1. Construccin del diagrama de Ostwald ...................................................... 124

9.3.2. Clculo de aire terico ................................................................................ 124

6

9.3.3. Clculo del aire real .................................................................................... 126

9.3.4. Presin parcial de los humos ...................................................................... 130

9.4. Clculo de radiacin en el hogar ........................................................................ 131

9.4.1. Clculo Sp ................................................................................................... 134

9.4.2. Clculo del coeficiente de reduccin que contempla la disposicin de los

tubos (Fa). .................................................................................................................. 135

9.4.3. Clculo del coeficiente de reduccin que contempla la conductividad de la

pared (Fc). .................................................................................................................. 136

9.4.4. Clculo del coeficiente de reduccin que contempla la capa de holln en los

tubos (Fs). .................................................................................................................. 137

9.4.5. Clculo del factor que depende del porcentaje de la superficie de la cmara

de combustin que est en contacto con el agua y del tipo de combustible (Ff). ..... 137

9.4.6. Clculo temperatura de los gases del hogar ............................................... 138

9.5. Clculo del primer paso de tubos ....................................................................... 140

9.5.1. Calor por radiacin ...................................................................................... 140

9.5.2. Clculo de superficie de calefaccin (SC). ................................................. 141

9.5.3. Clculo de la emisividad de los gases ........................................................ 142

9.5.4. Calor por conveccin .................................................................................. 143

9.5.5. Clculo de ............................................................................................... 143

9.5.6. Clculo de rendimiento ............................................................................... 147

9.6 Diseo mecnico de la cubierta del hogar y de la caldera ................................. 148

9.6.1 Clculo de espesor de plancha ante-hogar ................................................ 148

9.6.2 Clculo de espesor de plancha de la caldera. ............................................ 149

9.7 Qumica de la combustin .................................................................................. 151

9.7.1 Volumen de los gases en diversos puntos de inters ................................. 152

9.7.2 Clculo de volumen inicial de los diversos productos de la combustin ..... 154

9.7.2.1 Clculo de la variacin de la densidad de los gases. .......................... 157

9.7.2.2 Clculo del contenido mximo de CO2 ................................................ 157

9.8 Separador de partculas ..................................................................................... 159

9.8.1. Clculo del dimetro del cicln ................................................................... 160

9.8.2. Clculo de la eficacia del cicln ................................................................. 162

9.8.3. Clculo velocidad de saltacin .................................................................... 162

9.8.4. Exponente del vrtice .................................................................................. 163

9.8.5. Clculo tiempo de relajacin ....................................................................... 163

7

9.8.6. Clculo de la eficacia de remocin ............................................................. 164

9.8.7. Cicln diseado ........................................................................................... 164

9.9. Chimenea ........................................................................................................... 165

9.9.1. Anlisis de tiro ............................................................................................. 165

9.9.1.1. Anlisis de tiro natural .......................................................................... 166

9.9.1.2. Prdidas regulares ............................................................................... 166

9.9.1.3. Prdidas singulares ............................................................................. 167

9.9.2. Caractersticas del ventilador de tiro forzado .............................................. 170

9.9.3. Aislacin chimenea ..................................................................................... 171

9.9.3.1. Situacin simplificada .......................................................................... 172

9.9.3.2. Determinacin del coeficiente convectivo exterior. .............................. 172

9.9.3.3. Propiedades de la temperatura de pelcula ......................................... 172

9.9.4. Clculo coeficiente convectivo interior (Gases) .......................................... 173

9.9.5. Coeficiente de conductividad trmica del aislante ...................................... 174

9.9.6. Aislacin caldera ......................................................................................... 175

9.9.6.1. Calculo coeficiente convectivo exterior. ............................................... 175

9.9.6.2. Clculo coeficiente convectivo interior (vapor). ................................... 176

9.10. Accesorios y componentes de la caldera ....................................................... 177

9.10.1. Indicadores de nivel de agua ................................................................... 177

9.10.2. Manmetro .............................................................................................. 178

9.10.3. Vlvula de seguridad ............................................................................... 179

9.10.4. Termmetro ............................................................................................. 179

9.10.5. Vlvula de purga ...................................................................................... 180

9.11. Anlisis componentes de la caldera con Creo/Elements 5.0 .......................... 180

9.11.1. Anlisis hogar de la caldera .................................................................... 180

9.11.2. Anlisis a la cubierta de la caldera .......................................................... 181

9.11.3. Anlisis a tubos dentro de la caldera ....................................................... 181

9.12. Ensamble final de la caldera ........................................................................... 182

10. CONCLUSIN ....................................................................................................... 183

11. BIBLIOGRAFA ...................................................................................................... 184

12. ANEXOS ................................................................................................................ 187

8

1.2. ndice de figuras

Figura 1. Carta Gantt con fecha 24 de marzo de 2013. Fuente: Microsoft Project 2013. .. 16

Figura 2. Carta Gantt Continuacin. Fuente: Microsoft Project 2013. ............................. 17

Figura 3. Matriz QFD. ......................................................................................................... 20

Figura 4. Descomposicin funcional del generador de vapor. ............................................ 24

Figura 5. Diagrama Lay-Out preliminar del diseo. ............................................................ 27

Figura 6. Cao Pre moldeado ............................................................................................. 38

Figura 7. Densidad aparente vs coeficiente de conductividad trmica ............................... 39

Figura 8. Tubera aislada. ................................................................................................... 40

Figura 9. Espesor ptimo para red principal. ...................................................................... 53

Figura 10. Espesor ptimo para esterilizacin. ................................................................... 53

Figura 11. Espesor ptimo para lavandera. ....................................................................... 53

Figura 12. Espesor ptimo para alimentacin. ................................................................... 54

Figura 13. Espesor ptimo para agua caliente. .................................................................. 54

Figura 14. Espesor ptimo para calefaccin. ..................................................................... 54

Figura 15. Soporte de patn, con abrazadera. .................................................................... 56

Figura 16. Fuelle. ................................................................................................................ 57

Figura 17. Red principal. ..................................................................................................... 58

Figura 18. Red esterilizacin y conexin del autoclave. ..................................................... 59

Figura 19. Red de lavandera. ............................................................................................ 60

Figura 20. Red de alimentacin. ......................................................................................... 61

Figura 21. Red de agua caliente. ........................................................................................ 61

Figura 22. Red de calefaccin. ........................................................................................... 62

Figura 23. Dimensionamiento de caera de condensado. Fuente: Spirax Sarco ............. 64

Figura 24. Retorno de condensado al tanque. .................................................................. 65

Figura 25. Dimensin de la trampa de vapor. ..................................................................... 67

Figura 26. Seleccin de trampa de vapor. .......................................................................... 69

Figura 27. Manmetro de Boudon. ..................................................................................... 74

Figura 28.Altura del tanque y nivel de agua. ...................................................................... 78

Figura 29. Resultados de esfuerzos von Misses en el tanque. .......................................... 79

Figura 30. Resultados de esfuerzos von Misses de la estructura. ..................................... 80

Figura 31.Cavitacin del cuerpo de la bomba. ................................................................... 81

Figura 32. Cavitacin en el ojo impulsor de la bomba. ....................................................... 81

Figura 33. Esquema representativo del tanque. ................................................................. 82

Figura 34. Bomba Elctrica Altamira T1, X30-15 (3HP). .................................................... 87

