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DISEO DE CALDERAS INDUSTRIALES PIROTUBULARES

O TUBOS DE FUEGO

PRIVADO

I. CALDERAS

1.1 DEFINICIN DE CALDERAS

Las Calderas son equipos a presin de vapor de agua, mediante un sistema de combustin.

Este vapor se aplica bsicamente para transferir energa a algn medio, a fin de usarlo directamente o indirectamente en procesos industriales.

1.2. TIPOS DE CALDERAS

Existen 2 tipos:

1.2.1. Calderas Acuotubulares

1.2.2. Calderas Pirotubulares.

1.2.1. Calderas Acuotubulares:

Son aquellas donde el agua fluye por el interior de sus tubos y los gases de combustin fluyen externamente a los tubos, generndose la transmisin de calor desde la parte exterior a la parte interior de los tubos.

Se les conoce Calderas de tubos de Agua; por lo general son de Alta Potencia y para Alta Presin.

Para Potencia pequea no es recomendable econmicamente.

1.2.2. Calderas Pirotubulares:

Son aquellos donde los gases de combustin fluye por el interior de los tubos y el agua circula externamente a los tubos, generndose la transmisin de calor desde la parte interna a la externa de los tubos.

A estas Calderas tambin se les conoce como Tubos de Fuego.

Por lo general son para mediana potencia.

1.2.2.1. CLASIFICACIN DE LAS CALDERAS PIROTUBULARES

Para poder clasificar a estas Calderas es importante entender algunas definiciones.

1.2.2.1.1. Definiciones Importantes:

A. Pasos:

recorrido de los Gases de combustin, desde la parte delantera a la posterior y/o viceversa, y a abajo hacia arriba o viceversa; durante el cual transfiere calor al agua.

B. Presin de Trabajo:

Presin a la cual trabajar la Caldera.

Esta presin puede ser igual o menor a la presin de Diseo.

1.2.2.1.2. Formas de Clasificacin:

a. De acuerdo al nmero de pasos:

Puede ser:

a.1 Un paso - con deflectores

a.2 Dos pasos - con deflectores

a.3 Tres pasos - ptima eficiencia en transferencia

a.4 Cuatro pasos.

b. De acuerdo a la Configuracin de la parte Posterior o Cmara de Retorno de Gases:

b.1 Baja presin - de 0 a 30

b.2 Mediana presin - de 30 a 300

b.3 Alta presin - ms de 300

c. De acuerdo a la Configuracin de la parte Posterior o Cmara de Retorno de Gases

c.1 De espalda Seca: Donde se emplea refractario para rodear paredes de dicha cmara.

c.2 De espalda Hmeda: Donde se emplea una pared de agua para rodear las paredes de dicha cmara.

d. De acuerdo a la Posicin de los Tubos:

Puede ser:

d.1 Horizontales.

d.2 Verticales.

e. De acuerdo al Combustible Utilizado:

Puede ser:

e.1 Slido - lea, carbn, etc.

e.2 Lquido - Diesel 2, Bker 5 y 6, etc.

e.3 Gaseoso - Gas Propano, Gas Natural, etc.

e.4 Dual - Gas y Petrleo.

f. De acuerdo al Tipo de Operacin:

Puede ser:

f.1 Manual

f.2 Semiautomtico.

f.3 Automtico.

1.3.USOS

Los Calderos tiene uso mltiple:

1.3.1.USOS DE LAS CALDERAS PIROTUBULARES:PRIVADO 01Hospitales y Clnicas

02Baos Saunas

03Universidades, Colegios grandes, y Clubes y Hoteles

04Lavandera

05Tintoreras

06Fbricas de Fideos

07Fbricas de galletas - Golosinas

08Fbricas de Helados

09Conservas de Pescado

10Camales

11Industria Avcola

12Fbricas de Pintura

13Bases Militares

14Fbricas de Gaseosas - Aguas Minerales

15Fbricas de Cerveza

16Industrias Qumicas

17Fbricas de Alimentos Balanceados

18Fbricas de Aceites y Grasa

19Refineras

20Minera

21Industrias Automotrices

22Industrias de Caucho y Jebe

23Laboratorio Farmacutico

24Industrias Textiles

25Industrias Madereras26Fbricas de Equipos de Lnea Blanca

27Fbricas de Ladrillos

28Fbricas de Cemento

29Embarcaciones - Cruceros

30Industrias del Botn

31Hilandera

32Laneras

33Fbrica de Papel

34Fbrica de Envases Industriales

35Fbrica de Embutidos

36Fbrica de Redes

37Fbrica de Levadura

38Fbrica de Llantas

39Fbrica de Cigarrillos

40Fbrica Procesadores de Maz

41Adhesivos Industriales

42Industrias del Calzado

43Industrias de la Naranja

44Industrias de Pulpa de Frutas

45Industrias de Aceite de Limn

46Industria del Candado

47Industria de Tomate

48Industria de Algarrobos

49Industria de la Leche

50Industria Fotogrfica

Otros.