Figura 35. Conexin en paralelo de las bombas. ............................................................... 88

Figura 36. Acumulador con serpentn. ................................................................................ 89

Figura 37. Conexin del intercambiador con acumulador. ................................................. 90

Figura 38. Consumo de agua vs tiempo. ............................................................................ 93

Figura 39. Acumuladores conectados en paralelo. ............................................................ 93

Figura 40. Partes fundamentales del acumulador. ............................................................. 95

Figura 41. Intercambiador de calor de casco y tubos (placa fija). ...................................... 96

Figura 42.Espaciado entre el casco - haz de tubos. ......................................................... 100

9

Figura 43.Modelos de flujo para la condensacin de vapor en el interior de tubos

horizontales. ..................................................................................................................... 101

Figura 44. Modelos de flujo de condensacin. ................................................................. 101

Figura 45. Factor de transferencia de calor para el lugar del casco y pantallas

segmentadas. ................................................................................................................... 105

Figura 46. Factor de friccin para tubos. .......................................................................... 108

Figura 47. Factor de friccin para el lugar del casco. ....................................................... 109

Figura 48. Perdida de calor por la carcasa. ...................................................................... 110

Figura 49. Perdida de calor por los cabezales. ................................................................ 114

Figura 50. Modelo del intercambiador de calor. Fuente: Creo/Elements 5.0. .................. 117

Figura 51. Ante-hogar y sus componentes (corte transversal). ........................................ 123

Figura 52. Para aire terico CO2 vs O2. ............................................................................ 126

Figura 53. Para aire real CO2 vs O2. ................................................................................. 128

Figura 54. Interseccin de las ecuaciones de aire. .......................................................... 128

Figura 55. VC sobre el hogar de la caldera. ..................................................................... 131

Figura 56. Coeficiente Fa ................................................................................................. 135

Figura 57.Factor Ff ........................................................................................................... 138

Figura 58. V.C sobre los tubos de humos. ....................................................................... 145

Figura 59. Distribucin del tamao de las partculas en la combustin. ........................... 159

Figura 60. Dimensiones del cicln. ................................................................................... 161

Figura 61. Modelo del cicln. ............................................................................................ 165

Figura 62. Corte transversal para clculo de aislante en la chimenea ............................. 171

Figura 63. Corte transversal para clculo simplificado de aislante de chimenea. ............ 172

Figura 64. Corte transversal para clculo de aislante de caldera. .................................... 175

Figura 65. Corte transversal para clculo simplificado de aislante de caldera. ................ 175

Figura 66. Dimensiones del indicador de nivel. ................................................................ 178

Figura 67. Termmetro seleccionado. .............................................................................. 179

Figura 68. Esfuerzo von Misses en el hogar. ................................................................... 180

Figura 69. Esfuerzo von Misses de la cubierta. ................................................................ 181

Figura 70. Esfuerzo von Misses en los tubos. .................................................................. 181

Figura 71. Ensamble final de caldera escocesa diseada. .............................................. 182

Figura 72. Corte transversal (Interior de la caldera escocesa). ........................................ 182

Figura 73. Diagrama de Moody. ....................................................................................... 188

Figura 74. Curva caracterstica de la bomba. ................................................................... 191

Figura 75. Red de condensado rea esterilizacin. ......................................................... 192

Figura 76. Red de condensado rea lavandera. ............................................................. 192

Figura 77. Red de condensado rea agua caliente. ......................................................... 193

Figura 78. Red de condensado rea alimentacin. .......................................................... 193

Figura 79.Red de condensado rea de calefaccin. ........................................................ 194

Figura 80. Seleccin vlvulas de esfera. .......................................................................... 195

Figura 81. Seleccin vlvulas de globo. ........................................................................... 196

Figura 82. Seleccin vlvulas de reduccin. .................................................................... 197

Figura 83. Seleccin vlvula reductora de presin. .......................................................... 198

Figura 84. Seleccin vlvulas de seguridad. .................................................................... 199

10

Figura 85. Seleccin vlvulas de control de temperatura. ................................................ 200

Figura 86. Seleccin del filtro. .......................................................................................... 201

Figura 87. Seleccin de manmetros. .............................................................................. 202

Figura 88. Seleccin de separador de gotas. ................................................................... 203

Figura 89. Caeras para red de condensado. ................................................................. 204

Figura 90. Termmetros Spirax Sarco. ............................................................................. 205

Figura 91. Vlvula de purga. ............................................................................................. 206

11

1.3. ndice de tablas

Tabla 1. Clientes involucrados. ........................................................................................... 18

Tabla 2. Efecto en la caldera debido a impurezas en el agua de alimentacin. ................. 21

Tabla 3. Calidad del agua. .................................................................................................. 22

Tabla 4. Caractersticas del agua de napas subterrneas en la ciudad de linares. ........... 22

Tabla 5. Criterios para cada caldera. .................................................................................. 25

Tabla 6. Dimensionamiento caera. .................................................................................. 29

Tabla 7. Caudal volumtrico del vapor. .............................................................................. 31

Tabla 8. Velocidad real del vapor. ...................................................................................... 32

Tabla 9. Propiedades del rgimen del vapor. ..................................................................... 34

Tabla 10. Caractersticas de la caera. ............................................................................. 34

Tabla 11. Prdidas de carga regular. ................................................................................. 35

Tabla 12. Prdidas de carga singulares. ............................................................................ 36

Tabla 13. Prdidas de carga total. ...................................................................................... 37

Tabla 14. Perdidas de carga en el manifold. ...................................................................... 37

Tabla 15. Caractersticas de tubera. Fuente: Catlogo Volcn. ........................................ 39

Tabla 16. Espesor supuesto. .............................................................................................. 41

Tabla 17. Resistencias trmicas R3 y R 4. ......................................................................... 42

Tabla 18. Resistencia trmica R1. ...................................................................................... 44

Tabla 19. Resistencia trmica R4. ...................................................................................... 45

Tabla 20. Perdida de calor en red de vapor, (Con espesor de aislante supuesto). ............ 45

Tabla 21. Variacin del espesor del aislante y % ahorro de energa. ................................ 47

Tabla 22. Variacin del espesor del aislante y % de ahorro de energa Continuacin. .. 47

Tabla 23. Espesor de aislante v/s prdida de calor para cada consumo. .......................... 49

Tabla 24. Inversin econmica. .......................................................................................... 50

Tabla 25. Inversin econmica Continuacin. ................................................................. 51

Tabla 26. Calculo costo de energa disipada por ao Continuacin. .............................. 52

Tabla 27. Espesor ptimo para cada rea. ......................................................................... 55

Tabla 28. Dilatacin de cada caera por las distintas reas. ............................................ 55

Tabla 29. Distancia entre soportes. .................................................................................... 57

Tabla 30. Cantidad de condensado producido. .................................................................. 63

Tabla 31. Dimensiones caera de condensado. ............................................................... 64

Tabla 32. Presin mxima en la red de condensado. ........................................................ 66

Tabla 33. Espesor optimo aislante en red de condensado. ................................................ 66

Tabla 34. Seleccin del tipo de trampa de vapor termodinmica. ..................................... 68

Tabla 35. Seleccin del tipo de trampa de vapor a flotador. .............................................. 68

Tabla 36.Modelo de vlvula de esfera. ............................................................................... 70

Tabla 37.Modelos vlvulas de globo. ................................................................................. 70

Tabla 38. Modelo vlvula de retencin de discos. .............................................................. 71

Tabla 39. Modelo de vlvula reductora de presin. ............................................................ 72

Tabla 40. Modelo de vlvula de seguridad. ........................................................................ 72

Tabla 41. Modelo de vlvula de control de temperatura. .................................................... 73

Tabla 42. Filtros tipo Y. ....................................................................................................... 73

12

Tabla 43. Modelo separador de gotas. ............................................................................... 74

Tabla 44. Velocidades econmicas para tuberas de acero calibrado. ............................. 83

Tabla 45. Dimensiones caera tramo tanque bomba. .................................................... 84

Tabla 46. Caractersticas de la bomba seleccionada. ........................................................ 86

Tabla 47. Caractersticas del acumulador de 1500 litros. ................................................... 94

Tabla 48. Propiedades fsicas del H20 en distintas condiciones......................................... 96

Tabla 49. Caractersticas de los tubos. .............................................................................. 98

Tabla 50. Constantes para uso de la Ecuacin 33. .......................................................... 100

Tabla 51.Caractersticas de la carcasa. ........................................................................... 101

Tabla 52. Composicin qumica del chip de madera. ....................................................... 124

Tabla 53. Simbologa de los elementos qumicos de la madera. ..................................... 124

Tabla 54. Interseccin con los ejes cartesianos para aire terico. ................................... 126

Tabla 55. Interseccin con los ejes cartesianos para aire real. ........................................ 127

Tabla 56. Componentes de la combustin. ...................................................................... 129

Tabla 57. Componentes de combustin. .......................................................................... 129

Tabla 58. Factor Fc ........................................................................................................... 136

Tabla 59. Factor Fs ........................................................................................................... 137

Tabla 60. Calculo de temperatura en el hogar 1. ............................................................. 140

Tabla 61. Calculo de temperatura en el hogar 2. ............................................................. 140

Tabla 62. Composicin qumica de chip de madera. ........................................................ 151

Tabla 63.Oxigeno terico necesario. ................................................................................ 151

Tabla 64. Volumen inicial. ................................................................................................. 154

Tabla 65. Volmenes iniciales de cada componente. ...................................................... 155

Tabla 66. Temperaturas en puntos de interes. ................................................................. 155

Tabla 67.Volmenes en las distintas temperaturas. ......................................................... 156

Tabla 68. Caudal en los distintos puntos. ......................................................................... 157

Tabla 69. Densidad en los puntos de inters. .................................................................. 158

Tabla 70. Caractersticas de los ciclones de alta capacidad. ........................................... 160

Tabla 71. Dimensiones del cicln. .................................................................................... 162

Tabla 72. Tiempo de relajacin y eficacia de remocin. ................................................... 164

Tabla 73.Perdidas de carga regular en la chimenea. ....................................................... 167

Tabla 74. Prdidas de carga singulares. .......................................................................... 169

Tabla 75.Capacidades del ventilador. .............................................................................. 170

Tabla 76. Temperaturas presentes en la situacin. .......................................................... 172

Tabla 77. Propiedades de la temperatura de pelcula. ..................................................... 172

Tabla 78. Fracciones volumtricas de los componentes de los gases. ............................ 173

Tabla 79. Propiedades para cada componente. ............................................................... 174

Tabla 80. Temperaturas presentes en la expresin. ........................................................ 176

Tabla 81. Propiedades de la temperatura de pelcula. ..................................................... 176

Tabla 82. Propiedades de la temperatura pelcula. .......................................................... 177

Tabla 83. Caractersticas para el vapor saturado. ........................................................... 187

Tabla 84. Caractersticas de las tuberas. Fuente: (Aceros Otero, 2012). ....................... 187

Tabla 85. Factores de prdida de carga singulares ......................................................... 188

Tabla 86. Entalpa qumica de los gases a temperaturas de inters ................................ 190

13

2. INTRODUCCIN

El presente documento expone el proyecto Diseo de Caldera, Hospital Carlos

Ibez del Campo, el cual es desarrollado bajo las exigencias que presenta el mdulo de

intercambio de energa con fluidos compresibles, MPTL104-09 del VII semestre de la

carrera Ingeniera Civil Mecnica dictada en la Universidad Austral de Chile.

Los fines de este proyecto son de tipo acadmicos, por lo que el equipo de trabajo

desarrolla el proyecto bajo la metodologa PBL (Problem Based Learning), donde los

estudiantes realizan su aprendizaje mediante el estudio de problemas reales.

El proyecto est basado en una licitacin pblica emitida por el Ministerio de

Salud, la cual trata de la reposicin de dos calderas de produccin de vapor marca

Kewanee (ao 1961), ubicadas en el hospital Carlos Ibez del Campo situado en la

ciudad de Linares. Dicha reposicin ser efectuada por el diseo de una caldera tipo

Escocesa que supla las necesidades de vapor y agua caliente requerida.

Las reas del establecimiento que se necesitan abastecer con vapor saturado

corresponden al sector de Alimentacin, Esterilizacin y Lavandera. Mientras que el rea

de Agua Caliente y Calefaccin deben ser abastecidas por agua sub enfriada.

Adems en el diseo de la caldera el equipo se preocupar del clculo del sistema

de redes de vapor y agua necesario para abastecer los sectores de consumo,

considerando diversos elementos, tales como vlvulas, bombas de agua, trampa de

vapor, acumuladores, intercambiadores de calor, etc.

El desarrollo del proyecto involucra conocimientos de diversas materias, tales

como la mecnica de fluidos, termodinmica y transferencia de calor. Estas ciencias se

utilizan en la solucin de problemas termomecnico.

La mecnica de fluidos estudia los movimientos de los fluidos as como las fuerzas

que lo provocan, la termodinmica en cambio se focaliza en estudiar la conversin de una

forma de energa en otra y la transferencia de calor se especializa en estudiar el paso de

la energa trmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura.

Finalmente se desarrollar un sistema generador de vapor y su posterior

distribucin a partir de los requisitos de una licitacin real, en donde se espera entregar

una propuesta satisfactoria, debido a que el funcionamiento del establecimiento depende

principalmente de este sistema. As mismo mencionar que se desea seguir aumentando

las capacidades y conocimientos de los alumnos dentro de la carrera Ingeniera Civil

Mecnica.

14

3. PROBLEMA DE DISEO Y OBJETIVOS

3.1. Problema

Por medio de una licitacin pblica, el Servicio de Salud del Maule, llama a la

propuesta pblica para la realizacin de un proyecto llamado Reposicin de calderas

hospital de Linares.

El establecimiento necesita cumplir con la demanda de los consumos principales,

siendo estos los de lavandera, alimentacin, esterilizacin, agua caliente y calefaccin.

En el mbito de limpieza, es muy importante contar con un suministro de vapor en

donde se requiere de temperaturas y presiones determinadas, ya que juegan un rol

fundamental en la eliminacin de organismos bacteriolgicos. Adems, sabiendo en las

condiciones que deben tratar a las personas dentro del hospital, la calefaccin es de vital

importancia para entregar una temperatura determinada al momento de calefaccionar.