1.3.2. APLICACIONES DEL VAPOR

1.3.2.1. Condensacin:

Se puede aplicar el vapor aprovechado principalmente el calor que cede al condensador de vapor a lquido, en las siguientes formas:

Calentamiento indirecto:

El vapor no entra en contacto con el material a procesar, ms bien lo realiza a travs de serpentines, indirectas de calor y chaquetas de vapor (marmitas, tanques de combustible residual, etc).

A. Calentamiento Directo

Por medio de Aplicaciones del vapor directamente sobre el material a procesar (cocinador de pescado,etc)

B. Calentamiento de Aire:

Por medio de radiadores (intercambiar de calor), se calienta aire para sistemas de calefaccin de ambientes o para secado de productos.

1.3.2.2. APROVECHAMIENTO DE LA ENERGA CINTICA DEL VAPOR

Se puede aplicar el vapor aprovechando su energa cintica, creado al producirse una expansin del vapor a una presin mayor en las formas.

A. Fuerza motriz en Mquinas:

Aprovechando la energa del vapor se puede mover Turbinas y Bombas Alternativas.

B. Creacin de Vaco:

La expansin del vapor crea vaco por medio de un inyector, como por ejemplo el usado para inyectar agua a la caldera.

1.4.PARMETROS INDUSTRIALES PARA LA SELECCIN DE CALDERAS PIROTUBULARES

1.4.1. DEFINICIONES PRELIMINARES

Es importante hacer definiciones y explicar conceptos empleados en el campo de la Caldera, los cuales servirn para interpretar las literaturas o informaciones escritas sobre el tema.

A. CARGA TRMICA: (Q)

Es la cantidad de calor aprovechando por el agua hasta lograr se evaporacin y sobrecalentamiento, si es que la tiene.

Para poder elevado con rigurosidad se emplea el diagrama "T - S" y/o Temperatura Entropa, teniendo en cuenta la condicin inicial y final del agua.

La forma ms prctica de evaluar la carga trmica de la caldera es mediante la diferencia de entalpa entre el estado final e inicial del agua expresado como.

Q = *hxm (BTU/ Hr, KW)

donde:

m = Flujo de agua y produccin de vapor en (KJ/seg)

*h= Diferencia de entalpas especifican vapor - agua.

Se puede simplificar este clculo y obtener resultados aproximados mediante una tabla de vapor saturado y considerando la diferencia de entalpa como la suma de la entalpa de calentamiento del agua hasta la temperatura de saturacin y el calor latente de evaporacin a la presin de trabajo as.

Donde entalpa de calentamiento: Hcal

hcal = Cp* = 4.186(TS - TQ) Kj/Kg

donde:

Cp: Calor especfico del agua = 4.186 Kj/Kg

Ts: Temperatura de Saturacin.

To: Temperatura Inicial

hig: Entalpa de evaporacin a presin Ps (Kj/Kg)

Ps: Es la presin de Trabajo o de Saturacin.

Por lo tanto:

*h = hcal + hig (Kj/Kg)

Ejemplo:

Si una Caldera est produciendo 2 000 Kg/Hr de vapor saturado a 12 bar de presin absoluto (159 PSIG) empleando agua a 25(C, la carga trmica ser calculada as:

m: 2000 Kg/Hr = 0.555 Kg/seg

(dato)

Ps: 12 bar = 159 PSIG o Presin Manomtrica (dato)

Ts: 188(C

(de Tablas)

To: 25(C

(dato)

hcal: 4.186(188- 25) = 682.23 Kj/Kg

hig: 1986.7 Kj/Kg

(de Tablas)

*h = 682.32 + 1986.7 = 2669.02 Kj/Kg

Q = mx*h = 0.555x2669.02

Q = 1481.31 Kw

Este mismo clculo hecho solamente de tablas vapor que incluyen al lquido sub enfriado resaltando Q = 1,468.18 Kw es decir 0.32% de error.