Para el rea de esterilizacin, se utiliza el vapor para la desinfeccin de utensilios,

herramientas entre otros, gracias a las grandes temperaturas que se pueden alcanzar.

Tambin as, se debe tener en cuenta que las personas deben disponer de agua a una

temperatura adecuada para ser utilizada en baos, cocinas y tambin en el lavado de

utensilios.

3.2. Definicin del Problema

El hospital Carlos Ibez del Campo, ubicado en la ciudad de Linares, requiere de

la continuidad de los suministros actuales de agua caliente y vapor, utilizando como

combustible de trabajo chip hmedo 120% de humedad base seca, para as satisfacer el

consumo de los servicios que presta el establecimiento hacia la comunidad.

3.3. Objetivos

3.3.1. Objetivo general

Disear un sistema de generacin y abastecimiento de vapor a base de chip capaz

de alimentar las dependencias del establecimiento.

3.3.2. Objetivos especficos

Disear un generador de vapor que abastezca un consumo total de 3000 kgv/h a

una presin de trabajo de 7 kg/cm2.

Disear un sistema de red para la distribucin de vapor y agua caliente a cinco

consumos distintos.

Seleccionar y/o disear equipos complementarios para la generacin y

abastecimiento del hospital.

15

Corroborar mediante el software el diseo mecnico de la caldera y el estaque de

agua caliente.

Confeccionar un manual de operacin.

Generar planos del diseo.

Redactar un informe detallado del proceso de diseo.

3.4. Fronteras del proyecto

El proyecto se enfoca principalmente en el diseo de la planta generadora de

vapor, esto contempla disear y/o seleccionar cada componente que forma del sistema de

generacin de vapor, considerando las redes de abastecimiento y distribucin de materia

hacia las distintas dependencias del hospital.

El equipo no se involucrar en el desmontaje e instalacin de la planta generadora

de vapor.

3.5. Alcances del proyecto

El proyecto ir dirigido al hospital Carlos Ibez de Campo, ubicado en Linares en

la VII Regin, con el propsito de satisfacer los consumos en lavandera, alimentacin,

esterilizacin, agua caliente y calefaccin del establecimiento.

16

4. PLANIFICACION DE PROYECTO

El equipo de trabajo tom la decisin de confeccionar una carta Gantt, con el

propsito de organizar los tiempos en base a las etapas del diseo. Este mtodo se usa

para tener un programa en funcin del tiempo estipulado de un proyecto.

Se debe mencionar que hoy en da esta es una herramienta bsica en la gestin

de proyectos en donde se trabaje con una cantidad de tareas y recursos humanos

considerables, por ello a continuacin en la Figura 1 y Figura 2, se aprecia la carta Gantt

generada por el equipo de trabajo.

Figura 1. Carta Gantt con fecha 24 de marzo de 2013. Fuente: Microsoft Project 2013.

17

Figura 2. Carta Gantt Continuacin. Fuente: Microsoft Project 2013.

18

5. DEFINICIN DEL PRODUCTO

5.1. Mtodo matriz QFD (Quality Function Deployment)

El mtodo de la matriz QFD es una forma ordenada y eficiente de desarrollar la

informacin necesaria para entender el problema de diseo (Ullman, 2010) pg. 145.

Las funciones de la Matriz QFD son las siguientes: 1. Escuchar la voz de los clientes.

2. Desarrollar las especificaciones y objetivos para el producto.

3. Encontrar como las especificaciones miden los deseos de los clientes.

4. Medir que tan bien las competencias satisfacen el objetivo del proyecto.

5. Desarrollar tareas numricas hacia las cuales trabajar.

5.2. Clientes involucrados

Los mandantes son:

Clientes Ttulo

Rogelio Moreno Ingeniero Civil Mecnico,

M Sc. Dr. Ingeniera Mecnica.

Marcelo Paredes Ingeniero Civil Mecnico.

Juan Rebolledo Ingeniero Civil Mecnico.

Tabla 1. Clientes involucrados.

Desde un principio, se entiende que el proyecto est ordenado por las autoridades

del hospital base de Linares, sin embargo este proyecto tiene fines acadmicos y por

ende los clientes directamente relacionados con la licitacin son los docentes a cargo del

VII semestre especficamente el Mdulo de intercambio de energa con fluidos

compresibles, siendo estos clientes indirectos del proyecto.

5.3. Requerimientos y especificaciones de ingeniera

En base a lo entregado por clientes del proyecto (profesores) y junto con el uso de

informacin de proyectos anteriores ligados al diseo de una caldera, se logr obtener los

requerimientos, los cuales adems el grupo de trabajo genero especificaciones de

19

ingeniera para describir los requerimientos y necesidades de los mandantes, siendo

estos con parmetros de medicin, con el fin de fijar metas a seguir.

Aqu se puede apreciar que a cada requerimiento se le asigna como mnimo una

especificacin de ingeniera, ya que si no fuese as, (Ullman, 2010) pg. 159 dice: Si la

unidad de un parmetro de ingeniera no es encontrada, el parmetro no es medible y

debe ser renombrado.

La caldera debe utilizar como combustible chip hmedo

Porcentaje de humedad del combustible (%).

Abastecer los consumos de agua caliente y vapor de las diferentes secciones

del hospital

Consumo de vapor de las distintas dependencias del establecimiento (kgv/hr).

Alimentar caldera con agua potable de la ciudad de Linares

Turbiedad de agua de alimentacin (ppm).

Dureza total del agua (ppm).

PH del agua (PH).

Buena visibilidad en la lectura en los instrumentos de medicin

rea visible de los medidores de presin (m2).

rea visible de los medidores de temperatura (m2).

rea visible de los medidores de nivel de agua (m2).

rea visible de los medidores de solidos disueltos (m2).

rea visible de los medidores de flujo de masa (m2).

Minimizar el rea de operacin de la caldera y sus componentes

Ancho de la caldera (m).

Largo de la caldera (m).

Alto de la caldera (m).

Contar con orificios de registro de tamao y calidad

Cantidad de orificios de registro de tamao y calidad (N).

Evitar lo ms posible las prdidas de calor (referido a aislacin)

Rendimiento de la caldera (%).

Temperatura de los gases que van a la chimenea (C).

Evacuar seguramente los gases de la combustin

Altura de chimenea (m).

Dimetro de chimenea (m).

Soportar condiciones de uso

Presin mxima de trabajo (kg/cm2).

Temperatura mxima de trabajo (C).

Seguridad del sistema de generacin de vapor y redes de transporte

Cantidad de elementos de seguridad en el rea (N).

Distancia entre la caldera y las paredes del recinto (m).

Distancia libre sobre el elemento ms elevado de la caldera (m).

Cantidad de puertas de la caldera (N).

Fcil alimentacin de combustible a la caldera

Alto de la caldera (m).

20

Fcil acceso al interior de la caldera

Cantidad de personas necesaria para abrir la puerta (N).

Volumen requerido para ingresar una persona en la caldera (m3).

5.4. Matriz QFD

Se aprecia en la Figura 3, el ensamble final de la matriz QFD, donde se aprecia la

relacin de los requerimientos y especificaciones, dando lugar a una posterior

ponderacin entre estas dos y la importancia que estim cada cliente.

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si

n m

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Altura

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cim

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el com

bustible

14

Fcil alimentacin de combustible a la caldera

Seguridad del sistema de vapor y redes de transporte

Soportar condiciones de uso

Evacuar seguramente los gases de la combustin

Evitar lo ms posible las prdidas de calor (referido a aislacin)

Contar con orificios de registro de tamao y calidad

Fcil acceso al interior de la caldera

Minimizar el rea de operacin de la caldera y sus componentes

Buena visibilidad en la lectura en los instrumentos de medicin

Alimentar caldera con agua potable de la ciudad de Linares

Abastecer los consumos de agua caliente y vapor de las diferentes secciones del hospital

La caldera debe utilizar como combustible chip hmedo

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10

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120

120

3600 3.5 2.8 7 24.5 10.5 70

7.7 23 173

210 5

1.5 31.5 1.2

0.9511171 7 4 3 35

7 2360 3000

3.7

6 10

11.7

1.31.3 2.7

1.1

1.3

5.29.81.11.1 3.3 3.9 5.23.3 1.13.9 1.1 3.3

5.6 2

2.3 2.5

10

3.9

12 1 1.3

4.1 1.2 2.8

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4

1.34.3 2.31.3

4.1

3.67.2

11.2 2.91.21.2 7

9.1

2

8

1.2

1 2.7

2.2

6.83.3

1.2 9.9 3.9 3.1 5.47.7 3.9

2.7

2.37.31.3

4.3 3.9

3.7 2.3

2.5

2.3 2

2.23.1

13

5

1

1

N

2.2

2

2.5

Figura 3. Matriz QFD.

21

6. CONSIDERACIONES DE DISEO

6.1. Agua para calderas

El tratamiento de agua de una caldera de vapor o agua caliente es fundamental

para asegurar una larga vida til libre de problemas operacionales, reparaciones de

importancia y accidentes.

Con el propsito de evitar problemas de corrosin e incrustaciones, es de vital

importancia emplear un tratamiento de agua para asegurar la calidad del agua de

alimentacin y del agua contenida en la caldera.

6.2. Problemas causados por las impurezas del agua

En la Tabla 2 se presentan los problemas y su descripcin:

Efecto en la caldera debido a impurezas en el agua

Problema Descripcin

Embancamiento El barro y el silicio mezclados con sales, se depositan en el fondo de la caldera, impidiendo la libre circulacin del agua.

Incrustaciones Costras duras producidas por sales de calcio y magnesio, se adhieren a las superficies y afectan la T.D.C al agua, provocan recalentamiento de tubos, provocando roturas y obstrucciones.

Corrosiones Deterioro en las superficies de la caldera, debido a la accin del oxgeno, anhdrido carbnico y sales. Adems tratamientos del agua mal aplicados (desincrustantes).

Arrastre Ocurre cuando el vapor de agua lleva partculas en suspensin, estas partculas llevan solidos disueltos, provocando problemas de funcionamiento.

Fragilidad Caustica

Se produce cuando el agua contiene hidrxido de sodio en exceso, generando fisuras en los tubos y elementos sometidos a esfuerzos mecnicos.

Tabla 2. Efecto en la caldera debido a impurezas en el agua de alimentacin.

6.3. Caractersticas de la calidad del agua segn Decreto Supremo N48

En base a lo descrito en el decreto N48 Aprueba reglamento de calderas y

generadores de vapor (Chile, 1984), se destaca en el artculo 16 ciertas prescripciones

que debe cumplir el agua que alimenta una caldera para el ptimo funcionamiento de

esta.

Las caractersticas del agua en relacin a su calidad son:

22

Calidad del agua segn Decreto Supremo N48

1. La turbiedad del agua de alimentacin debe ser inferior a diez partes por milln (10 ppm).

2. La dureza total del agua debe ser inferior a treinta y cinco partes por milln (35 ppm).

3. No debe contener aceites ni substancias corrosivas.

4. El PH del agua no debe ser inferior a 7.

5. El condensado del vapor se puede reutilizar como agua de alimentacin siempre que no se encuentre contaminada con aceites o substancias corrosivas.

6. Si las incrustaciones en la superficie es de espesor superior a 30% del grosor de las paredes (seccin de mayor transmisin de calor), no debe entrar en funcionamiento hasta que se limpie, desincrustacin y

revisin de instalaciones ablandadoras, garantizando la entrega de agua blanda.

Tabla 3. Calidad del agua.

6.4. Caractersticas del agua de Linares

Extraccin de informacin del documento (Ortega, 2009), donde se realizaron

estudios del agua de capas subterrneas de pozos, zanjones y esteros, por lo tanto se

utiliz esta informacin para poder caracterizar el agua y tener en cuenta los valores

aproximados tanto de dureza, pH y turbiedad del agua.

A continuacin se muestra la Tabla 4 que resume los siguientes datos:

Caracterstica Valor

Dureza total 49.2 ppm

pH 7.04

Turbiedad 20 ppm Tabla 4. Caractersticas del agua de napas subterrneas en la ciudad de linares.

23

6.5. Tratamiento recomendado segn Asociacin chilena de seguridad (ACHS)

El agua debe ser tratada de con el propsito de prevenir futuros problemas

causados por las impurezas, utilizndose algn procedimiento adecuado. Por lo tanto se

recomienda el tratamiento fsico que se describe de la siguiente manera segn (Pedro

Abarca Bahamondes, 2007):

Filtracin: Su objeto es extraer partculas grandes en suspensin. Se realiza

antes que el agua llegue a la caldera (externo). Los filtros pueden ser de mallas

(pequeas instalaciones) o de grava y arena.

Desaireacin: Tambin llamada desgasificacin. Consiste en extraer los gases

disueltos (oxgeno, anhdrido carbnico). Se consigue calentando el agua de alimentacin,

proporcionando una gran rea de contacto agua-aire (ducha o agitacin).

Extracciones o purgas: Consiste en evacuar cierta cantidad de agua desde el

fondo de la caldera o del domo, con objeto de disminuir o mantener la cantidad total de

slidos disueltos y extraer lodos (en el caso de purga de fondo). La extraccin puede ser

continua o intermitente. La magnitud de la extraccin depende de la concentracin de

slidos disueltos a mantener en la caldera y la del agua de alimentacin.

24

7. GENERACIN DE CONCEPTOS

El objetivo aqu es poder determinar un concepto que se adapte de mejor manera

a las condiciones de diseo de la caldera, para esto se realizarn dos tareas

fundamentales para poder entender la funcin que cumple el producto (caldera) y

posteriormente realizar una serie de evaluaciones a criterios que se encuentran en

comparacin.

7.1. Descomposicin funcional

Parte del diseo conceptual del proyecto es conocer lo que el producto debe

realizar, para ello se identifica la funcin general del producto como un sistema que utiliza

agua tratada con el propsito de generar vapor y agua caliente para las distintas

dependencias del hospital de Linares.

Para entender el funcionamiento del sistema generador de vapor y redes, se

realiza un diagrama de subfunciones, el cual se presenta en la Figura 4.

Figura 4. Descomposicin funcional del generador de vapor.

25

7.2. Tipo de caldera a disear

A continuacin se puede apreciar una serie de criterios que se consideraran para

poder tomar una decisin viable respecto al tipo de caldera que se disear. Las calderas

que se eligieron son del tipo compactas y escocesas. Los criterios que se escogieron

provienen del libro (Shield, 1973) y dan una informacin clara y especfica para tomar la

decisin.