B. VAPOR NORMAL (Vn)

Es la masa de vapor que se obtiene, con una cierta cantidad de calor, vaporizada de 100(C a 100(C, es decir partiendo como lquido saturado hasta llegar a vapor saturado a nivel del mar (temperatura de saturacin de 100(C), El calor requerido, o calor latente, por cada Kg de agua es de 2257 Kj/kg.

Ejemplo:

Siguiendo el ejemplo anterior, el vapor normal ser:

Vn = Q = 1481.31

225 2257

Vn = 0.656 Kg/seg

Esto equivale a 2362.74 Kg/Hr que es mayor a los 2000 Kg/Hr producidos realmente

C. FACTOR DE EVAPORACIN

Se define como:

f = Entalpina de 1 Kg de vapor generado

Entalpa de 1 Kg de vapor normal

Por los tanto se deduce que:

Vn = fxm

En el ejemplo anterior:

f = Vn = 2669.02

m 2257

f = 1.18255

Vn = 1.18225(2000)

Vn = 2365.10 Kg/Hr

D. CAPACIDAD DE VAPORIZACIN DE UNA CALDERA

Es la capacidad de un generador de vapor en Kg/Hr (lb.Hr) indicando la presin de Trabajo y la Temperatura de ingreso del agua. Pero como las calderas trabajan a presiones diferentes unas con otras, as como temperaturas de ingreso de agua, surge como una fortuna de expresar la potencia del equipo en Hp de Caldero.

E. HP DE CALDERO - BHP

La definicin ms aceptada para este concepto la dio la ASME (AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERI) de la siguiente manera:

Es la cantidad de calor necesaria que hay que suministrar para evaporar 34.5 libras de agua por hora desde 212 (F a 212(F.

En trminos numricos esto equivale a:

1 BHP = 34 475 BTU/Hr

1 BHP = 9.81 KW

De esto se puede concluir que el HP DE CALDERA es una unidad de calor, por lo que puede ser de diferentes BHP, dependiendo de la presin y de la Temperatura del agua de ingreso.

Ejemplo:

El BHP de la caldera del ejemplo es de:

BHP = carga Trmica (Kw)

9.81(Kw/BHP)

BHP = 1481.31

9.81

BHP = 151

Tambin se emplea el BHP de caldero para dirigirse el tamao de una caldera en base a la superficie de calefaccin. Para ello, la ASME teniendo en cuenta que las calderas en esa poca utilizaban la superficie de 5 pie2 para generar 34.5 lbs de vapor por hora.

F. EFICIENCIA TRMICA DE UNA CALDERA

Es el porcentaje total suministrado por el combustible que es cedido al agua, esto es:

Eficiencia = Calor cedido al Agua = Q x100(%)

Energa del combustible HRP

Pero tambin, podemos expresar el calor cedido al agua como:

Q = Energa del Combustible - Prdidas por chimeneas - Prdidas por aislamiento

Por lo tanto:

Eficiencia = HRP - Pc - Pa = 1 - Pc + Pa x100(%)

HRP

HRP

HRP: Calor cedido por el combustible.

Pc: Prdida por la chimenea.

Pa: Prdida por el aislamiento.

La eficiencia est influencia por:

-Superficies de calefaccin sucias: incrustaciones u holln

-Quemador con funcionamiento defectuoso: mala turbulencia en los deflectores y difusores de aire, tobera o capa rotativa defectuosa o mala atomizacin del combustible.

-Regularizacin de la combustin con aire excesivo, denotado por un nivel alto de oxgeno entre los productos de combustin.

-Mal aislamiento trmico de la caldera o fugas de calor por empaquetadura.

G. SUPERFICIE DE CALEFACCIN

Segn reglamento alemn, es el rea de la superficie medida del lado del fuego de las paredes expuestas, por un lado , o los gases que sirvan para la calefaccin y por el otro, con el contacto con el agua.

Segn ASME la superficie de calefaccin de la unidad generadora de vapor, es aquella parte de la superficie de transmisin de calor del aparato, expuesto por un lado al gas y por el otro el liquido que es calentado, medida del lado que recibe el calor.

El valor empleado para la superficie de calefaccin por cada BHP, actualmente flucta entre 23,5 pie2 por BHP para Calderas Verticales y de 5 pie2 por BHP para Calderos Horizontales. El optar por considerar 5 pie2 por BHP en Calderas Horizontales, nos permite lograr una larga vida en proporcin o la capacidad a travs de esta superficie se realiza la transferencia de calor cuyas formas son:

G.1 Transferencia de calor por Radiacin:

Esta forma de transferencia de calor es de gran importancia en este tipo de Maquinas Trmicas debido a las altas temperaturas en los hogares o cmaras de combustin. Esto trae con sigo que ms del 60% del calor se produce mayormente en la cmara de combustin.