En la Tabla 5 se aprecia los criterios seleccionados y su respectiva evaluacin.

Criterios Cadera tipo Compacta Caldera tipo Escocesa

Tipo de combustible

Solidos Lquidos, gaseosos y solidos

Presin de trabajo Baja presin (hasta 2 [kg/cm2]) Media presin (entre 2 y 10 [kg/ cm2])

Geometra Irregular Cilndrica

Volumen cmara de combustin

Amplio Reducido

Fcil limpieza Si No

Costo Econmico Econmico

Importancia del tratamiento de H2O

Alta Baja

Eficiencia Hasta un 80% Entre 75% a 80%

Tabla 5. Criterios para cada caldera.

El criterio Presin de trabajo que se observa en la tabla anterior, seala las

presiones a las que trabajan las calderas pre-seleccionadas. A primera vista se puede

pensar que no es un criterio significativo para la toma de decisin, pero existe en la

literatura de diseo y construccin de calderas antecedentes que muestran que se han

confeccionado calderas tipo Compactas que trabajan a las presiones de las tipo

Escocesa. Pero estos son casos particulares, realizados por empresas dedicadas al

rubro. Aun as, el equipo de trabajo lo consider para los criterios, ya que est informacin

es procedente de uno de los libros utilizados como gua para el desarrollo del proyecto

(Shield, 1973), siendo esto una buena prctica en el diseo.

Respecto al tipo de combustible, los dos tipos de caldera son aptos para el chip

de madera, sin embargo la presin de trabajo, da un valor claro a favor de la caldera

escocesa ya que la presin de trabajo dada corresponde a 7 kg/cm2.

26

La geometra de forma cilndrica reduce de manera considerable la presin

interna, paralelamente la estabilidad es mucho mayor gracias a su forma regular.

El volumen de la cmara de combustin es favorable para el tipo compacta,

debido a la gran masa de combustible, sin embargo esto se puede compensar con el

diseo de un ante-hogar.

Con respecto a la limpieza, la tipo compacta es mucho ms fcil realizar un aseo

dentro de esta ya que a diferencia de una tipo escocesa la cual posee superficies internas

que no tienen fcil acceso, especialmente las secciones que quedan abajo del fogn.

La importancia del tratamiento del agua, no es elevada para el tipo escocesa ya

que los precipitados, materiales en suspensin y fangos, se acumulan en el espacio que

queda debajo de fogn, la cual es una zona de movimiento relativamente escaso.

Para el ltimo criterio, la eficiencia es un valor muy importante ya que repercute

muy directamente con los costos, para ambos casos la eficiencia no supera el 80%.

Por lo tanto el grupo de trabajo tomo la decisin de disear una caldera del tipo

escocesa, ya que cumple con la mayora de los criterios descritos anteriormente, sin

embargo en el caso de la limpieza se debe recurrir a un servicio especializado en el aseo

de esta. En base a los criterios evaluados se puede asegurar que el diseo de la caldera

escocesa llevar a un producto ptimo.

27

8. REDES DE VAPOR

En esta seccin es importante considerar el clculo de las redes de vapor, ya que

son las encargadas de transportar el vapor generado en la caldera hasta los distintos

lugares en donde los procesos puedan requerir la energa que el vapor puede llegar a

ceder. Bsicamente el vapor es transportado a travs de caeras y que se clasifican de

distintas maneras.

Aqu se aplica directamente la mecnica de fluidos, transferencia de calor y

termodinmica, siendo estas las materias primarias para realizar el diseo y/o clculos

necesarios.

Parte fundamental del proceso de generacin de vapor es el abastecimiento de

agua a la caldera y posterior distribucin de vapor hacia las distintas reas de consumo.

8.1. Diagrama Lay-Out

Se muestra en la Figura 5 el esquema que permita visualizar la distribucin de los

elementos de la caldera y redes de vapor dentro de la sala de calderas.

Esterelizacin

Lavandera

Aliementacin

Agua Caliente

Man

ifo

ld

Chip

Intercambiador de calor

Intercambiador de calor

Radiador

Acumulador para agua caliente

sanitaria

Fosa para purga

Caldera

Ante-hogar

Transportador

Estanque de condensado

Estanque para tratamiento del agua

Agua fra

Agua caliente

Vapor

Retorno condensado

Combustible

Abastecimiento de agua

Figura 5. Diagrama Lay-Out preliminar del diseo.

28

8.2. Distribucin de vapor hacia las reas de consumo

Tal como se haba mencionado con anterioridad el sistema generador de vapor

debe cumplir con el abastecimiento de cinco reas funcionales del Hospital Carlos Ibez

del Campo, para ello el sistema de redes debe ser capaz de transportar vapor saturado o

agua caliente segn sea caso hacia las reas de consumo.

8.2.1. Dimensionamiento de la red

Existen diversos procedimientos para dimensionar las caeras de la red de vapor,

por lo que el equipo utilizara el mtodo de velocidad constante. Este mtodo relaciona el

dimetro mnimo terico (D) que debe tener la caera, la velocidad del vapor (V) y el

caudal volumtrico (Q) del vapor mediante la Ecuacin 1. presentada a continuacin:

Ecuacin 1.

Dnde: Q: Caudal volumtrico en (m3/h).

V: Velocidad mxima aconsejable en (m/s).

Teniendo en cuenta los caudales volumtricos de cada sector a abastecer en el

hospital y considerando que la velocidad mxima recomendable que puede llevar el vapor

para una presin absoluta de 8 kg/cm2 es de 40 m/s segn lo indica el Manual de

Instalaciones trmicas (Paredes Cinfuentes, 1980, pg. 34), entonces se obtienen los

dimetros mnimos tericos que debe poseer la caera, tal como se indican en la

Tabla 6.

Debido a que no se fabrican comercialmente caeras con las dimensiones

tericas solicitadas, se utiliza el manual aceros Otero (Aceros Otero, 2012) para identificar

las dimensiones reales de las caeras que se comercializan dentro del pas, las cuales se

detallan en la

Tabla 6.

El clculo de los caudales volumtricos se realiza detalladamente en el siguiente

punto, por mientras solo se presentan los valores en la

Tabla 6.

29

rea de Consumo

Caudal Volumtrico

(m3/h)

Velocidad mx.

Aconsejable (m/s)

Dimetro min. Terico

de la caeria (m)

Dimetro min.

Comercial de la caera (m)

Dimetro N. comercial de

la caeria (Pulg.)

Red Principal 734.39 40.0 0.0806 0.09012 3

Esterilizacin 78.34 40.0 0.0263 0.03508 1

Lavandera 78.34 40.0 0.0263 0.03508 1

Alimentacin 73.44 40.0 0.0255 0.03508 1

Agua Caliente 68.54 40.0 0.0246 0.03608 1

Calefaccin 342.72 40.0 0.0550 0.06268 2

Tabla 6. Dimensionamiento caera.

Una vez dimensionada la red, se procede con la seleccin del tipo de caera que

conducir el vapor hacia los sectores de consumo, para ello se utiliza el manual aceros

otero (Aceros Otero, 2012) el cual recomienda utilizar una caera ASTM A106 grado B de

acero al carbono. Mayor informacin tcnica acerca de las caeras a utilizar se presenta

en la

Tabla 84.

8.2.2. Clculo de prdida de carga en red de vapor

El sistema de distribucin de vapor es un enlace importante entre la fuente

generadora de vapor y los sectores de consumo. Es por ello que se debe tener en cuenta

la perdida de energa cintica que presenta el vapor debido a la friccin de sus partculas

entre si y contra las paredes de la caera.

Existen prdidas de carga de tipo regulares, las cuales se deben a la friccin que

se genera en las tuberas, y prdidas de tipo singulares las cuales son ocasionadas por

todos aquellos accesorios de la red, tales como vlvulas, trampas de vapor, codos, ts,

etc.

8.2.2.1. Prdidas de carga regulares

Para el clculo de perdida de carga se deben conocer las siguientes variables:

Temperatura del vapor. Presin del vapor. Longitud del tramo de caera recta. Nmero y tipos de accesorios de la caera.

Dimetro de la caera.

Tipo de caera y rugosidad absoluta.

Caudal de trabajo.

30

31

Considerando que en las redes de vapor se distribuye vapor saturado a presin

absoluta de 8 kg/cm2 y temperatura de saturacin de 169.6 C, segn lo indica la tabla

termodinmica de vapor saturado (Tabla 83) se obtienen las propiedades del vapor

saturado:

Densidad: = 4.085 (kg/m3).

Viscosidad cinemtica: = 3,589 x 10-6 (m2/s).

Al conocer la densidad del vapor saturado, esta es utilizada para obtener el caudal

volumtrico existente, el cual se rige por la Ecuacin 2..

Ecuacin 2.

Dnde: Q: Caudal volumtrico (m3/h)

Qm: Caudal msico en (kgv/h)

: Densidad del vapor en (kgv/m3)

Conociendo la ecuacin anterior, se calcula el caudal volumtrico para cada sector

de consumo, cuya informacin se presenta en la

Tabla 7 .

rea de consumo Caudal msico en

(kgv/h) Densidad del vapor

saturado en (kgv/m3) Caudal

Volumtrico

Red principal 3000 4.085 734.39

Esterilizacin 320 4.085 78.34

Lavandera 320 4.085 78.34

Alimentacin 300 4.085 73.44

Agua Caliente 280 4.085 68.54

Calefaccin 1400 4.085 342.72

Tabla 7. Caudal volumtrico del vapor.

Utilizando los valores del caudal volumtrico (Q) de vapor saturado y en conjunto

con los dimetros interiores comerciales (Dint) de las caeras, presentados anteriormente

en la Tabla 7, se puede calcular la velocidad mxima real que lleva el vapor en la caera,

la cual est dada por la Ecuacin 3.

Ecuacin 3.

32

Dnde:

: Velocidad real del vapor (m/s)

Q: Caudal volumtrico en (m3/h).

D: Dimetro interno de los tubos en (m).

Aplicando la ecuacin anterior a cada consumo, se muestra en la

Tabla 8, que el valor de la velocidad real se encuentra por debajo de los 40 m/s que debe

llevar el vapor saturado como mximo para la presin manomtrica de 7 kg/cm2.

rea de consumo Dimetro interior

de caera (m) Caudal volumtrico

(m3/h) Velocidad real del vapor (m/s)

Red principal 0.09012 734.39 31.981

Esterilizacin 0.03508 78.34 22.514

Lavandera 0.03508 78.34 22.514

Alimentacin 0.03508 73.44 21.107

Agua Caliente 0.03508 68.54 19.699

Calefaccin 0.06268 342.72 30.852

Tabla 8. Velocidad real del vapor.

Al obtener los datos de la velocidad del vapor saturado, la viscosidad cinemtica y

el dimetro de la caera, estos se utilizan para calcular el nmero de Reynolds ( ). Este

se encuentra definido a continuacin por la Ecuacin 4.

Ecuacin 4.

Dnde:

V: Velocidad del vapor saturado en (m/s).

D: Dimetro interior de caera (m).

: Viscosidad cinemtica en (m2/s).

El nmero de Reynolds permite conocer si el vapor posee un rgimen laminar (

< 2300), un flujo turbulento ( > 2300) o un flujo critico en caso de que = 2300. A

continuacin en la

Tabla 9, se conoce el nmero de Reynolds para cada tramo de caera por donde circula

el vapor saturado y su respectivo tipo de flujo.

33

34

rea de consumo

Dimetro interior de

caera (m)

Velocidad real del vapor en

(m/s)

Viscosidad Cinemtica

en (m2/s)

Nmero de Reynolds

(adimensional)

Rgimen del Vapor

Red principal 0.09012 31.981 3.589*10-6 803049.230 Turbulento

Esterilizacin 0.03508 22.514 3.589*10-6 220055.634 Turbulento

Lavandera 0.03508 22.514 3.589*10-6 220055.634 Turbulento

Alimentacin 0.03508 21.107 3.589*10-6 206302.157 Turbulento

Agua Caliente 0.03508 19.699 3.589*10-6 192548.680 Turbulento

Calefaccin 0.06268 30.852 3.589*10-6 538816.823 Turbulento

Tabla 9. Propiedades del rgimen del vapor.

Al considerar que el tipo de caera es un acero comercial (nuevo) entonces se

obtiene de la

Tabla 84, el valor del coeficiente de rugosidad absoluta de la caera ( ), el

cual permite obtener la rugosidad relativa segn el dimetro de la caera, como se

muestra en la

Tabla 10.

rea de consumo

Dimetro interior de

caera (mm)

Rugosidad absoluta

(mm)

Rugosidad relativa

/D

Red principal 90.12 0.045 0.000499

Esterilizacin 35.08 0.045 0.001283

Lavandera 35.08 0.045 0.001283

Alimentacin 35.08 0.045 0.001283

Agua Caliente 35.08 0.045 0.001283

Calefaccin 62.68 0.045 0.000718

Tabla 10. Caractersticas de la caera.

Parte de los datos necesarios para el clculo de perdida de carga debida a la

friccin, es encontrar el factor de Darcy o factor de friccin (), para ello se utiliza la

Ecuacin 5 de White-Colebrook. Esta ecuacin relaciona el factor de friccin con los

parmetros de los que depende el mismo factor (Nmero de Reynolds y rugosidad relativa

(/D).

[

]

Ecuacin 5.

Dnde: f: Factor de Darcy (adimensional).

: Rugosidad absoluta en (mm).

35

D: Dimetro interno en (m).

: Nmero de Reynolds (adimensional).

Debido a que la Ecuacin 5 es de tipo implcita, entonces se utiliza el diagrama de

Moody (ver Figura 73) para identificar el valor del factor de friccin, obteniendo los

factores sealados en la

Tabla 11.

Luego de obtener los datos de inters se utiliza la Ecuacin 6 de Darcy

Weisbach, con la cual se calcula la perdida de carga de tipo regular que tiene el vapor

debido a la friccin existente. Aqu se relaciona la prdida de carga (h) con el factor de

Darcy, la longitud y dimetro de la caera, la velocidad real del vapor y la aceleracin de

gravedad.

Ecuacin 6.

Dnde: f: Factor de Darcy (adimensional).

L: Largo de la caera (m).

D: Dimetro interno en (m).

V: Velocidad real del vapor en (m/s).