G.2 Transferencia del calor por Combustin :

Se produce los principales procesos de ganancia o disposicin de calor, en el que intervienen un fluido. La conduccin se refiere al calor que atraviesa una red slida viniendo de un medio para luego llegar a otro. Es decir comprende el estudio de la resistencia al paso del calor en la pared que separa sus medios. Esta forma de transferencia de calor se produce en toda la superficie de Calefaccin de la Caldera.

G.3 Transferencia de calor por Conveccin

Se entiende por conveccin al proceso de transferencia de energa que tiene lugar principalmente en los fluidos como consecuencia de este contacto con un slido o diferentes temperaturas, por lo que unas partes de las masas de este fluido se mezcla con otras a diferentes temperaturas; ocurriendo un fenmeno de conduccin entre molculas adyacentes, pero la energa puede transmitirse a otros puntos del espacio por movimiento del fluido.

Cuando el movimiento del fluido se debe a la existencia de fuerza externas en la forma de diferencia de presin, este mecanismo se conoce con el nombre de CONVECCION FORZADA.

Cuando no se aplica ninguna fuerza externa al fluido; este se mueve como consecuencias de las diferencias de densidades de la partes de un fluido a temperaturas diferentes por estar juntos a la superficie del slido; a este fenmeno se le conoce como CONVECCION LIBRE.

Para poder evaluar la energa que se intercambia entre un fluido y un slido, ambos a temperaturas medias, es necesario conocer un factor llamado coeficiente de pelcula en cuyo clculo estn basadas las teoras concernientes a la conveccin.

La Conveccin aporta una mayor energa en los pasos de los gases por el interior del los tubos, que en la cmara de combustin.

1.4.2. SELECCIN DE UNA CALDERA

1.4.2.1. Factores ms Importantes:

A.Requerimientos de Vapor

Capacidad

Presin

Calidad del Vapor

B.Combustible

C.Corriente Elctrica

Considerando que en un Hotel:

Cocina

: 200 lbs de vapor/Hora

Lavandera : 406 lbs de vapor/Hora

60 Dormitorios: ?

Segn ASME desde 20 a 60 dormitorios, el consumo mximo de agua caliente por dormitorios es de 5 galones/Hora.

Entonces 60 Dormitorios consumirn 500 Galones/Hora. Como se recomienda que el agua en el tanque se calienta en 30 en 30 minutos entonces la capacidad del tanque calentador debe ser de 150 galones. Adems si la densidad del agua es aproximadamente 8.33 lbs galn a 60(F.

Calcularemos el flujo de masa a calentarse: m

m = Vxp

donde:

m = Flujo de masa de agua a calentar.

V = flujo de volumen

p = densidad del agua.

m = 300 Galones x 8.33 lbs

Hr

galn

m = 2499 libras/HoraDe agua a Calentar

Este flujo de agua caliente ser proporcionado por un calentador de agua a vapor.

Considerando como frmula general de transferencia de calor:

Q = mxCp(T2 -1)

donde:

Q = flujo de calor BUT/Hr

m = flujo de masa lbs/Hr

Cp = Calor especfico del agua 1BTU/lb(F

T2 = Temperatura mxima a calentar el agua 60(C =140(F

T1 = Temperatura inicial a ambiente 15(C = 60(F

Reemplazando:

Q = 2499x1x(140-60)

Q = 199920 BTU/hr

Considerando una eficiencia del 80% en el calentador de agua:

Qr = Q = 199920

n 0.8

Obtenemos:

Qr = 249900 BTU/Hr

Sabemos que: 1BHP ( 33500 BTU/Hr

Qr = 7.46 BHP

Lo cual ser proporcionado por 257.27 libras de vapor por hora, pues sabemos que:

1 BHP; producir 34.5 lbs. de vapor por Hora.

Por lo tanto la capacidad de la caldera ser:

Por:

Cocina = 300 libras de vapor/Hr = 8.69 BHP

Lavandera = 406 libras de vapor/Hr = 11.76 BHP

60 Dormitorios= 257.37 libras de vapor/Hr = 7.46 BHP

Por lo tanto la Caldera para Abastecer: Cocina, Lavandera y los 60 Dormitorios deben ser de:

Caldera = 27.91 BHP

Considerando una eficiencia en la caldera del 80%

La caldera deber ser de 32.84

Por lo tanto Seleccionaremos:

Una Caldera de:

Potencia

: 30BHP

Tipo

: Pirotubular

Pasos

: Tres

PRESIN DE TRABAJO:

Presin de Diseo: 250 PSIG

Configuracin parte posterior: Espalda seca

Posicin de los Tubos : Horizontales

Operacin

: Automtico.

Tipo de corriente: Alterna 220V y 60Hz

Combustible Utilizado : Diesel N 2

Produccin de vapor: 1380 lbs de Vapor por Hora

Saturado

: Desde y Hasta 155(C a nivel del mar

1.4.3. ESTRUCTURA INTERNA Y EXTERNA

1.4.3.1. Partes Importantes de una Caldera Pirotubular:

Para entender mucho mejor definiremos sus partes ms importantes:

A. El Hogar o Cmara de Combustin:

En el cual se desarrolla la llama. Esto puede ser integrado a la caldera.

El Flue o Cmara en un elemento de gran importancia en las calderas Pirotubulares, pues aqu se transfiere la mayor parte de calor hacia el agua.

Respecto a la configuracin del Flue Horizontal segn el cdigo ASME PFT - 15, esto puede ser de 3 tipos:

a.1 Cilindro Liso:

Conformado por las planchas roladas y soldadas en sus extremos a las placas portatubos. Su superficie exterior es lisa.

a.2 Tipo Adamson:

Conformado por tres tramos cilndrico, pero unidos entre s en forma de bridas soldadas.

a.2.1 Cilndrico reforzado con anillos:

Es un Cilindro liso pero con anillo soldados a lo largo de la superficie exterior del Flue.

a.3 Cilndrico corrugado:

La Superficie del Flue es ondulada.

El empleo de algunos de estos de Flue esta suspendido a la capacidad de liberacin de calor (superficie) y a la presin de trabajo.

El tipo de Flue que se adopta menor a estos requerimientos es el del tipo corrugado, siendo la tendencia industrial actual de emplear este Flue en calderas, por su mayor superficie calefactora de mayor presin, debido a que las ondulaciones sirven de refuerzo, permitiendo al Flue ser de mayor dimetro y debido a que las ondulaciones absorben esfuerzos de dilatacin.

El Flue del tipo corrugado tiene el inconveniente respecto al Flue liso de tener un proceso de fabricacin ms complicada y costoso.

1.4.3.2. CDIGO ASME

Llamado tambin como el cdigo de la ASME; significa American Society of Mechanical Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos).

Es una sociedad subsidiada por el Gobierno Norteamericano donde se realizan una serie de ensayos o pruebas con todo lo relacionado a la Ingeniera Mecnica y obtenindose como resultado conclusiones importantisimos la para la Ingeniera Mecnica.

ASME ha emitido el documento ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE que consta de 9 secciones muy importantes las cuales son:

Seccin I - Calderas de Potencia

Seccin II - Especificaciones de materiales.

Seccin III - Calderas Nucleares

Seccin IV - Calderas de Calentamiento

Seccin V al VIII - Recipientes a Presin

Seccin IX - Calificacin de Soldaduras.

1.4.4.PARMETROS INDUSTRIALES PARA LA CONSTRUCCIN DE CALDERAS PIROTUBULRES:

PARTE MECNICA I

1.4.4.1. Datos

Potencia

= 40 BHP

Operacin

= automtica

Posicin de los tubos = Horizontal

Pasos

= 3

Presin de diseo= 250 PSIG+(

Configuracin

= Cmara seca

Combustible a utilizar= Diesel N 2

Produccin de vapor= 1380 lbs de vapor desde y hasta 100(C al nivel del mar.

Superficie de calefaccin = 200 pie3 segn ASME

1.4.4.2. MATERIALES EMPLEADOS EN LA FABRICACIN DE CALDERAS PIROTUBULARES

La ASME en sus acpites PG5 al PG9, determina los materiales a usar segn la aplicacin del Caldera o la parte de ella a fabricar. as se puede mencionar a los siguientes:

B. LA CALDERA PROPIAMENTE DICHA

Compuesta de un cuerpo cilndrico de chapa de acero con dos tapas planas, denominados placa-espejo. Dicho cilindro contiene un determinado volumen de agua y vapor llamado Cmara de Agua y Vapor, que recibe calor que le cedan los productos de la combustin a travs de las placas, tubos y cmaras de combustin.

El agua que se vaporiza ocupa la parte superior del cuerpo cilndrico de la caldera. La interfase entre el estado lquido y de vapor del agua se denomina: SUPERFICIE DE DESENGANCHE ( Disengaging Surface).

La altura a la que se ubica esta superficie de desenganche constituye el nivel de agua de la Caldera, el agua nunca debe dejar al descubierto las partes que se encuentran en contacto con la llama o con los gases calientes por el peligro que ello extraa, el recalentamiento de la chapas con posibilidades de rotura y su consiguiente explosin.

El nivel de agua tambin determina la cmara de vapor, el cual constituye el volumen de almacenamiento de vapor en la Caldera y depende del diseo del equipo. Un volumen alto significa l poder responder a las fluctuaciones de demanda de vapor, que con una cmara menor. As tambin el tener una cmara de vapor pequea produce arrastre de lquido hacia la lnea de salida de vapor.

C. EL CONDUCTO DE HUMOS O TUBOS DE FUEGO

Por donde los productos de la combustin salen del ltimo paso de tubos para pasar a la chimenea. Dichos productos se mueven impulsados por el tiro que crea la chimenea o por medio de ventiladores (tiro forzado).

D. QUEMADOR

El cual produce la combustin que libera la energa correspondiente.

E. CONTROLES DE OPERACIN Y SEGURIDAD, TANTO PARA LA COMBUSTIN COMO PARA EL VAPOR

1.4.4.3. PROCESO DE FABRICACIN DE LA CALDERA PIROTUBULAR

Como se mencion anteriormente, la seleccin de estos elementos se har empleando el cdigo "ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE SECTION I POWER BOILERS". El diseo de estos elementos consistir principalmente en la determinacin de sus espesores, obtenidos en base a frmulas experimentales planteadas por la ASME, los que estn en funcin de la mxima presin de trabajo admisible.

Las Calderas Pirotubulares por tratarse de un recipiente a presin, sometido a presin y temperatura, debe tenerse especial cuidado en elegir el material y proceso adecuado. Adems se recomienda considerar el diseo cilndrico pues asegura la eliminacin de acumulaciones de sedimentos y puntos calientes.

I.LAS PLACAS PORTATUBOS - ESPEJOS

Estos elementos por ser de tipo plano, son los que ms resisten los esfuerzos de la caldera, siendo tambin las que ms se deforman luego de cierto perodo de trabajo.

Estos elementos se unen con todas las otras partes del recipiente a presin: casco, cmaras de combustin y tubos.

Las placas se conforman partiendo de plancha planas, cortadas en forma circular externa e internamente, mediante oxiocorte con su respectivo bisel de soldaduras para su posterior unin con el casco y cmara de combustin.

Luego de cortar y biseladas en ellas se traza las posiciones de las perforaciones, donde se alojarn los extremos de los tubos, para su posterior taladrado.

La operacin de taladrado de placas se realiza en un taladro radial, colocando una placa encima de al otra para que las perforaciones en ambas placas sean coincidentes.

El dimetro de las perforaciones deber sr adecuado a los tubos a emplear, con la tolerancia y redondez adecuada.

Esta caracterstica se logra con el proceso final de limado, debiendo quedar la medida final de la perforacin en valor diametral mayor que el dimetro exterior del tubo entre el 20% y 60% del espesor del tubo.

Segn Cdigo ASME recomienda los siguientes dimetros de Caldera de acuerdo a la potencia de la misma.

A. Para Cmara de Fuego, Casco y Placa

Material

Denominacin

S.A. 202(Plancha de acero al cromo-manganeso-silicio, para calderas y recipientes a presin.

S.A. 203(Planchas de acero de al nquel para calderas y recipientes a presin.

S.A. 285(Planchas de acero al carbono, de bajo o intermedia resistencia para caja de furgo y para bridas.

S.A. 299(Planchas de Acero al carbono-magnesio-Silicio, de alta resistencia para Calderas y recipientes a presin.

S.A. 515(Planchas de Acero al carbono, de resistencia intermedia, para calderas soldadas a fusin u otros recipientes o presin de media o alta temperatura.

A. Para Tubos de Fuego y Tuberas de la Caldera:

Material

Denominacin

S.A. 53(Tuberas de acero con o sin costura, para conduccin.

S.A. 105( Acero forjado para fabricacin de bridas y conexiones.

S.A. 106(Tuberas de acero al carbono sin costura para servicios de alta temperatura.

S.A. 178(Tubos de acero al carbono electrosoldado para Caldera. Es el mismo que el ASTM 178.

S.A. 192(Tubos de acero para caldera sin costura para servicio de alta presin igual al ASTM 192.

S.A. 209(Tubos de acero al carbono-molibdeno, para Calderas y Sobrecalentadores.

S.A. 226(Tubos de acero al carbono electrosoldados, para calderas y Sobrecalentadores de alta presin.

Potencia

Dimetro

(BHP)

(Pulgadas)

De 20 a 60-

42

De 60 a 100-

48

De 100 a 150-

60

De 150 a 225-

64

De 225 a 350-

76

De 350 a 400-

82

De 400 a 600-

88

De 600 a 700-

96

De 700 a 800-

112

Po lo tanto como la potencia de la caldera a disear es de 40 BHP consideraremos:

Dimetro = 42 pulgadas

El cdigo ASME para Calderas,plantea las recomendaciones de clculo para placas reforzadas con tirantes. El artculo PG-46 del cdigo, trata sobre espesores de palca requerida por una determinada presin admisible, influyendo tambin el espaciamiento entre los tirantes o paso. En este artculo se plantea mediante una ecuacin que, para una misma presin, a menor de placa el espaciamiento ente refuerzos debe ser menor, o que para un mismo espesor, a menor espaciamiento de tirantes la placa soportar mayor presin.

Expresado esto con la siguiente ecuacin, resulta:

P = T2xC (PSIG)

p2

Donde :

T : espesor de la placa requerida, expresada en 16avos de pulgadas.

P : Mxima presin de trabajo admisible (PSIG)

p: Mximo paso medido entre los centros de los tirantes adyacentes en la placa,esta distancia puede ser en forma vertical, horizontal o diagonal (pulg).

C: Constante que vara el tipo de tirante.

El artculo PFT-26 recomienda, para Calderas Pirotubulares un valor C = 135 con el fin de hallar un mximo espaciamiento o paso.

Asimismo el artculo PFT-26.5, expresa que para tirantes diagonales soldados en calderas horizontales del tipo escocesa, el paso mximo puede ser mayor de 8 4-1/2" pero en ningn caso exceder 15 veces el valor del dimetro del tirante.

Para nuestro diseo:

P = 250 PSIGPresin de diseo.

Para lo cual pide calcular la placa.

Tener presente que segn Cdigo ASME seccin I PFT-9 el mnimo espesor para las placas portatubos est limitado tambin por su dimetro de acuerdo a la siguiente tabla:

Dimetro de la PlacaEspesor mnimo

Pulg.

Pulg.

Hasta 36

1/4

De 36 a 54

5/16

De 54 a 72

3/8

Ms de 72

1/2

Por lo tanto asumiendo un espesor de palca de 1/2 pulg. que equivales a 8/16 de pulgadas con el valor de C = 135 se hallar el paso mximo de los refuerzos.

Luego se tiene como dato de clculo para:

T = 8

P = 250 PSIG

C = 135

Reemplazando en la ecuacin tendremos:

p = T2C 1/2 = (8)2(135) 1/2 = (34.56)1/2

P

250

p = 5.87"

p = 57/8"

Posteriormente con la distribucin de los tubos se recalcurar por ver si de todas maneras necesita refuerzos.

Conclusin:

Para la confeccin de la placas portatubos se seleccionar el material Acero al Carbono Calidad ASTM 285(C, 1/2" de espesor y 42" de dimetro.

II.EL HOGAR O CMARA DE COMBUSTIN

Es importante mencionar que la cmara de combustin o Flue se conforma de planchas planas, las mimas que son curvadas o roladas en fro para luego ser soldadas.

La cmara de combustin debe confeccionar con una adecuada tolerancia de redondez a fin de poderse unir satisfactoriamente con las placas-espejos. Se recomienda como una forma prctica que la desviacin diametral de esta parte no debe exceder a una vez el espesor de ella, pero siempre se debe considerar la holgura necesaria para el posterior trabajo de soldadura, garantizado una buena unin.

Tomando en cuenta que el caldero a disear es de 30 BHP seleccionaremos un Flue liso.

Para el caso en que el Flue sea liso, el cdigo ASME cuya norma es PFT-15 establece los espesores del Flue en funcin de la presin admisible y el dimetro exterior.

Cuando el espesor del Flue es menor o igual que 0.023 veces el dimetro del Flue se puede plantear la siguiente ecuacin.

P= 107 t PSIG

D

Y cuando el espesor de Flue es mayor que 0.023 veces el dimetro exterior del Flue se puede plantear la siguiente ecuacin:

P = 173000 t - 275 PSIG

D

Donde:

P : Presin de trabajo mximo admisible o de diseo (PSIG)

t: espesor del Flue (pulg.)

D: Dimetro exterior del Flue (pulg.)

Para nuestro diseo sabemos que:

P = 250 PSIG

Por experiencia se recomienda que el dimetro exterior del Flue est dentro del rango de 35 al 50% del dimetro interior del casco o dimetro de la placa.

Por lo tanto nuestro diseo consideraremos el dimetro exterior del Flue:

D = 16 pulg.

que equivale al 38% del dimetro de la placa (42").

Adems, consideramos un espesor equivale a 7/16" obtendremos que la relacin:

1

t = 2 = 0.03125 > 0.023

D16

Por tal motivo utilizaremos:

P = 17300 t - 275

D

P= 17300(0.027) - 275

P = 265 PSI.

El cual es mayor que la presin de diseo que es de 250 PSI por lo tanto es correcto dicho espesor.

Conclusin:

Nuestra cmara de combustin ser hecha de Material Acero al Carbono Calidad ASTM 285(C, con espesor de 1/2" y de dimetro exterior igual a 16".

Nota I.

Para calcular la Longitud Circunferencial del Flue se Procede a:

Lcf pi DM

Donde:

Lcf = longitud circunferencial

DM = Dimetro medio del Flue = D - t

Lcf = pi(16-1/2)

Lcf = 48.69"

Lcf = 48 3/4 pulg.

Nota II.

Para Flue U Hogar con Anillos reforzados

Para el caso del Flue reforzado con anillos la norma PFT del cdigo explica las reglas para el clculo de este tipo de Flue.

En la figura 7.2 se muestra las caractersticas constructivas de este Flue.

Para todos los clculos de este Flue se tiene, a la figura 7-2 la siguiente nomenclatura:

Do: Dimetro exterior del flue liso (pulg.)

t: Espesor mnimo requerido para el Flue (pulg.)

L: Longitud del diseo del Flue anillado. Tomando como la mnima distancia entre centros de anillos reforzados adyacentes o la distancia entre el centro del anillo de refuerzo con el centro de la soldadura de unin del Flue con la placa (pulg.)

P: Presin de trabajo mximo admisible (PSIG)

Las condiciones a cumplir, previas al clculo son:

Espesor de anillo: Tr

5/16" < Tr < 13/16"

Tr < 1.25 t

Relacin altura-espesor del anillo: Hr/Tr

3 < Hr/Tr < 8

Espesor mnimo del flue : t = 5/16"

Espaciamiento L

: menor que 60t 36"

Temperatura de diseo de Flue = 385(C

Segn los clculos de transferencia de calor es 725(F.

Los pasos a seguir para las dimensiones del Flue son:

a.Se asume el valor de t y L, se determina las relaciones L/Do y Do/t.

b.En la figura 7.3 con el valor de L/Do interceptar horizontalmente con la curva Do/t.

c.Desde este punto interceptar verticalmente con la curva de la temperatura (725(F para este caso).

d.Desde este ltimo punto, interceptar horizontalmente hasta el valor del factor B.

e.Comprar el valor de P es menor, seleccionar un espesor de Flue t ms grande o un valor menor de L con el fin de incrementar P hasta que sea igual o mayor que P.

f.Se calcula el valor de la presin admisible P resultante segn:

P = B (PSIG)

Do/t

Cuando se halla cumplido con los requisitos de la presin, se sigue con los requisitos del momento de inercia de la seccin del anillo que viene un rectngulo HrxTr.

El momento de inercia requerida del anillo circunferencial debe ser mayor que Is calculado segn:

As

Is = Do2L(t + L)A (pulg4)

14

Donde:

Is: Momento de inercia requerida del anillo de refuerzo a su eje neutro paralelo al eje de Flue (pulg4).

As: Area seccional del anillo de refuerzo (pulg.2)

A: Factor obtenido de fig. 7.3

Para comprar el momento de inercia del anillo de refuerzo determinado anteriormente, se siguen los siguientes pasos:

1Tenindose conocido Do, L, t seleccionar Hr y Tr, calcular el rea As.

(As = HrxTr) y determinar su momento de inercia I(I= 1/12 TrxHr3), luego calcular el factor B, factor del aldo derecho del baco de la fig. 7.3 de la siguiente manera:

B = PxDo

t + As

L

2En baco de la fig. 7.3 interceptar horizontalmente el valor de B calculado con la curva de la temperatura.

3Bajar verticalmente desde este punto hasta la escala del factor A y hallarlo.

4Evaluar el momento de inercia requerida Is segn la frmula anterior de Is.

5Si Is calculado en el 4 paso es menor que I calculado en el paso 1 la seleccin del anillo asumido es correcta, pero si no lo es, seleccionar otros valores de Hr y Tr hasta que Is