Considerando la aceleracin de gravedad es 9.81 m/s2, se presenta en la

Tabla 11, la perdida de carga regular en cada tramo de caera, segn los datos

recopilados previamente.

rea de consumo

Longitud de la

tubera (m)

Dimetro interior de

caera (m)

Factor de Darcy

Velocidad del vapor

(m/s)

Perdida de carga regular (debido a la

friccin) bar

Red principal 3 0.09012 0.017 31.981 0.0118

Esterilizacin 22 0.03508 0.021 22.514 0.1363

Lavandera 35 0.03508 0.021 22.514 0.2169

Alimentacin 15 0.03508 0.022 21.107 0.0856

Agua Caliente 40 0.03508 0.022 19.699 0.1988

Calefaccin 18 0.06268 0.019 30.852 0.1061

Tabla 11. Prdidas de carga regular.

36

8.2.2.2. Prdidas de carga singulares.

Como se ha mencionado anteriormente, todos aquellos accesorios que son parte

de la red de vapor (codos, vlvulas, ts, trampa de vapor, etc.) implican una prdida de

carga a lo largo de la red.

Para el clculo de este tipo de prdidas se utilizar el mtodo de longitud

equivalente, donde se considera que la perdida de carga producida por un accesorio de la

red, es equivalente a la perdida de carga que causa un tramo de caera ficticio con

dimetro igual al del accesorio.

El largo ficticio de la caera es obtenido a partir de la relacin entre un factor

numrico (F) y el dimetro (D) de la caera. Este factor se presenta en la Tabla 85, y es

relacionado mediante la Ecuacin 7.

Ecuacin 7.

Dnde: F: Factor numrico (adimensional).

D: Dimetro interno de la caera en (m).

Considerando los accesorios a utilizar se presenta en la

Tabla 12, las prdidas de carga singulares que tiene cada tramo de la red de vapor.

rea de consumo

Dimetro interior de

caera (m)

Codo (90) F = 20

(unidad)

Tee F = 60

(unidad)

Vlvula esfera F = 3

(unidad)

Largo ficticio

(m)

Prdida de carga

singular (bar)

Red principal 0.09012 3 0 1 5.678 0.0224

Esterilizacin 0.03508 6 1 1 6.420 0.0398

Lavandera 0.03508 5 1 1 5.718 0.0354

Alimentacin 0.03508 3 1 1 4.315 0.0246

Agua Caliente 0.03508 6 1 1 6.420 0.0319

Calefaccin 0.06268 8 1 1 13.978 0.0824

Tabla 12. Prdidas de carga singulares.

Una vez conocida las prdidas de carga regular y singular que se generan en la

red de vapor, mediante la suma de estas es posible calcular la perdida de carga total,

cuyos valores se muestran en la

Tabla 13.

37

rea de consumo Prdida de carga total

(bar)

Red principal 0.034

Esterilizacin 0.176

Lavandera 0.252

Alimentacin 0.110

Agua Caliente 0.231

Calefaccin 0.188

Tabla 13. Prdidas de carga total.

8.2.2.3. Perdida de carga generada por el manifold.

Uno de los accesorios que debe tener la red de vapor para distribuir el vapor que

viene por la red principal hacia los distintos consumos es el manifold. Este accesorio

genera una prdida de carga que se incluye a las prdidas calculadas en la

Tabla 13. Para el clculo de esta prdida de carga se considera la Ecuacin 8

mostrada a continuacin, la cual representa la perdida que genera la entrada y posteriores

salidas del manifold.

Ecuacin 8.

Dnde: : Perdida de carga de una pieza o accesorio. (mcv)

K: Coeficiente de proporcionalidad, (K=1 para la entrada y K= 0,5

para cada salida del manifold).

V: Velocidad de escurrimiento. (m/s).

g: Aceleracin de gravedad (9,81 m/s2).

Remplazando los datos pertinentes de cada situacin en la Ecuacin 8, se obtiene

las perdidas de carga proporcionada por la entrada y cada salida del manifold.

rea de consumo K

(Adim) Velocidad del vapor (m/s)

Perdida de carga (mcv)

Prdida de carga (bar)

Red principal 1.0 31.98 52.13 0.0209

Esterilizacin 0.5 22.51 12.92 0.0052

Lavandera 0.5 22.51 12.92 0.0052

Alimentacin 0.5 21.11 11.35 0.0045

Agua Caliente 0.5 19.70 9.89 0.0040

Calefaccin 0.5 30.85 24.26 0.0097 Tabla 14. Perdidas de carga en el manifold.

38

De la Tabla 14, se encuentra que la perdida de carga total que se genera en el

manifold es la de la entrada (Red Principal) mas la mayor de la salida (calefaccin),

alcanzando un valor de 0,0306 (Bar).

8.3. Aislacin trmica de las caeras

La idea del diseo de la red de vapor es transportar la energa producida en el

generador de vapor hacia los sectores de consumo, para ello se debe tener en cuenta que

las prdidas energticas durante el transporte deben ser mnimas, y con la mnima

inversin posible en la instalacin de la red. Adems a la hora de seleccionar el tipo de

aislante se debe considerar que este proporcione un ambiente de confort y seguridad para

los operarios.

8.3.1. Seleccin de material aislante.

En base al Catlogo Volcn (Volcan, 2009) el equipo opta por utilizar lana

mineral, la cual es fabricada por la empresa Volcn, y el tipo de aislacin se denomina

cao pre-moldeado de lana mineral Aslan. La apariencia de este tipo de aislante se

presenta en la Figura 6.

Figura 6. Cao Pre moldeado1

Entre las caractersticas que tiene el material se desea conocer la conductividad

trmica de este, para ello se ensaya con productos a temperatura ambiente de 20 C y en

base a sus densidades aparentes para cada producto se tienen las conductividades

presentadas en la

Tabla 15.

1 Figura de referencia obtenida catlogo Volcan

39

Densidad Aparente (kg / m3)

Conductividad trmica (W / mC)

40 0.042

80 0.038

100 0.039

120 0.043

Tabla 15. Caractersticas de tubera. Fuente: Catlogo Volcn.

El comportamiento de la conductividad trmica en funcin de la de la densidad

aparente se muestra en la Figura 7, la cual refleja una relacin parablica con valor

mnimo de la conductividad de 0,038 W/mC y esto ocurre cuando la densidad es de 80

kg/m3.

Figura 7. Densidad aparente vs coeficiente de conductividad trmica2

Por lo tanto las caractersticas del aislante a utilizar son:

Material aislante: Lana mineral.

Conductividad del material: k = 0,038 W/mC.

Densidad media aparente: 80 kg/m3

Material no combustible (Certificado por el fabricante).

Punto de fusin: 1090 C.

2 Fuente: catlogo Volcan

40

8.3.1.1. Clculo de prdidas de calor.

Para el clculo de las prdidas de calor que se generan en la red de vapor, se

considera la seccin transversal de la caera, la cual dispondr de una capa interior de

acero y una capa exterior de aislante. En el interior de la caera se encuentra el vapor

saturado como se muestra en la Figura 8, mientras que el condensado se desprecia

debido a que el sistema se encuentra aislado y en caso de generarse condensado, la red

cuenta con sistemas de evacuacin de condensado.

Los datos necesarios para el clculo de las prdidas de calor son:

Temperatura del vapor al interior de la caera: T1 = 169.6 C.

Temperatura medio ambiente: