UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ENERGIA

““DISEÑO DE CALDERAS DISEÑO DE CALDERAS INDUSTRIALES”INDUSTRIALES”

Profesor : Ing. Humberto Claudio Torrico Gonzales

XVIII CURSO DE ACTUALIZACION PROFESIONAL

INTRODUCCIÓN

La finalidad de una caldera es generar a partir del agua de alimentación energía en forma de vapor, para generar:- Calentamiento directo e indirecto (marmitas, autoclaves, intercambiadores de calor) - Movimientos de equipos (turbinas, bombas alternativas).-Crear vació por medio de un inyector o eyector a.- Inyección de agua a una caldera, b.- Eliminación de humedad en autoclaves.)

Las calderas industriales queman:Petróleo, gas, carbón y una amplia variedad de productos y/ó subproductos.

COSTO DEL VAPOR

Combustible:..............................80%

Tratamiento de Agua, Electricidad, Mantenimiento,

Mano de Obra, etc:....................20%

DEFINICIONES Y FUNDAMENTOS DE INGENIERIA

¿Que es el vapor?

Agua + Energía ( Entalpía)

¿Que es el vapor?

Agua + Energía ( Entalpía)

Determina la calidad del vapor :

Sólidos - Óxidos o partículas

Líquidos - AGUA (condensados)

Gases - Aire

¿Porque usamos Vapor ?¿Porque usamos Vapor ?

Transportar energía:

La energía calórica es agregada al agua para convertirla en vapor de agua o agua caliente.

Transferir calor:

Medio de transferencia de Energía.

Ley cero de la termodinámica:

La temperatura esta relacionada con la velocidad de transferencia de calor.

Primera ley de la Termodinámica:

En estos procesos se usan cantidades grandes de energía.

Define las características del proceso de producción.

Cuando el fluido entra en contacto con una superficie mas fría se condensa y cede rápidamente esta energía.

Los beneficios del vaporLos beneficios del vapor

Usado desde la revolución industrial, continua siendo un transportador de calor moderno, flexible y versátil

Producido por la evaporación del agua, es relativamente barato, y completamente ecológico

Siempre fluye de una fuente de presión alta a otra mas baja y no requiere bombeo

Su temperatura puede ajustarse con precisión controlando su presión

Transporta una gran cantidad de energía con una pequeña masa

El calor de un líquido (hf). Es el usado para llevar 1 lb. de agua desde una temperatura de 32 ºF y llevarla a la temperatura de saturación correspondiente a una presión dada. Esto se llama la ENTALPIA de un líquido saturado, está en BTU por libra, o Kcal. por Kilogramo.

El calor latente de vaporización (hfg). Es el añadido a la unidad de peso de agua, a la temperatura de saturación, para evaporarlo totalmente y producir vapor saturado, esta es la Entalpía de vaporización o de evaporación.

El vapor saturado seco. Carece de humedad y está a su correspondiente temperatura de saturación para una presión dada. Su calor total o Entalpía del vapor saturado es igual a la suma del calor del líquido más el calor de vaporización.El vapor que contenga agua en cualquier forma, minúsculas gotas, humedad o niebla se llama vapor húmedo..

El contenido de calor del vapor

El vapor húmedo. Puede ser el resultado de retención de agua durante la ebullición o de un proceso parcial de condensación.

En cualquier caso el contenido de calor total de la mezcla es menor que el del vapor seco saturado, por ser la vaporización incompleta.

Calidad del vapor . Al porcentaje de vapor seco por masa

en la mezcla, se llama calidad del vapor. Por consiguiente un vapor que tiene 2% de humedad, es

un vapor con 98 % de calidad. El calor total del vapor húmedo es igual a la suma del calor

del líquido más el porcentaje correspondiente de calor de vaporización, representada por la calidad del vapor.

La temperatura del vapor húmedo es la misma que la del vapor seco a una presión dada.

Vapor sobrecalentado.- El vapor con una temperatura mayor que la correspondiente al vapor saturado a una presión dada, se llama vapor sobrecalentado. Cuando se mantiene la presión de un vapor saturado seco y se le continúa suministrando calor, el sobrecalentamiento producirá un aumento de temperatura y de volumen.

El calor total del vapor sobrecalentado es igual a la suma del calor del vapor saturado seco más el calor de sobrecalentamiento.

Calor total.- Es la expresión aplicable, en ingeniería, a cualquier condición del vapor, esté húmedo, seco o sobrecalentado.

Se conoce también como la Entalpía del vapor, es la cantidad de calor añadida a una unidad de peso de agua a 32 ºF para producir el efecto final considerado.

Entalpía específicaEntalpía específicate

mp

era

tura

°C

entalpía especifica, kJ/kg

0

100

50

419

agua

2676

Evaporación 2257

vapor

VAPOR SATURADO Y SOBRECALENTADO

Las propiedades de un vapor sobrecalentado son:

Aproximadamente las mismas que un gas perfecto.

Una de las características más importantes es:La dependencia de la energía interna con la temperatura; por tanto, cuan cerca esté el vapor del gas perfecto, mejor será el trabajo realizado.

Adicionalmente, como no contiene humedad, no existe la mínima posibilidad de condensación hasta que no se haya enfriado a una temperatura igual a la correspondiente del vapor saturado a esa presión dada.

Esta característica es particularmente útil, porque con una correcta cantidad de sobrecalentamiento, es posible eliminar la condensación en las líneas de vapor de una turbina y disponer notablemente la humedad en el escape.

Las propiedades de un vapor sobrecalentado son : El calor disponible depende exclusivamente de la presión,

mientras que con el vapor sobrecalentado hay un calor adicional, proporcional al grado de sobrecalentamiento.

Este calor adicional se obtiene por un aumento en el

consumo de combustible, pero los beneficios económicos obtenidos dan como resultado una mejor eficiencia obtenida de considerable magnitud.

Usando comparativamente una pequeña cantidad de

sobrecalentamiento es posible reducir la humedad de las condiciones de escape y producir una mejora en el porcentaje del calor utilizado.

Recalentamiento del vaporte

mp

era

tura

°C

0

entalpía especifica kJ/kg

184

782 2781

10 bar g

2944

250

LIMITES EN LA PRESION Y TEMPERATURA DEL VAPOR

Los materiales usados en la construcción del sobrecalentador, en la practica determinan lo límites de temperatura y presión a usarse.

Los últimos desarrollos en la metalurgia de los aceros usados en la manufactura de tubos y cabezales de sobrecalentadores, han hecho posible el diseño y construcción de sobrecalentadores y recalentadores para instalaciones de calderos de altas temperaturas y presiones, al haber también mejorado notablemente las técnicas de soldadura.

A pesar que las instalaciones que operan en los límites de los materiales existentes son más interesantes y sensacionales, la gran mayoría de equipos se operan en el rango de 750º a 1050 ºF de temperatura, porque representan el ámbito donde se pueden obtener mayores ahorros.

El estudio de las temperaturas de vapor de las instalaciones que usan 2400 psig. de presión controlada, nos indican que la temperatura primaria más usual es 1000 ºF.

Lo mismo se observa en las unidades que operan en el rango de 3500 psig. que usan 1000 ºF para el sobrecalentamiento y recalentamiento.

Aproximadamente el 30% de las unidades super críticas tienen una segunda etapa de recalentamiento a una temperatura de 1000 ºF, esto se justifica por el alto costo del combustible.

Tablas de vaporTablas de vapor

Entalpía kj/kgEntalpía kj/kgPresiónmanom.

bar g

Presiónmanom.

bar g

Temp. ºC

Temp. ºC Agua

(hf)Agua(hf)

Entalpía esp. de evap.

(hfg)

Entalpía esp. de evap.

(hfg)Vapor

(hg)Vapor

(hg)

Volum.espec. m3/kg

Volum.espec. m3/kg

0011223344556677

100100120120134134144144152152159159165165170170

419419506506562562605605671671641641697697721721

2257225722012201216321632133213321082108208620862066206620482048

2676267627072707272527252738273827492749275727572763276327692769

1.6731.6730.8810.8810.6030.6030.4610.4610.3740.3740.3150.3150.2720.2720.2400.240

Vapor saturado: volumen v.s. presiónVapor saturado: volumen v.s. presión

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

presión bar g

vo

lum

en e

spe

cífi

co

m³/

kg

Vapor saturado: temperatura v.s. presiónVapor saturado: temperatura v.s. presión

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200te

mp

era

tura

ºC

presión, bar g

Diagrama de Molier -vapor recalentadoDiagrama de Molier -vapor recalentado

En

talp

ía e

spec

ific

a kJ

/kg

Entropía especifica kJ/kg K

Curva de saturaciónFracción de sequedad

Area de recalentado

Area húmeda

5 b

ar g

158.9°C

5 bar g & 158.9°C

250°C

2958

EL SOBRECALENTAMIENTO REDUCE EL CONSUMO DE VAPOR

En toda tubería de vapor hay pérdidas por radiación por lo tanto, si el vapor que entra a la línea es seco saturado inmediatamente se inicia el proceso de condensación la cual es descargada por medio de trampas y frecuentemente se pierde el condensado.

Así además de la perdida de calor por radiación hay además la perdida de calor en la condensación.

Por supuesto si el condensado se retorna a un tanque, una parte del calor del líquido se aprovechará. Añadiendo una cantidad suficiente de sobrecalentamiento al vapor, podrá ser transportado sin pérdidas por condensación.

La instalación de un sobrecalentador en un caldero, tiene el efecto de reducir la cantidad de trabajo que deben de efectuar las superficies de evaporación para producir la misma potencia.

En otras palabras, la instalación de un sobrecalentador incrementa la capacidad de la planta.

Adicionalmente un sobrecalentador bien

diseñado aumenta la eficiencia térmica de la unidad generadora de vapor.

1.- CALDERAS

1.1 DEFINICION Las calderas de vapor son aparatos en los que se hace hervir agua para producir vapor.

El calor necesario para caldear y vaporizar el agua puede ser suministrado por un hogar, por gases calientes recuperados a la salida de otro aparato industrial (horno, por ejemplo), por el fluido refrigerador de una pila atómica, por irradiación solar o por una corriente eléctrica. Cuando el calor es suministrado por un líquido caliente o por vapor que se condensa, se suelen emplear otras denominaciones, tales como vaporizador y transformador de vapor.

Durante su funcionamiento, la caldera está

sometida interiormente a la presión de equilibrio del agua y de su vapor a la temperatura alcanzada.

Los otros elementos del grupo recorridos por el

agua o el vapor, a partir de la bomba de alimentación (economizador, recalentador), están sometidos casi a la misma presión, pero la temperatura del fluido puede ser inferior o superior a la ebullición.

Otro medio de aprovechar mejor el

calor producido en el hogar ha consistido en emplazar éste en el interior de la caldera, estando constituido por un cilindro de plancha, cuya superficie externa está enteramente bañada por el agua.

Según su Uso: Estacionarias (calefacción) Móviles (Locomotoras, marinas)

Según La Situación del Hogar: Interna Externa

Según los Materiales: Fuertes: acero especiales. Calefacción: Hierro colado.

Según el Contenido de los Tubos: Pirotubulares Acuotubular

Según el Combustible: Liquido Sólido Gaseoso

Según la Combustión: Fuego Nuclear Eléctrica

Según La Potencia: Baja (<10 Tn/h) Media (10-50 Tn/h) Alta (50-150 Tn/h) Muy Alta (>150 Tn/h)

Según Forma y Posición de los Tubos: Rectos Curvos Horizontales Verticales Inclinados

Según la Circulación:

Natural Forzada

1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

TIPOS DE CALDERA

Acuotubular, cuando lleva agua y vapor dentro de los tubos.

1. Quemador

2. Tubo de Fuego

3. Cámara de Humos

4. Cámara de Agua

5. Cámara de vapor

6. Salida del vapor

7. Válvula de Seguridad

8. Entrada de Hombre

9. Indicador de nivel y manómetro

10. Ventilador

11.Bomba de presión del combustible.

12. Espiral de aire

13. Salida hacia la chimenea.

14.Cuerpo cilíndrico revestido con material aislante.

15. Tubos de humo.

16. Toma de vapor( antiespumante)

Caldera de un paso (SHIELD)

Pirotubular cuando lleva fuego y gases de la combustión dentro de los tubos.

PASOS DE UNA CALDERA

De espalda seca cuando tiene las tapas posteriores (ó espejos) aislados con ladrillo refractario.

De espalda húmedacuando tiene una cámara de agua en las tapas posteriores

De carbón cuando el combustible utilizado en el quemador es carbón bituminoso ó antracítico.

De petróleo Bunkercuando el quemador utiliza petróleos residuales ó pesados mediante un precalentador que los fluidifica.

Marinos cuando son de embarcaciones, normalmente de espalda húmeda.

Bagaceros cuando queman el bagazo de la caña de azúcar combinado con algún otro tipo de combustible.

De vapor de Aceite cuando utilizan aceite en lugar de agua.

Duales cuando tienen quemadores que pueden trabajar con dos ó más combustibles diferentes.

Combustible. Diesel 2 y GLP

Verticales cuando la cámara de vapor tiene posición vertical.

Horizontales cuando la cámara de vapor es horizontal.

En “O” acuotubular que tiene solo dos domos y un has de tubos vertical.

Tambor de vapor

Tambor de lodos

En “D” acuotubular, que tiene tres domos y un haz de tubos en forma similar a una letra “D”.

Tambor de vapor

Tambor de lodos

En “A” acuotubular que tiene un tambor en la parte superior y dos tambores de lodos, arreglados de modo que se asemjan a una A.

1.3 USOS1.3.1 CUADRO DE USOS

01 Hospitales02 Baños Saunas03 Universidades, Colegios grandes, Clubes y Hoteles04 Lavanderías05 Tintorerías06 Fabricas de Fideos07 Fabrica de Galletas- Golosinas08 Fabrica de Helados09 Conservas de Pescado10 Camales11 Industrias Avícolas12 Fábricas de Pintura13 Bases Militares14 Fábricas de Gaseosas-Agua Mineral15 Fábricas de Cerveza16 Industrias Químicas17 Fabrica de Alimentos Balanceados18 Fábricas de Aceites y Grasas19 Refinerías20 Minería21 Industrias Automotrices22 Industrias de Caucho y Jebe23 Laboratorios Farmaceuticos24 Industrias Textiles25 Industrias Madereras

26 Fabricas de Equipos de Línea Blanca27 Fabricas de Ladrillos28 Fabricas de Cemento29 Embarcaciones-Cruceros30 Industrias del Botón31 Hilanderías32 Lanera33 Fábrica de Papel34 Fábrica de Envases Industriales35 Fábrica de Embutidos36 Fábrica de Levadura37 Fábrica de Llantas38 Fábrica de Cigarrillos39 Fábrica Procesadores de Maíz40 Adhesivos Industriales41 Industrias de la curtiembre42 Industrias de la Naranja43 Industrias de la Pulpa de frutas44 Industrias de Aceite de Limón45 Industria del Tomate46 Industria de Algarrobos47 Industria de la Leche49 Industria Fotográfica50 Otros

1.3.2 APLICACIONES DEL VAPOR1.3.2.1 CONDENSACION:

Se puede aplicar el vapor aprovechando principalmente el calor que cede al condensarse de vapor a líquido, en las siguientes formas:a. Calentamiento IndirectoEl vapor no entra en contacto con el material a procesar, más bien lo realiza a través de serpentines, intercambiadores de calor y chaquetas de vapor (marmitas, tanques de combustible residual, etc.).b. Calentamiento directoPor medio de aplicaciones del vapor directamente sobre el material a procesar (cocinador de pescado, etc.).c. Calentamiento de AirePor medio de radiadores (intercambiador de calor), se calienta aire para sistemas de calefacción de ambientes o para secado de productos.

La energía cinética del Vapor en su expansión es aprovechada en las diferentes aplicaciones y formas que se indican a continuación.

a. Fuerza Motriz en MaquinasAprovechando la energía del vapor se puede mover Turbinas o Bombas Alternativas.b. Creación de VacíoLa expansión del vapor crea vacío por medio de un eyector.

1.3.2.2 APROVECHAMIENTO DE LA ENERGIA CINETICA DE VAPOR

1.4 PARAMETROS INDUSTRIALES PARA LA SELECCIÓN DE CALDERAS

1.4.1 DEFINICIONES PRELIMINARES

Es la cantidad de calor aprovechado por el agua hasta lograr su evaporación y sobrecalentamiento a una temperatura indicada.Para poder evaluarlo con rigurosidad se emplea el diagrama Temperatura-Entropía, teniendo en cuenta la condición inicial y final del agua.La forma mas practica de evaluar la carga térmica de la caldera es mediante la diferencia de la entalpía entre el estado final e inicial del agua expresado como:

*omhQ (BTU/Hr, KW)

Donde:

m: Flujo de agua y producción de vapor en (Kg./seg., lb./seg.)Δh: Diferencias de entalpías vapor y aguaSe puede simplificar este cálculo y obtener resultados aproximados mediante una tabla de vapor saturado y considerando la diferencia de entalpía como la suma de la entalpía de calentamiento del agua hasta la temperatura de saturación y el calor latente de evaporación a la presión de trabajo así:

A. CARGA TERMICA (Q)

A. CARGA TERMICA (Q)

se sabe también que:

(KJ/Kg) latsen hhh

Donde:Cw: Calor especifico del agua = 4.186 KJ/Kg. ºCTs: Temperatura de SaturaciónTo: Temperatura Inicialhfg: Entalpía de evaporación a presión Ps (KJ/Kg.)

)( latsen

ohhmQ BTU/Hr, KW, Kcal./Hr

Donde entalpía de calentamiento: hsen

KJ/Kg )(186.4* eswsen TTTCh

Es la masa de vapor que se obtiene, con una cierta cantidad de calor, vaporizada a 100ºC, es decir partiendo como líquido saturado hasta llegar a vapor saturado a nivel del mar. Siendo el calor requerido, o calor latente, por cada Kg. de agua e s de 2257 KJ/Kg.

B. VAPOR NORMAL (Vn)

C. FACTOR DE EVAPORACION (f)Se define como:

normal vapor de Kg 1 de

generado vapor de Kg 1 de

Entalpía

Entalpíaf

Por lo tanto se deduce que:

o

n mfV *

D.- CAPACIDAD DE VAPORIZACION DE UNA CALDERAEs la capacidad de un generador de vapor en Kg/Hr (lb/Hr) indicando la presión de Trabajo y la Temperatura de ingreso del agua. Pero como las calderas trabajan a presiones diferentes unas con otras, así como temperaturas de ingreso de agua, surge como una forma de expresar la potencia del equipo en HP de Caldero.

E.- HP DEL CALDERO-BHP

La definición más aceptada para este concepto ta dio la ASME (AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEER) de la siguiente manera:Es la cantidad de calor necesaria que hay que suministrar para evaporar 34.5 libras de agua por hora desde 212ºF a 212ºF.

En términos numéricos esto equivale a:1 BHP = 34475 BTU/Hr1 BHP = 9.81 KW

E.- HP DEL CALDERO-BHP

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 presión y de la Temperatura del Agua de ingreso.También se emplea el BHP de caldero para designar el tamaño de una caldera en base a la superficie de calefacción. Para ello, la ASME teniendo en cuenta que las calderas en esa época utilizaban la superficie de calefacción de 5 pies2 para generar 34.5 lbs. de vapor por hora.

F.- EFICIENCIA TERMICA DE UNA CALDERA

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

%100*ecombustibl del Energía

Agua al cedido

RPH

QCalorEficiencia

F. EFICIENCIA TERMICA DE UNA CALDERAPero, también, podemos expresar el calor cedido al agua como:

oaislamientpor Perdidas -Chimeneaspor Perdidas - eCombustibl del EnergíaQ

Por lo tanto:

%100*1

RP

ac

RP

acRP

H

PP

H

PPHEficiencia

Donde:HRP: Calor cedido por el combustible (poder calorífico del combustible)

Pc: Pérdida por la chimenea

Pa: Pérdida por el aislamiento

La eficiencia se encuentra afectada por:• Superficies de calefacción sucias: incrustaciones u hollín• Quemador con funcionamiento defectuoso: mala turbulencia en los deflectores y difusores de aire, tobera o capa rotativa defectuosa o mala atomización del combustible.• Regulación de la combustión con aire excesivo, denotado por un nivel alto de oxigeno entre los productos de la combustión.• Mal aislamiento térmico de la caldera o fugas de calor por empaquetaduras.

G. SUPERFICIE DE CALEFACCION

Según ASME la superficie de calefacción de la unidad de vapor es aquella parte de la superficie de transmisión de calor del aparato, expuesto por un lado a los gases de escape y por otro en contacto con el líquido que es calentado, medida el lado que recibe calor.

El valor empleado para la superficie de calefacción por cada BHP, actualmente fluctúa entre 3.5 pies2 por BHP para calderas verticales y de 5 pies2 por BHP para calderas horizontales. El optar por considerar 5 pies2 por BHP en calderas horizontales, nos permite lograr una larga vida en proporción o la capacidad a través de esta superficie que se realiza la transferencia de calor cuyas formas son:

Es la transferencia que se realiza desde un punto de un material hasta otro del mismo o hacia un material contiguo. Cuando una parte de un material es calentada, la vibración molecular en ese punto aumenta. Este incremento de la actividad molecular es transmitido a las moléculas adyacentes y estas a su vez lo transmiten a otras moléculas, estableciéndose un flujo de calor desde el punto caliente hasta las zonas más frías. La figura muestra como el calor es proporcional al área de transferencia (A) y al diferencial de temperatura (T),e inversamente a la longitud (X) del material expuesto a la conducción. La constante (K) de la proporcionalidad define la clase de material y es llamado el coeficiente de calor del material. Esta forma de transferencia de calor se produce en toda la superficie de Calefacción de la Caldera.

G.1 Transferencia de calor por Conducción

G.2 Transferencia de calor por Convección

Se entiende por convección al proceso de transferencia de energía que tiene lugar principalmente en los fluidos como consecuencia de este contacto con un sólido a diferentes temperaturas, por lo que unas partes de las masas de este fluido se mezclan con otras a diferentes temperaturas, ocurriendo un fenómeno de conducción entre moléculas adyacentes, pero la energía puede transmitirse a otros puntos del espacio por movimiento del fluido.Cuando el movimiento del fluido se debe a la existencia de fuerzas externas en la forma de diferencia de presión, este mecanismo se conoce con el nombre de CONVECCION FORZADA.Cuando no se aplica ninguna fuerza externa al fluido, este se mueve como consecuencia de las diferencias de densidades de las partes de un fluido a temperaturas diferentes por estar junto a la superficie del sólido; a este fenómeno se le conoce como CONVECCION LIBRE.

Para poder evaluar la energía que se intercambia entre un fluido y un sólido, ambos, a diferentes temperaturas medias, es necesario conocer un factor llamado coeficiente de película en cuyo calculo están basadas las teorías concernientes a la convección.La convección aporta una mayor energía en los pasos de los gases por el interior de los tubos, que en la cámara de combustión.

G.2 Transferencia de calor por Convección

G.3 Transferencia de calor por RadiaciónLa cantidad de energía que se irradia sobre un cuerpo depende de tres factores: tamaño, forma y de la sustancia que lo conforma, pero principalmente de la temperatura absoluta a que se encuentre. La energía radiante se desplaza en forma de ondas electromagnéticas que viajan por el medio y se hace visible en forma de calor, al chocar con las superficies opacas. Esta forma de transferencia de calor es de gran importancia en este tipo de Máquinas Térmicas debido a las altas temperaturas en los hogares o cámaras de combustión. Esto trae consigo que más del 60% del calor se produce mayormente en la cámara de combustión.

G.3 Transferencia de calor por Radiación

La figura muestra un ejemplo de este calor en una zona de radiación dentro de una caldera, compuesta básicamente por los quemadores, como fuente de calor y la zona del banco principal de tubos, como de radiación. La radiación, producida por la llama del combustible en el horno, cubre el supercalentador y la zona de generación de vapor saturado, donde ocurre el intercambio de energía: energía potencial (química) del combustible a energía térmica de vapor de agua.

Descripción del proceso de transferencia de calor

En el caso real de una caldera, la transferencia de calor es una interacción de todos los tipos de transferencia de calor mencionados. Un tubo, colocado en una corriente de gases calientes, recibe una corriente de convección, que lleva el calor desde el horno hacia el tubo lleno de agua. Una delgada película de gases calientes cubre la parte exterior del tubo y similarmente, dentro del mismo tubo, una película de fluido frío (agua), se adhiere a la parte interior del tubo. El calor de los gases caliente fluye, por conducción, a través de la película de gases al metal del tubo y de allí, a la película de agua dentro de él. La pobre conductividad térmica de la película de vapor, en comparación con la de metal o la del agua, causa una alta caída de temperatura en el exterior del tubo.

1.4.2 SELECCIÓN DE UNA CALDERA PIROTUBULAR1.4.2.1 FACTORES MÁS IMPORTANTES

A. REQUERIMIENTOS DE VAPOR• Capacidad• Presión• Calidad del vapor

Presión atmosférica

100 ºC100 ºC

1 bar

120 ºC120 ºC

10 bar

184 ºC184 ºC

B.- COMBUSTIBLE

IMPORTANCIA DE LA ELECCIÓN DE UN BUEN COMBUSTIBLE EN LAS CALDERAS

a) Los combustibles están caracterizados por un poder calorífico (cantidad de kilocalorías / kilo que suministran al quemarse), un grado de humedad y unos porcentajes de materias volátiles y de cenizas.

b) Esto datos son de gran utilidad para determinar las condiciones prácticas de la combustión, pero no son suficientes para estudiar el mecanismo de las diferentes combinaciones químicas.

c) El análisis químico es quien permite distinguir los diferentes elementos (puros) que constituyen el combustible. Estos elementos se pueden clasificar en dos grandes categorías:

Elementos activos, es decir: combinables químicamente con el comburente, cediendo calor. Son el carbono, hidrógeno, azufre, etc.

Elementos inertes, que no se combinan con el comburente y que pasarán como tales a los residuos de la combustión. Son el agua, nitrógeno, cenizas, etc.

El objeto de la combustión, refiriéndonos a los hogares, es el de proporcionar una producción de calor uniforme y regulada para ser transmitida a un medio que la absorba. Una de las cuestiones más importantes es la de suministrar una cantidad exacta de oxígeno por unidad de peso del combustible para que se realice la combustión completa.

TEORIA DE LA COMBUSTIÓN. COMBUSTIÓN COMPLETA E INCOMPLETA

Denominamos aire mínimo o teórico para la combustión a la cantidad estequiométricade este, necesaria para una combustión completa.Consideremos un combustible (sólido o líquido) formado por carbono, hidrogeno,oxígeno y azufre, siendo su composición en tanto por uno en masa:• mC Kg. de carbono /kg de combustible• mH2 Kg. de hidrogeno/Kg. de combustible• mO2 Kg. de oxígeno/Kg. de combustible• mS Kg. de azufre/Kg. de combustible

de tal forma que se verifique:

ecombustibl de Kg 1mmmm SOHC 22

Teniendo en cuenta que las reacciones química de la combustión completa son:

C O CO2 2 OHO21

-H 222 S O SO2 2

TEORIA DE LA COMBUSTIÓN. COMBUSTIÓN COMPLETA E INCOMPLETA

y teniendo en cuenta los pesos moleculares correspondientes, tenemos que para quemar Pc Kg. de carbono, necesitaremos:

3212

mC kg de oxígeno = 2,67 mc kg de O2

De la misma forma, para quemar los mH2 Kg. de hidrógeno, necesitaremos:

162

mH2 kg de oxígeno = 8 mH2 kg de O2

y para la combustión completa de los ms Kg. de azufre se necesitarán:

32

32mS kg de oxígeno = 1 mS kg de O2

Ahora bien, como el combustible contiene ya PO2 Kg. de oxígeno, el oxígeno mínimo que hay que aportar para producir la combustión completa de 1 Kg. de combustible será:

Om = 2,67 mC + 8 mH2 + 1mS - mO2 kg de oxígeno.(1)

TEORIA DE LA COMBUSTIÓN. COMBUSTIÓN COMPLETA E INCOMPLETA

Como la composición media, en peso, del aire es aproximadamente de 23% de oxígeno y 77% de nitrógeno, el aire mínimo expresado en kilogramos será:

0,23

m-m+m 8+m 2,67

0,23

OA 22 OSHCm

m

La combustión en una caldera se realiza con el fin de obtener energía, y es obvio que para una mejor rentabilidad es preciso recuperar, del modo más posible, la energía química contenida en potencia en el combustible. Esta energía química va a liberarse bajo la forma de calor en las reacciones de la combustión. Este calor va a ser recuperado en la caldera para producir vapor y recalentarlo.La diferencia entre la energía en potencia, contenida en el combustible, y la energía absorbida por el vapor constituye la energía perdida (calorías perdidas). El rendimiento de la combustión es, pues, función de estas pérdidas. Las causas de estas pérdidas son numerosas.

Tabla del Gas Natural y Aceite térmico # 2

    Gas Natural   Fuel Oil # 2

Exceso de Aire % 0 10 20 30 0 10 20 30

% CO2 9.47 8.68 8.02 7.45 13.49 12.33 11.3 10.51

H2O 19.91 18.38 17.08 15.96 12.88 11.9 11.07 10.36

N2 0.62 71.22 71.73 72.16 73.63 74.02 74.34 74.62

O2 0 1.72 3.18 4.43 0 1.76 3.24 4.5

MW 27.52 27.62 27.68 27.77 28.87 28.85 28.84 28.82

Wgm   7.68 841 914 986   790 864 938 1011

La composición en %

Del gas natural es C1=97,C2=2, C3=1, HHV =23,789 Btu/lb y

Del aceite # 2 es: C=87.5, H2=12.5, API=32, HHV=19.727 Btu/lb

Donde:

MW = Peso molecular de los gases

Wgm = Libras de gases producidos por MBtu (HHV) quemado

Tabla de propiedades del GLP

PROPIEDAD PROPANO N-BUTANO

Densidad específica estado líquido ( agua =1 ) 0.5081 0.5845

Densidad específica estado gaseoso (aire =1) 1.5222 2.0026

Punto de ebullición a 1.013 bar, oC -42.07 -0.5

Punto de congelamiento, oC -187.69 -138.35

Tensión de vapor absoluta, en atm.    

a 40 oC 13.6 3.76

a 50 oC 16.0 5.08

Poder calorífico inferior ( MJ/Kg. ) 46.1 45.46

Poder calorífico inferior ( MJ/dm3 ) 23.4 26.5

Entalpía de vaporización a presión atm., KJ/Kg. 0.43 0.38

Temperatura critica, oC 96.81 152

Características de Gases Naturales Típicos a 60ºF y 30” de Hg Secos

% por Volumen DensidadPoder Calorífico

Superior

CO2 N2 H2S CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 lbs/pie3 BTU/pie3* Btu/lb

5.5 0 7 77.73 5.56 2.4 1.18 0.63* 0.05621 1061 18880

3.51 32 0.5 52.54 3.77 2.22 2.02 3.44* 0.0661 874 13220

26.2 0.7 0 59.2 13.9 0 0 0 0.06747 849 12580

0.17 87.69 0 10.5 1.64 0 0 0 0.0712 136 1907

0.2 0.6 0 99.2 0 0 0 0 0.04491 1006 22410

0 0.6 0 0 79.4 20 0 0 0.08812 1935 21960

*Todos los hidrocarburos mas pesados que el C5H12, son asumidos como C5H12

** Si el gas es saturado con humedad a 60ºF y 30” de Hg, dividir por 1.74%

1.4.3 ESTRUCTURA EXTERNA E INTERNA

1.4.3.1 PARTES IMPORTANTES DE UNA CALDERA PIROTUBULAR

Para entender mucho mejor definiremos sus partes más importantes:A. EL HOGAR O CAMARA DE COMBUSTIONEn el cual se desarrolla la llama. Esto puede ser integrado a una caldera. El Flue o Cámara de Combustión es un elemento de gran importancia en las Calderas Pirotubulares, pues aquí se transfiere la mayor parte de calor hacia el agua. Respecto a la configuración del Flue Horizontal según el código ASME PFT-15 ; esto puede ser de tres tipos:

A.1. Cilindro LisoConformado por las planchas roladas y soldadas en sus extremos a las placas portatubos. Su superficie exterior es lisa.

A.2 Tipo AdamsonConformado por tramos cilíndricos, pero unidos entre si en forma de bridas soldadas.

A.2.1 Cilindro reforzado con anillos Es un cilindro liso pero con anillos soldados a lo largo de la

superficie exterior del Flue A.3 Cilindro Corrugado La superficie del Flue es ondulada. El empleo de algunos de estos

tipos de Flue esta supeditado a la capacidad de liberación de calor (superficie) y a la presión de trabajo.

El tipo de Flue que se adopta menor a estos requerimientos es del tipo corrugado, siendo la tendencia industrial actual de emplear este Flue en calderas de mayor capacidad, por su mayor superficie calefactora y en calderas de mayor presión, debido a que las ondulaciones sirven de refuerzo, permitiendo al Flue ser de mayor diámetro y debido a que las ondulaciones absorben esfuerzos térmicos de dilatación. El Flue del tipo corrugado tiene el inconveniente respecto al Flue liso de tener un proceso de fabricación más complicado y costoso.

B. LA CALDERA PROPIAMENTE DICHACompuesta de un cuerpo cilíndrico de chapa de acero con dos tapas planas, denominados placa-espejo. Dicho cilindro contiene un determinado volumen de agua y vapor llamado Cámara de Agua y Vapor, que recibe calor que le ceden los productos de la combustión a través de las placas, tubos y cámara de combustión.El agua que se vaporiza ocupa la parte superior del cuerpo cilíndrico de la caldera. La interfase entre el estado líquido y vapor del agua se denomina:

SUPERFICIE DE DESENGANCHE (Disengaging Superface).La Altura a la que se ubica esta superficie de desenganche constituye el nivel del 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 entraña, el recalentamiento de las chapas con posibilidad de rotura y su consiguiente explosión.El nivel de agua también determina la cámara de vapor, el cual constituye el volumen de almacenamiento de vapor en la caldera y depende del diseño del equipo. Un volumen alto significa el poder responder mejor a las fluctuaciones de demanda de vapor, que con una cámara menor. Así también el tener una cámara de vapor pequeña produce arrastre de líquido hacia la línea de salida de vapor.

C.- EL CONDUCTO DE HUMOS O TUBOS DE FUEGO Por donde los productos de la combustión salen del último 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.- QUEMADOREl cual produce la combustión que libera la energía correspondiente.

E.- CONTROLES DE OPERACIÓN Y SEGURIDAD, TANTO PARA LA COMBUSTION COMO PARA EL VAPOR

1.4.3.2 CODIGO ASMELlamado también como el código de la ASME; significa American Society of Mechanical Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos).Es una sociedad subsidiada por el Gobierno Norteamericano donde se realizan una serie de ensayos o pruebas con todo lo relacionado a la Ingeniería Mecánica, y obteniéndose como resultados conclusiones importantísimas para la Ingeniería Mecánica.

Estas conclusiones son dadas como normas Internacionales a través de su código ASME. Manual al cual se deben basar todos los Ingenieros Mecánicos.ASME ha emitido el documento denominado ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE que consta de 11 secciones pero las mas importantes son las siguientes:

Sección I - Calderas de PotenciaSección II - Especificaciones de MaterialesSección III - Calderas NuclearesSección IV - Calderas de CalentamientoSección V al VIII - Recipientes a PresiónSección IX - Calificación de Soldaduras

EJEMPLO DE APLICACIÓN

Considerando que en un centro de esparcimiento se tiene los valores siguientes para calentar agua:Cocina : 225 lbs. De vapor/ HoraLavandería : 312 lbs. De vapor/Hora50 Dormitorios : ?

Según ASME desde 20 a 60 dormitorios, el consumo de agua caliente por dormitorio es de 5 galones/Hora.Entonces 50 Dormitorios consumirán 250 Galones/Hora. Como se recomienda que el agua en el tanque se calienta 30 minutos entonces la capacidad del tanque calentador debe ser de 125 galones. Además si la densidad del agua es aproximadamente 8.33 LBS/galón a 60ºF, Calcularemos el flujo de masa del agua a calentarse:

o

m

*ooVm

Donde: o

m = Flujo de masa de agua a calentar

O

V = Flujo de volumen

ρ = Densidad del agua

galón

lbsx

Hora

Galonesmo

33.8250 → Hora

lbsmo

50.2082 De Agua a Calentar

EJEMPLO DE APLICACIÓN

Este flujo de agua caliente será proporcionado por un calentador de agua a vapor.Considerando como formula general de transferencia de calor:

)(* 12 TTCmQ p

oo

Donde:o

Q : Flujo de calor BTU/Hro

m

Cp: Calor especifico del agua BTU/lbºF

T2: Temperatura máxima a calentar el agua 60ºC = 140ºF

T1: Temperatura inicial o ambiente 15ºC = 60ºF

: Flujo de masa lbs/Hr

EJEMPLO DE APLICACIÓNReemplazando:

HrBTUQ

Qo

o

/ 166000

)60140(*1*50.2082

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

8.0

1666000

oo QQ

Obtenemos:

BTU/Hr 208250o

Q

Sabemos que 1 BHP ≈ 33500BTU/Hr

BHPQT

o

22.6

EJEMPLO DE APLICACIÓN

Lo cual será proporcionado por 214.59 libras de vapor por hora, pues sabemos que :1 BHP producirá 34.5 lbs. de vapor por Hora.

Por lo tanto la capacidad de la caldera será:Cocina : 225 libras de vapor/ Hora = 6.52 BHPLavandería : 312 libras de vapor/Hora = 9.04 BHP50 Dormitorios : 214.59 libras de vapor /Hora = 6.22 BHPLuego la capacidad total de la caldera para abastecer el centro de esparcimiento será:

Caldera = 21.78 BHPConsiderando una eficiencia en la caldera del 80% la caldera deberá ser de

27. 33 BHP

Entonces seleccionaremos una caldera de:

Potencia : 30 BHPTipo : PirotubularPasos : TresPresión de Trabajo : 120 -130 PsiPresión de Diseño : 150 PsiConfiguración parte superior : Espalda SecaPosición de los Tubos : HorizontalesOperación : AutomáticoTipo de corriente : Alterna 220V / 60HzCombustible utilizado : Diesel Nº 2Producción de Vapor Saturado : 1035 lb. De vapor por Hora

desde y hasta 212ºF a nivel del mar

1.4.4 PARAMETROS INDUSTRIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CALDERAS PIROTUBULARES

PARTE MECANICA I

1.4.4.1 DatosPotencia = 30 BHPOperación = AutomáticaPosición de los tubos = HorizontalPasos = 3Presión de Diseño = 150 PSIGConfiguración parte posterior = Cámara secaCombustible a utilizar = Diesel Nº 2Producción de Vapor = 1035 lbs/hr de vaporSuperficie de calefacción = 150 pies2

1.4.4.2 MATERIALES EMPLEADOS EN LA FABRICACIÓN DE CALDERAS PIROTUBULARES

La ASME en sus acápites PG5 al PG9, determina los materiales a usar según la aplicación de la caldera o la parte de ella a fabricar, así se puede mencionar a los siguientes:

A. Para Cámara de Fuego, Casco y Placa

Material DenominaciónSA.202 → Planchas de acero al cromo-manganeso-silicio, para calderas y

recipientes a presión

SA.203 → Planchas de acero al Níquel para calderas y recipientes a presión.

SA.285 → Planchas de Acero al carbono, de bajo o intermedia resistencia para caja de fuego y para bridas.

SA.299 → Planchas de acero al Carbono-manganeso-silicio, de alta resistencia para Calderas y recipientes a presión.

SA.515 → Planchas de Acero al carbono, de resistencia intermedia, para calderas soldadas a fusión u otros recipientes o presión de media o alta temperatura.

B. Para Tubos de Fuego y Tuberías de la Caldera

Material Denominación

SA.53 → Tuberías de acero con o sin costura, para conducción.

SA.105 → Acero forjado para fabricación de bridas y conexiones.

SA.106 → Tuberías de acero al carbono sin costura para servicio de alta temperatura.

SA.178 → Tubos de acero al carbono electrosoldado para Caldera. Es el mismo que el ASTM 178.

SA.192 → Tubos de Acero para caldera sin costura para servicio de alta presión igual al ASTM 192.

SA.209 → Tubos de acero al carbono-molibdeno, para calderas y Sobrecalentadotes.

SA.226 → Tubos de acero al carbono electrosoldados, para calderas y Sobrecalentadores de alta presión.

1.4.4.3 PROCESO DE FABRICACIÓN DE LA CALDERA PIROTUBULAR

Como se menciono anteriormente, la selección de estos elementos se hará empleando el código ASME “ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE SECTION 1 POWER BOILERS”.El diseño de estos elementos consistirá principalmente en la determinación de sus espesores, obtenidos a base de formulas experimentales planteadas por el ASME, los que están en función de la máxima presión de trabajo admisible.

Las calderas Pirotubulares por tratarse de un recipiente a presión, sometido a presión y temperatura, debe tenerse especial cuidado en elegir el material y proceso adecuado. Además se recomienda considerar el diseño cilíndrico pues asegura la eliminación de acumulaciones de sedimentos y puntos calientes.

1. LAS PLACAS PORTATUBOS – ESPEJOS

Estos elementos por ser de tipo plano, son los que más resisten el esfuerzo de la caldera, siendo también las que más se deforman luego de cierto período de trabajo.Estos elementos se unen con todas las otras partes del recipiente a presión: casco, cámaras de combustión y tubos.

Las placas se conforman partiendo de planchas planas, cortadas en forma circular externa e internamente, mediante oxicorte con su respectivo bisel de soldaduras para su posterior unión con el casco y cámara de combustión.

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

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

El diámetro de las perforaciones deberá ser adecuado a los tubos a emplear, con la tolerancia y redondez adecuada.

Esta característica se logra con el proceso final

de limado, debiendo quedar la medida final de la perforación en valor diametral mayor que el diámetro exterior del tubo entre el 20% y 60% del espesor del tubo.

I. LAS PLACAS PORTATUBOS – ESPEJOS

Según código ASME recomienda los siguientes diámetros de Caldera de acuerdo a la potencia de la misma:

Potencia Diámetro (BHP) (Pulgadas)

De 20 a 60 - 42De 60 a 100 - 48De 100 a 150 - 60De 150 a 225 - 64De 225 a 350 - 76De 350 a 400 - 82De 400 a 600 - 88De 600 a 700 - 96De 700 a 800 - 112

Por lo tanto como la potencia de la caldera a diseñar es de 30 BHP consideraremos:

Diámetro = 42 pulgadas

El código ASME para Calderas, plantea las recomendaciones de cálculo para placas reforzadas con tirantes. El artículo PG-46 del código, trata sobre espesores de placa requerida por una determinada presión admisible, influyendo también el espaciamiento entre los tirantes o paso. En este artículo se plantea mediante una ecuación que, para una misma presión, a menor espesor de placa el espaciamiento entre refuerzos debe ser menor, o que para un mismo espesor, a menor espaciamiento de tirantes la placa soportará mayor presión.Expresando esto con la siguiente ecuación:

2

2 *

p

CTP

Donde:T: Espesor de la placa requerida, expresada en 16avos de pulgadas.P: Máxima presión de trabajo admisible (PSIG)p: Máximo paso medido entre los centros de dos tirantes adyacentes en la placa, esta distancia puede ser en forma vertical, horizontal o diagonal en pulg.C: Constante que varía según el tipo de tirante.

I. LAS PLACAS PORTATUBOS – ESPEJOS

(psig)

I. LAS PLACAS PORTATUBOS – ESPEJOS

El artículo PFT-26 recomienda, para Calderos Pirotubulares un valor C = 135 con el fin de hallar un máximo espaciamiento o paso.Asimismo el artículo PFT-26.5, expresa que para tirantes diagonales soldados en calderas horizontales del tipo escocesa, el paso máximo puede ser más de 8 1/2” pero en ningún caso excederá 15 veces el valor del diámetro del tirante.Para nuestro diseño:

P = 150 PSIG Presión de diseño

Para lo cual se pide calcular la placa. Tener presente según código ASME sección I PFT-9 el mínimo espesor para las placas portatubos está limitado también por su diámetro de acuerdo a la siguiente tabla: Diámetro de la placa Espesor mínimo

Pulg. Pulg.Hasta 36 1/4De 36 a 54 5/16De 54 a 72 3/8Más de 72 1/2

Por lo tanto asumiendo un espesor de placa de ½ pulg. que equivale a 8/16 de pulgada con el valor de C = 135 se hallara el paso máximo de los refuerzos.Luego se tiene como dato de cálculo para:T = 8, P = 150 PSIG ,C = 135

Reemplazando en la ecuación tendremos:

5/8" 7"59.7

6.57150

135*8* 2/1

2/122/12

pp

P

CTp

Posteriormente con la distribución de los tubos se recalculará por ver si de todas maneras necesita refuerzos.

I. LAS PLACAS PORTATUBOS – ESPEJOS

Conclusión: Para la confección de las placas portatubos se seleccionara el material Acero al Carbono Calidad ASTM 285ºC, 1/2” de espesor y 42” de diámetro.

II. EL HOGAR O CAMARA DE COMBUSTION

Es importante mencionar que la cámara de combustión o Flue se conforman de planchas planas, las mismas que son curvadas o roladas en frío para luego ser soldadas.La cámara de combustión debe confeccionarse con una adecuada tolerancia de redondez a fin de poderse unir satisfactoriamente con las placas –espejos. Se recomienda como una forma práctica que la desviación 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., garantizando una buena unión.ºTomando en cuenta que el caldero a diseñar es de 30 BHP seleccionaremos un Flue liso.Para el caso en que el Flue sea liso, el código ASME cuya norma es PFT-15 establece los espesores del Flue en función de la presión admisible y el diámetro exterior.Cuando el espesor del Flue es menor o igual que 0.023 veces el diámetro del Flue se puede plantear la siguiente ecuación, es decir: 023.0/ Dt

3710

oD

tP , psig

II. EL HOGAR O CAMARA DE COMBUSTION

Cuando el espesor del Flue es mayor que 0.023 veces el diámetro exterior del Flue se puede plantear la siguiente ecuación, es decir: 023.0/ Dt

275-17300

oD

tP

Donde:P: Presión de trabajo máximo admisible o de diseño (PSIG)t: espesor del Flue (pulg.)D: diámetro exterior del Flue (pulg.)

, psig

Para nuestro diseño sabemos que: P = 150 psig.

ASME recomienda que el diámetro exterior del Flue esté dentro del rango de 35 al 50% del diámetro interior del casco o diámetro de la placa

Por lo tanto para nuestro diseño consideraremos el diámetro exterior del Flue:Do = 16 pulg. , que equivale al 38% del diámetro de la placa (42”)

Además, considerando un espesor equivalente a 7/16” obtendremos que la relación (lo mínimo es 5/16”).

0.0230.0271616

7

oD

t

Por tal motivo utilizaremos:

psig 198

275-027.017300

275-17300

P

P

D

tP

o

El cual es mayor que la presión de diseño que es de 150 psig por lo tanto es correcto dicho espesor.

II. EL HOGAR O CAMARA DE COMBUSTION

Conclusión:Conclusión: Nuestra cámara de combustión será hecha de Material Acero al Carbono Calidad ASTM285ºC de 1/2” (pues de 7/16” no existe en el mercado) y de diámetro exterior igual a 16”.

De las normas ASME aplicaremos ciertas aplicaciones adicionales, las cuales mencionaremos a continuación:

NOTA IPARA CALCULAR LA LONGITUD CIRCUNFERENCIAL DEL FLUE SE PROCEDE A:

Lcf = πDm

Donde:

Lcf = Longitud circunferencialDm = Diámetro medio del Flue = Do – t

Lcf =π (16-1/2) Lcf =48.69” Lcf =48 3/4”

NOTA II

PARA FLUE U HOGAR CON ANILLOS REFORZADOS

Para el caso del Flue reforzado con anillos la norma PFT-17 del código explica las reglas para el cálculo de este tipo de Flue.En la figura 1 se muestra las características constructivas de este Flue.Para todos los cálculos de este Flue se tiene, en la figura1 la siguiente nomenclatura:

Do : Diámetro exterior del Flue liso (pulg.)t : Espesor mínimo requerido para el Flue (pulg.)L : Longitud del diseño del Flue anillado. Tomado como la mínima

distancia entre centros de anillos reforzados adyacentes o la distancia entre el centro del anillo de refuerzo con el centro de la soldadura de

unión del Flue con la placa (pulg.)P : Presión de trabajo máxima admisible (PSIG)

NOTA II

Fig. 1 Detalles constructivos del flue u hogar reforzado con anillos

Las condiciones a cumplir, previas al cálculo son:

Espesor del anillo: Tr5/16” ≤ Tr ≤ 13/16” Tr ≤ 1.25t

Relación altura-espesor del anillo: Hr/Tr

3 ≤ Hr/Tr ≤ 8

Espesor mínimo del Flue: t = 5/16”Espaciamiento L: menor que 60t ó 36”Temperatura de diseño de Flue = 385ºCSegún los cálculos de transferencia de calor es 725ºF. Los pasos a seguir para las dimensiones del Flue son:Se asume el valor de t y L, se determina las relaciones L/Do y Do/t.

NOTA II

En la figura 2 con el valor de L/Do interceptar horizontalmente con la curva Do/t.Desde este punto interceptar verticalmente con la curva de la temperatura (725ºF para nuestro caso).Desde este último punto, interceptar horizontalmente hasta hallar el valor del factor B.Comparar el valor de Pa’ calculada con el de P. Si Pa’ es menor, seleccionar un espesor de Flue “t” más grande o un valor menor de L con el fin de incrementar Pa’ hasta que sea igual o mayor que P.Se calcula el valor de la presión admisible Pa’ resultante según:

NOTA II

/

'toD

BPa (psig)

Cuando se halla cumplido los requisitos de la presión, se sigue con los requisitos del momento de inercia se la sección del anillo que viene un rectángulo Hr x Tr.

NOTA II

Fig. 7.3

PFT-17

Chart for detrmining wall thickness of ring-reinforced furnaces when constructed of carbon steel (specified yield strength 30,000 to 38,000 psi)

El momento de inercia requerido del anillo circunferencial debe ser mayor que IS

calculado según:

)(pulg 14

*)(**4

2 AL

AtLD

I

so

s

Donde:Is: Momento de Inercia requerido del anillo de refuerzo respecto a su eje neutro

paralelo al eje del Flue (pulg4).As: Área seccional del anillo de refuerzo (pulg2)

A: Factor obtenido en la figura 2

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

1º Teniéndose conocido Do, L, t seleccionar Hr y Tr, calcular el área As: (As = Hr x Tr.) y determinar su momento de inercia I :( ), luego calcular el

factor B, factor del lado derecho del ábaco de la Fig. 7.3 de la siguiente manera:

3HrTr x 12

1I

NOTA II

L

At

DPB

s

o

*

2º.- En el ábaco de la Fig. 7.3 interceptar horizontalmente el valor de B calculado con la curva de la temperatura.

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

4º.- Evaluar el momento de inercia requerida Is según la formula

anterior de Is.

5º.- Si Is calculado en el 4to paso es menor que I calculado en el paso

1º la sección del anillo asumido es correcta, pero si no lo es, seleccionar otros valores de Hr y Tr hasta que Is< I.

NOTA II

NOTA III

PARA EL FLUE CORRUGADOA continuación se procederá a dimensionar el Flue del tipo corrugado, para lo cual se recurrirá a la norma PFT-19, la cual establece que la máxima presión de trabajo admisible, para un Flue con porciones lisas en los extremos no mayores que 9”, se puede obtener de la siguiente manera:

(psig) *

D

tCP

Donde:P: Máxima presión de trabajo admisible (psig)t: Espesor de Flue, no menor que 5/16”.D: Diámetro medio del Flue corrugado (pulg.)C: Constante que varía con las características de las ondulaciones del Flue.

C = 17300 para corrugaciones no mayores que 8” de centro a centro y profundidad no menor de 2 ¼”.

C = 14000 para corrugaciones no mayores que 8” de centro a centro y profundidad no menor de 1 1/2”.C = 10000 para corrugaciones no mayores que 18” de centro a centro y profundidad no menor de 1 1/2” y apropiado para Flues hechos mediante roblonado.

III. TUBOS DE FUEGO

El código ASME en su artículo PFT-12 establece los requerimientos para el espesor del tubo en función de su diámetro exterior, obteniéndose como resultado la máxima presión de trabajo admisible.

Se debe también conocer que la fijación de los tubos se hace de diversas formas, siendo la forma más usada en calderas Pirotubulares de presión de hasta 300 PSI el emplear el expandido mecánico (en frío) mediante una herramienta especial que abre el extremo del tubo hasta ajustarlo contra el borde de la perforación en la placa-espejo.

Generalmente el proceso de expandido le sigue el rebordeado del extremo del tubo para asegurar una mejor unión.Esto se practica mayormente en el extremo del tubo correspondiente a la cámara de combustión.

También es usado en las calderas, la unión soldada del tubo en la placa, sobre todo en la placa posterior (lado contiguo a la cámara de combustión).

Además la tabla PFT-12.1 del Código ASME expone las máximas presiones de trabajo en función del diámetro del tubo y su espesor.

Para nuestro caso sabiendo que nuestro caldero es de 30 BHP; se recomienda utilizar tubos de hasta 2 ½” de diámetro para poder asegurar una buena transferencia de calor.

Por lo tanto seleccionando tubos de 2” de diámetro vamos a la tabla del Código ASME PFT-12.1 y vemos que para una presión máxima de 210 PSIG, el tubo debe tener un espesor de 0.095 pulg. equivalente a un numero Bwg de 13.

Para calcular la cantidad de tubos de 2” de diámetro que necesitamos en nuestro caldero de 30 BHP procederemos a realizar el detalle de la placa portatubos tomando en cuenta que:

Diámetro de la placa = 42 pulg.Diámetro exterior de Flue = 16 pulg.Diámetro exterior de los tubos = 2 pulg.

III. TUBOS DE FUEGO

Tener presente que es un caldero de 3 pasos donde se tiene que separar dos zonas para dichos tubos de 2 pulg., en la parte posterior.

Esta separación debe de bordear el Flue; y puede ser recta o con líneas quebradas.

Para nuestro caso seleccionaremos la de línea recta y el centro del Flue se encontrará debajo del centro de la placa (pueden coincidir ambos centros dependiendo del diseño).

III. TUBOS DE FUEGO

Además tener presente que en el caldero existirán dos zonas bien marcadas, la zona inferior o de agua y la zona superior o de vapor; la altura diametral de la cámara de vapor se recomienda que esté en el rango del 15 al 35% del diámetro interior del casco o diámetro de la placa portatubo.

Considerando para nuestro diseño una altura diametral de la cámara de vapor igual a 8 1/2’’ (pues 8 ½’’ entre 42’’ equivale al 20% lo cual está entre el rango considerado), además el centro del Flue se encuentra 7 pulg. debajo del centro de la placa (verticalmente) tal como se indica en la figura de la distribución de tubos.

Prácticamente se recomienda que la separación entre tubos debe ser de 1 pulg. aproximadamente. Por tal motivo se empieza a detallar la placa portatubo indicando al Flue y la cantidad de tubos de 2” de diámetro que alcanzarían; llegando a concluir que en lado del 2do paso (lado inferior) alcanzaron 36 tubos de 2 pulg. de diámetro; y en el lado del 3er paso (lado superior) alcanzaran 21 tubos de 2 pulg. de diámetro, dando un total de 57 tubos de pulg. de diámetro.

F 42"

F 16"

F

F

TABLE PFT-12.1

MAXIMUM ALLOWABLE WORKING PRESSURES FOR STEEL OR TUBES OR FLUES FOR

FIRE TUBE BOILERS FOR DIFFERENT DIAMETERS AND CAGES OF TUBES CONFORMING TO

THE REQUIREMENTS OF SPECIFICATIONS SA-192 OR SA-178

Wall NearestS i z e O u t s i d e D i a m e t e r, In.

thickness Dwg

In. No 1 1 1/2 1 1/4 2 2 1/4 2 1/2 3 3 1/4 3 1/2 4 4 1/2 5 5 3/8 5 1/5 6

0.095 13 420 280 240 210 190 170 … … … … … … … … …

0.105 12 560 380 320 280 250 230 190 180 160 … … … … … …

0.12 11 770 520 440 390 350 310 260 240 220 200 180 … … … …

     

0.135 10+ 980 660 570 490 430 400 330 310 280 250 220 200 … … …

0.15 9+ … 800 680 600 530 480 400 370 340 300 270 240 230 220 …

0.165 8 … 940 800 700 630 560 470 430 400 350 320 280 270 260 240

     

0.18 7 … … 920 810 720 650 540 500 460 410 360 330 300 300 270

0.2 6- … … 1090 950 840 760 630 590 540 480 420 380 360 350 320

0.22 5 … … 1240 1090 970 870 730 670 620 550 490 440 410 400 370

0.24 4+ … … 1410 1230 1090 990 820 760 700 620 550 490 460 450 410

III. A CÁLCULO DE LA LONGITUD DE LOS TUBOS DE 2 PULG DE DIAMETRO: LT

DATOS:Diámetro de las placas : Dp = 42 pulg.

Numero de placas : Np = 2

Espesor de las placas : ep = 1/2 pulg.

Diámetro ext. del Flue : Do = 16 pulg.

Número de Flue : Nf = 1

Espesor del Flue : ef = 1/2 pulg.

Diámetro ext. de los tubos : Dt = 2 pulg.

Numero de tubos : Nt = 57

Espesor de los tubos : et = 0.095 pulg.

Potencia de la caldera : Qº = 30 BHPSuperficie de calefacción : Sc = 150 pies2Longitud entre placas : Lp = ?

Solución: Considerando que:

ppffttc SNSNSNS

Donde:St: Superficie de calefacción de un tubo

Sf: Superficie de calefacción del Flue

Sp: Superficie de calefacción de una placa portatubo

CÁLCULO DE LA LONGITUD DE LOS TUBOS DE 2 PULG DE DIAMETRO: LT

Calculo de la Superficie de calefacción de un tubo St:

2pulg 668.5

)095.0*22(

)2(

pt

pt

pttt

LS

LS

LeDS

CÁLCULO DE LA LONGITUD DE LOS TUBOS DE 2 PULG DE DIAMETRO: LTCalculo de la superficie de calefacción del Flue Sf:

2pulg 124.47

)5.0*216(

)2(

pt

pt

pfof

LS

LS

LeDS

Calculo de la superficie de calefacción de la placa portatubo Sp:

2

222

222

pulg 313.1005

062.201071.179446.13854

)16(

4

)2(57

4

)42(

444

p

p

p

ff

tt

pp

S

S

S

DN

DN

DS

Cálculo de la longitud entre placas (Lp)

CÁLCULO DE LA LONGITUD DE LOS TUBOS DE 2 PULG DE DIAMETRO: LT

Reemplazando en la formula general:

p

pp

ppc

L

LL

LLpie

pupieS

226.371374.19589

626.2010124.47102.32421600

)313.1005(2124.47)686.5(571

lg144*150

2

22

Por lo tanto: Lp = 52.769 pulg.Que equivale: Lp = 52 7/8 pulg.

Calculo de la longitud de los tubos (LT):

Teniendo en cuenta que el caldero a diseñar es de espalda seca:

tppt aeLL 22

Donde:at: Ala en los extremos de los tubos con respecto a las placas portatubos, el cual se recomienda que sea 1.8 pulg. el cual nos permitirá realizar posteriormente el respectivo expandado y rebordeado o calafateado (como mínimo puede ser equivalente al espesor del tubo).

Reemplazando:

pulg 1/8 54

)8/1(2)2/1(27/8 52

t

t

L

L

Conclusión:Necesitaremos 57 tubos para caldera de calidad Acero al Carbono – ASTM 192 de 2 pulg. de diámetro y 0.095 pulg. de espesor con Bwg 13 con una longitud equivalente de 54 1/8 de pulgada

CÁLCULO DE LA LONGITUD DE LOS TUBOS DE 2 PULG DE DIAMETRO: LT

IV. TIRANTES DE REFUERZO EN PLACAS PORTATUBOS

Las placas están sujetando a los tubos para lo cual estas poseen agujeros a los que se fijan los tubos, ya sea por medio de soldaduras o por expansión, por lo que los tubos también sirven de tirantes en la zona inferior de las placas portatubos; luego existe una zona libre en su parte superior denominado zona de cámara de vapor.En esta zona libre de tubos, es practica casi general el colocar refuerzos para contrarrestar la ausencia de tubos.Estos refuerzos pueden ser perfiles estructurales unidos a las placas, tirantes de sección circular que van de placa a placa (a manera de tubo) o tirantes diagonales que conectan la placa con el casco.Estas uniones pueden ser remachadas, roscadas o soldadas, siendo esta ultima modalidad la más empleada actualmente. En la Fig. 3 se muestran las formas de reforzar las placas de la caldera.

Figura N. º 3

FORMAS DE REFORZAR LAS PLACAS DE LA CALDERA

IV. TIRANTES DE REFUERZO EN PLACAS PORTATUBOS

El articulo PFT-30.2 del Código ASME indica la exigencia o no de usar refuerzos en la placa portatubos; indicando que se debe emplear necesariamente refuerzos si la distancia entre bordes de tubos excede al máximo paso p calculado según el artículo PG-46 que dice:

2

2 *

p

CTP

Donde: T: Espesor de la placa requerida, expresada en 16avos de pulgadas.P: Máxima presión de trabajo admisible (PSIG)p: Máximo peso medido entre los centros de dos tirantes adyacentes en la placa , esta distancia puede ser en forma vertical, horizontal o diagonal en pulg.C: Constante que varía según el tipo de tirante.El criterio para la no exigencia de refuerzos en una placa portatubos, establece que si todas las distancias radiales, en el caso de la caldera, comprendida entre las superficies interior del casco y una recta tangente a dos tubos (o el Flue con un tubo) son menores que 1.5 veces el valor del paso p obtenido según el artículo PG-46, con C = 112; la placa no necesita tirantes.

La explicación de la distancia de la tangente se explica gráficamente en la figura Nº 4.Esto se resume de la siguiente manera:Si y ≤ 1.5p entonces no necesita tirantes.Aplicando este criterio en el presente diseño reemplazamos en la ecuación anterior teniendo como datos:T = 8, pues el espesor seleccionado del Flue es de ½ pulg.P = 150 PSIG.C = 112 condiciónPor lo tanto:

pulg 6.913

150

112*8*2/122/12

p

P

CTp

IV. TIRANTES DE REFUERZO EN PLACAS PORTATUBOS

Figura Nº 4

CRITERIOS PARA CONOCER LA NECESIDAD

DE TIRANTES EN LA CALDERA

En el dibujo del detalle de la distribución de tubos en placa portatubos (sección cálculo de tubos) se ve que el valor máximo de Y es de 8 ½ pulg. más 2 pulg. igual a 10 ½ pulg.El producto 1.5p tiene como resultado 10.37 pulg.Como apreciamos el valor de 1.5p (10.37pulg.) es menor que el máximo valor de Y (10 ½ pulg.) por lo que sería necesario colocar tirantes a las placas de las calderas que se está diseñando.Teniendo como dato previo el número de tirantes a emplear de acuerdo a la disponibilidad de espacio y del paso o distancia descritas anteriormente, remitiéndose a la figura del detalle de distribución de tubos (sección cálculo de tubos y al detalle general de la Fig. Nº 5) se ve que es posible colocar tres o cuatro tirantes.

IV. TIRANTES DE REFUERZO EN PLACAS PORTATUBOS

Según el código ASME para determinar la carga total que soportarán los tirantes se multiplicará el área libre a atirantar por la presión de trabajo máximo admisible.

El artículo PFT-31.2 de este código, establece que para placas planas, no rebordeadas o embridadas, el área a reforzar esta delimitada por el borde exterior de la placa, en la parte superior y una línea que pasa 2 pulg. encima del borde superior de la primera fila de tubos.

En la figura Nº 5 se muestra este criterio.

Figura Nº 5

AREA A SER REFORZADA POR LOS TIRANTES

Según el artículo PFT-31.3.2 el área neta a ser reforzada se determinará por la siguiente fórmula:

)(pulg )608.02

(3

)2(4 22/12

H

DHA ic

Donde:A : Area a ser reforzada (pulg2)H : Distancia de los tubos al casco = 10 ½ pulg.Dic: Diámetro interior del casco = 42 pulg.

Reemplazando:

2

1/2

2/12

lg53.200

33)96.333(4.3 A

)608.021/2 10

42(

3

)21/2 10(4

puA

A

IV. TIRANTES DE REFUERZO EN PLACAS PORTATUBOS

De acuerdo al artículo PFT.33.2 el tirante se calcula tomando como su esfuerzo de diseño (St) igual a 6000 PSI.

Entonces el área seccional (a) considerando a los tirantes como rectos es:

))(( Dtt

t

Sn

Fa

Donde:a : Área seccional del tirante considerado como recto en pulg.2 Ft : Fuerza total soportado por los tirantes = 30079.50 lb.

nt : Numero de tirantes a colocar.

SDt: Esfuerzo de diseño del tirante = 6000 PSI.

IV. TIRANTES DE REFUERZO EN PLACAS PORTATUBOS

De acuerdo al artículo PFT-27.1 la fuerza total absorbida por los refuerzos (Ft)

resulta del producto del área A por la presión manométrica de trabajo máximo admisible que para nuestro diseño es 150 PSIG.Luego:

librasF

PAF

t

t

50.30079

)150)(53.200(*

IV. TIRANTES DE REFUERZO EN PLACAS PORTATUBOS

Por lo tanto:Para nt = 3

2pulg 67.1

)6000)(3(

50.30079

a

a

Para nt = 4

2pulg 25.1

)6000)(4(

50.30079

a

a

Como los tirantes a utilizar son diagonales, esta área (a) tiene que corregirse de acuerdo al ángulo de inclinación del tirante respecto a la generatriz del casco. Para el presente caso se colocarán los tirantes con una inclinación de 15º respecto a la generatriz.

Según esto el área seccional final del tirante es At que según el artículo PFT-32.1 del Código se determina :

cos ó

* aA

I

LaA tt , pues

L

Icos , ver figura Nº 3

IV. TIRANTES DE REFUERZO EN PLACAS PORTATUBOS

En esta ecuación:At : Área seccional del tirante (pulg.2)

a : Área seccional del tirante calculado como recto (pulg.2)L : Longitud del tirante diagonal (pulg.)I : = Proyección del tirante diagonal sobre el casco (pulg.)Α : Angulo de inclinación del tirante respecto al casco.

Con esto, para 3 tirantes:

2

0

pulg 73.1

9659.0

67.1

15cos

67.1

cos

t

t

A

aA

Para 4 tirantes:2

0

pulg 29.1

9659.0

25.1

15cos

25.1

cos

t

t

A

aA

Por lo tanto, calculando el diámetro del tirante: Dt

Para 3 tirantes:lg 48.1

)73.1(44

4

2/12/12

puDA

DD

A tt

tt

t

Para 4 tirantes:

lg 25.1)29.1(44

4

2/12/12

puDA

DD

A tt

tt

t

Se escoge el refuerzo mediante cuatro tirantes de 1 ¼ pulg. de diámetro y de longitudes iguales colocados igualmente espaciados entre ellos y cada uno a la misma distancia del casco. En la figura Nº 6 se indica esta disposición.

IV. TIRANTES DE REFUERZO EN PLACAS PORTATUBOS

Figura Nº 6

DISPOSICION DE LOS TIRANTES EN EL CASCO

V. CASCO

Es importante mencionar que el casco se conforma de planchas planas, las mismas que son curvadas o roladas en frío, para luego ser soldados.Debe confeccionarse con una adecuada tolerancia de redondez a fin de poderse unir satisfactoriamente con las placas-espejos.Se recomienda como una forma práctica que la desviación diametral de esta parte no deba exceder a una vez el espesor de ella, pero siempre se debe considerar la holgura necesaria para el posterior trabajo de soldadura garantizando una buena unión.En el acápite PG-27 del código ASME trata sobre componentes cilíndricos o bajo presión, la norma PG-27.2.3.1 plantea las siguientes ecuaciones:Para espesores “t” hasta 1/2”:

PES

RPt

6.0*8.0

*

tR

TESP

6.0

**8.0

V. CASCO

Para espesores “t” mayores de 1/2”:

1.0)1(*

*

PyES

RPt

)1.0)(1(

)1.0(**

tyR

tESP

Donde:t : Espesor mínimo recomendado (pulg.)P : Presión máxima admisible = 150 PSIG.R : Radio interior del cilindro = 21 pulg.S : Máxima Esfuerzo admisible del material (PSI)E : Eficiencia de la unión (adimensional)y : Coeficiente de temperatura (adimensional)

V. CASCOTener presente las siguientes notas de referencia según PG-27.4 del código ASME para realizar los cálculos correspondientes.

NOTA 1 : Valores de EE = 1.00 para cilindros sin costuraE = 1.00 para juntas soldadas previendo refuerzos en toda la junta longitudinal.E = 0.90 para juntas soldadas sin refuerzo en la junta longitudinal.E = Eficiencias para ligamentos entre aperturas según PG-53

NOTA 2 : En los tubos para seleccionar el valor de S, la temperatura de trabajo del metal no puede ser tomado menor que la temperatura media (temperatura exterior más temperatura interior sobre dos) lo cual no debe tomarse menor de 700ºF.

V. CASCO

900 y menos 950 1000 1050 1100 1150 y más

Acero Ferrítico 0.4 0.5 0.7 0.7 0.7 0.7

Acero Austénico 0.4 0.4 0.4 0.4 0.5 0.7

Otros valores de y deben ser hallados por interpolación.Para materiales no ferroso: y = 0.4

NOTA 7 : La magnitud de tolerancia del fabricante debe ser tomado en cuenta, después que el espesor mínimo haya sido obtenido por la fórmula, este mínimo espesor deberá incrementarse en una magnitud tal que contemple esta tolerancia de manufactura.

NOTA 8 : Cuando se calcula la máxima presión para un espesor ya establecido los valores obtenidos por las fórmulas pueden redondearse a la unidad

de 10 más cercano superiormente.

NOTA 6 : y: coeficiente que toma los siguientes valores:

Temperatura ºF

NOTA 11: La máxima presión admisible P no necesita incluir la carga hidrostática cuando se usa en esta fórmula.

Por lo tanto siguiendo con nuestro diseño y suponiendo que nuestro espesor será menor de ½ pulg. aplicaremos la 1ra. Ecuación. Donde S se obtiene de la tabla PG-23.1 Tablas 1A y 1B de la seccion II parte D de ASME.Seleccionando el material Acero al Carbono calidad ASTM 285 ºC vamos a dicha tabla y comprobamos que para una temperatura de 700ºF. S equivale a 13300 PSI.Además E será igual a 1.00 obtenido de la nota de referencia Nº 1 de PG-27.4Reemplazando obtendremos que:

V. CASCO

pulg 0.298 t

0.6(150) - (1.00)0.8(13300)

150(21) t

Donde comprobamos que t es menor que ½ pulg.

V. CASCO

Además cuando en la zona donde funcionará la caldera, se tiene la seguridad que por sus condiciones climatológicas y operativas van a tener problemas de corrosión se recomienda incrementar este espesor mínimo hasta en 1/16 pulg. (0.0625 pulg.).Por lo tanto el espesor del casco de la caldera diseñado será de:tc = 0.298 + 0.0625 = 0.3605 pulg. = 3/8 pulg.

Conclusión:El material a utilizar para el casco será el Acero al Carbono calidad ASTM 285 ºC de 3/8” pulg de espesor y de 42 pulg. de diámetro interior

V. CASCOV. A. Cálculo de la longitud circunferencial del casco: Lc

Lc= π (D - tc) pulg.

Donde:D: diámetro interior del casco = 42 pulg.tc: espesor del casco = 3.8 pulg.

Lc= π (42 – 3/8)Lc= 133.125 pulg.Lc= 133 1/8 pulg.

V. B. Longitud Longitudinal total del casco: L

V. CASCO

Considerando que el caldero a diseñar es de 3 pasos y con cámara seca posteriormente, se recomienda en forma práctica para permitir una buena circulación de los gases de combustión que la profundidad en la parte posterior (PP) entre placa portatubo posterior y tapa posterior debe ser mayor al 23% o del diámetro interior del casco y la profundidad en la parte delantera (PD) entre placa portatubo delantera y tapa delantera debe de ser mayor del 14% o del diámetro interior del casco.Por lo tanto considerando la profundidad posterior (PP) equivalente a 11 pulg. y la profundidad delantera (PD) igual a 7 pulg. obtendremos.

L = PD + 2ep + Lp + PP

Donde:ep : espesor de las placas portatubos = ½ pulg.Lp : longitud entre placas = 52 7/8 pulg.

Reemplazando:L = 7 + 2(1/2) – 52 7 8 + 11L = 71 7/8 pulg.

DETALLE DE LONGITUD LONGITUDINAL DEL CASCO : L

Nota Especial según Normas ASME:Cálculo de la Longitud Longitudinal del Flue: LL

Según nuestro diseño el FLUE debe de sobresalir 2 pulg. en la parte delantera (FD), para poder permitir montar y desmontar las tapas delanteras sin necesidad de desmontar el quemador.Además en la parte posterior considerando que el caldero es de cámara seca el Flue debe de sobresalir de la placa portatubo posterior como mínimo el tamaño de su espesor (EP) que para nuestro caso será de ½ pulg.Por lo tanto:

LL = FD + PD 2ep + Lp + EP

LL = 2 + 7 + 2(1/2) + 52 7/8 + ½LL = 63 3/8 pulg.

Conclusión:El Flue u horno o cámara de combustión se hará de material Acero al Carbono calidad ASTM 285 ºC de ½ pulg. de espesor, de 16 pulg. de diámetro exterior y un longitud total longitudinal de 63 3/8 pulg.

V. CASCO

DETALLE DE LONGITUD LONGITUDINAL DEL FLUE : LL

1.4.5 PARÁMETROS INDUSTRIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN PARTE MECÁNICA II

1.4.5.1 COPLES SOLDABLES

Teniendo presente que la caldera es un generador de vapor a presión tenemos que tener presente que constará de coples para la instalación de líneas tanto de salidas como de entradas de fluidos, es así que para nuestros casos necesitaremos:

A. Para salida de vapor:

Que es el fluido que se va ha generar en el caldero y que luego sedescargará de este.Sabiendo que según código ASME que las velocidades de fluido varían consu presión, recomiendan la siguiente tabla:

De 0 a 50 PSI una velocidad de 4000 a 6000 pies/minDe 50 a 199 PSI una velocidad de 600 a 10000 pies/minDe 200 PSI a más una velocidad de 7000 a 12000 pies/min

TABLA Nº 5

De tabla 5 sabiendo que la caldera es de 30 BHP y la temperatura de ingreso de agua es de 60ºF comprobamos que el factor de evaporación que relaciona la capacidad de la caldera con la presión de diseño será igual 28.7 tomando en cuenta que la presión de diseño es de 150 PSI calculamos el flujo de masa para dicha presión:

om )150(

Donde:caldero del m )150( xPotenciafev

o

30*7.28m )150( o

Hr vapor / de libras 861 )150(

om

Además de la tabla de vapor obtenemos el volumen específico del vapor saturado a 150 PSI el cual es:

lbpiev /76.2 3

A. Para salida de vapor:

De la tabla anterior seleccionamos una velocidad:V = 8000 pies/min

Con estos datos obtendremos el diámetro del cople de la salida de vapor, mediante la siguiente ecuación sabiendo que:

om=

v

AV

Donde:

: Flujo de vapor a 150 PSIG = 861 lbs hr

A. Para salida de vapor:

omV : velocidad de tabla = 8000 pies minv : volumen específico del vapor = 2.76 pie3 /lb.A : Área del cople (pulg2)

A. Para salida de vapor:

Reemplazando:

min60

1

1

lg144

8000

76.28612

2 Hr

pie

pu

V

vmA

o

A = 0.713 pulg2

4

2DA

Donde:D : diámetro interior de la copla (pulg.)

2/12/1713.404.4

D

D = 0.95 pulg.

Además

Por lo tanto el diámetro mínimo de la copla deberá ser aproximadamente de 1 pulg. pero como nuestro caldero a diseñar trabajará posiblemente a 50 PSI haremos otro cálculo para seleccionar un diámetro de cople mayor.Para las mismas condiciones vamos a la tabla 5 y obtenemos el 1.29evf

Por lo tanto:caldero del m )50( xPotenciafev

o

30 x 29.1 m )50(

o

Hr vapor / de libras 873 m )50(

o

Además de tabla de vapor obtenemos el volumen específico de vapor saturado a 50 PSIG el cual es:

lbpiev /68.6 3

Y de la tabla anterior seleccionamos la velocidad:V= 6000 pies/min

A. Para salida de vapor:

Reemplazando estos nuevos datos en la siguiente ecuación:

2

2

2o

pulg 2.33 A

min60

1

1

lg144

6000

68.6(*)873m

Hr

pie

pu

V

vA

Por lo tanto reemplazando el área en la siguiente ecuación:

pulg. 1.72 D

97.233.2(*)44 2/1

2/12/1

A

D

Conclusión:A nuestro caldero a diseñar se le colocará un cople de 2 pulg. de diámetro x 300 PSI de vapor soldable y roscado. Al mismo tiempo este caldero no podrá regularse a menos de 50 PSI aproximadamente pues para ello deberíamos aumentar el diámetro del cople; más bien si podría trabajar a más de 50 PSIG pues con una válvula globo a la salida de vapor fácilmente se podría regular el flujo de vapor dependiendo de la presión a la que trabajará la caldera.

A.1BAFFLE INTERNAMENTE AL COPLE DE LA SALIDA DE VAPOR

A. Para salida de vapor:

Para evitar que el vapor arrastre líquido es decir humedad, se recomienda instalar una especie de filtro de vapor denominado baffle, para el cual habría que calcular la cantidad de agujeros, de preferencias de ½ pulg. que deberían tener:Sabiendo que el cople es de 2 pulg. de diámetro, teóricamente:

Área del cople = N x Área del aguajero del baffle

Donde:N = Número de agujeros del baffle

44

22 dN

D

A.1 BAFFLE INTERNAMENTE AL COPLE DE LA SALIDA DE VAPOR

Donde:D : Diámetro del copled : Diámetro del agujero del baffle

16

2

1

)2(2

2

2

2

d

DN

por lo tanto:

16N

D2 = Nd2

1.4.5.1 COPLES SOLDABLES

El agua es el fluido del cual se alimentará la caldera, y que al recibir calor se convertirá en vapor.Sabiendo además que el caldero a diseñar generará 1035 libras de vapor/Hr a presión atmosférica, necesitamos ingresar esta misma cantidad de agua al caldero, sabiendo además que el agua ingresará a 60ºF como mínimo; vamos a tabla y obtenemos el volumen específico del agua a esta temperatura el cual es v = 0.119938 galones / libra. Por lo tanto obtendremos el mismo flujo de agua a ingresar a la caldera de la siguiente ecuación:

vmo

*VoDonde:

om : Flujo de agua en galones/min (GPM)om : flujo de masa de agua mínima = 1035 lb/Hr

B. PARA AGUA DE ALIMENTACIÓN

v : volumen específico = 0.119938 galones/lb

B. PARA AGUA DE ALIMENTACIÓN

min60

1119938.01035V

o Hr

lb

galones

Hr

lb

min/07.2Vo

galones

GPM07.2Vo

Se recomienda que el flujo a ingresar al caldero sea el doble o hasta el triple del flujo mínimo.Para nuestro caso consideraremos un , y una presión máxima de 150 PSI.

GPM5Vo

Además de tablas se debe de considerar una velocidad entre 150 a 300 pies/min que es la recomendable para flujos de agua en general.Para nuestros cálculos consideraremos 150 pies/min que es lo más crítico.Por lo tanto:

333o

lg12

1

1

lg231

min5V

pu

pie

galon

pugalones

min/668.0V 3o

pie

B. PARA AGUA DE ALIMENTACIÓN

Además sabiendo que:

VA

oV

; Donde V: velocidad del agua = 150 pies/min

150

668.0A

Reemplazando:

2/12/1641.044

A

D

Tener presente que para calderas el código ASME recomienda que el cople mínimo para la línea de agua de alimentación debe ser de ¾ pulg.

Conclusión:Para nuestro caso seleccionaremos un cople soldable con rosca de 1 pulg. de diámetro x 300 PSI de vapor (se recomienda además verificar la conexión de salida a descarga de la electro bomba de agua que se seleccionará para alimentar a la caldera).

A = 0.00445 pie2

D = 0.90 pulg.

La copla seleccionada anteriormente servirá para la alimentación de agua mediante una electrobomba para agua.Además se recomienda que para evitar el constante funcionamiento de la electrobomba, se instale un inyector de agua para el cual necesitamos instalar otro cople de la misma característica que el anterior.Es así que para la instalación de un inyector seleccionaremos una copla soldable y roscada de 1 pulg. de diámetro x 300 psig para vapor.

Nota:Se recomienda que a los calderos mayores de 80 BHP se les instale obligatoriamente un inyector para alimentar de agua al caldero como auxilio a la electrobomba.

1.4.5.1 COPLES SOLDABLES

C. COPLA PARA AGUA DE ALIMENTACIÓN

1.4.5.1 COPLES SOLDABLES

Como un sistema de seguridad mecánico se recomienda instalar una o varias válvulas de seguridad que como mínimo descarguen la misma cantidad de libras de vapor / Hr que se generará en la caldera.Para nuestro caso yendo a seleccionar la válvula de seguridad comprobamos que dicha válvula debe ser de 1 pulg. de diámetro; por tal motivo seleccionaremos una copla soldable con rosca de 1 pulg. de diámetro x 300 psig de vapor..

D. COPLA PARA VÁLVULA DE SEGURIDAD

Sabedores que en el límite entre el agua y vapor se tiende a producirse espuma, lo cual puede ser arrastrada por el vapor a la hora que este se descarga de la caldera, originando que dicho vapor no salga seco sino que arrastre humedad, se recomienda purgar cada cierto tiempo esta espuma, por tal motivo se recomienda para nuestro caldero instalar otra cople soldable con rosca de 1 pulg. de diámetro x 300 psig, de la misma característica que el de la alimentación de agua, el cual se tendrá que empalmar a la línea de drenaje o al tanque de purga si lo hubiera

1.4.5.1 COPLES SOLDABLES

E.- PARA PURGA DE ESPUMA

F.- COPLA PARA PURGA DE FONDO

1.4.5.1 COPLES SOLDABLES

Debido a que en el caldero se van a precipitar sedimentos – caliche, se recomienda eliminarlos mediante purgadas en la parte más inferior de la caldera por tal motivo se recomienda instalar como mínimo un cople que sea el 25% o mayor en cuanto a la capacidad del cople de la alimentación de agua. Es por este motivo que nuestro caldero llevará en el fondo y lado posterior un cople soldable con rosca de 1 ¼ pulg. de diámetro x 300 psig de vapor.

Nota:Para calderas mayores de 80 BHP se recomienda instalar dos coples para purga de fondo.

1.4.5.1 COPLES SOLDABLES

G. PARA INSTALACIÓN DE LA COLUMNA DE NIVEL (SE INCLUYE EN ESTE SISTEMA AL MANÓMETRO, AL LIMITADOR DE PRESIÓN Y CONTROL DE NIVEL TIPO ELECTRODO)

Conocedores de estos controles sabemos que las columnas de nivel marca Mc Donnell Miller que son los más usados internacionalmente, tienen dos conexiones de 1 pulg. de diámetro.Por tal motivo colocaremos dos coplas soldables con rosca de 1 pulg. de diámetro x 300 psig vapor para poder instalar dichos controles.

1.4.5.1 COPLES SOLDABLES

H.- COPLA PARA TEMPERATURA DE CHIMENEA

Para poder controlar la temperatura de salida de gases de combustión del caldero por su chimenea se recomienda colocar una copla soldable con rosca de ½ pulg. de diámetro x 300 psig.El colocar un termómetro en la chimenea es para poder comprobar si la temperatura de los gases o la salida de la chimenea es mayor a la temperatura de rocío de dichos gases lo cual hay que controlar.

1.4.5.2 CHIMENEAS

Sabedores que la fuente generadora de calor nos los proporciona la combustión de los combustibles los cuales recorren el caldero a través de los tubos en forma de gases, los cuales deben de salir de las calderas a través de la chimenea, por tal motivo nuestra chimenea debe de tener 9 ¾ pulg. de diámetro pues el Código ASME recomienda que para calderas de:

Hasta 42 pulg. de diámetro chimenea de 9 ¾” ФDesde 48 a 60 pulg. de diámetro chimenea de 11 ½” ΦDe 64 pulg. de diámetro chimenea de 14 ½” ФDe 76 pulg. de diámetro chimenea de 18” ФDe 82 a 96 pulg. de diámetro chimenea de 28” ФDe 112 pulg. de diámetro chimenea de 34” Ф

1.4.5.3 BASE DE LA CALDERA

El código ASME recomienda que para una caldera de 42 pulg. de diámetro su base debe tener una altura mínima de 12 pulg. desde la parte inferior del casco al piso.Debe estar hecha de planchas de Acero Estructural calidad ASTM 283, de ¼ pulg. de espesor, dejando un buen acceso para la instalación de las tuberías de los drenajes.

1.4.5.4 TAPAS TANTO DELANTERA COMO POSTERIOR

Deben estar hechos de planchas estructurales calidad ASTM 283, de ¼ pulg. de espesor cuando el casco tiene un diámetro de 42 pulg. de interior.La tapa del 2do paso debe recubrirse con refractario (aislante), internamente para evitar tanto la fuga de calor como la deformación de dicha tapa, pues esta zona es una de las más calientes.Para nuestro caso están sujetas el casco y Flue u horno o cámaras de combustión, de nuestra caldera a través de pernos de acero grado 5 de preferencia.

Con el afán de chequear e inspeccionar el estado interno de la caldera se recomienda colocar como mínimo 3 tapas de HAND HOLE, elípticas las cuales pueden ser de 3 pulg x 4 pulg o el de 3 ½ x 4 ½ pulg. Estas deben colocarse una en la parte inferior de la caldera y las otras dos en los lados laterales de la caldera.

OpcionalTambién se recomienda instalar tapas elípticas denominadas MAN HOLE o entrada de hombre para poder inspeccionar mejor la caldera.Estas tapas se deben instalar de preferencia para calderas cuyo diámetro del casco es igual o mayor que 48 pulg.Además se recomienda que dicha tapa elíptica se instale en la parte superior de dicha caldera, y sus medidas más recomendables son de 15 pulg. x 11pulg. y/o de 12 pulg. x 16 pulg. , respectivamente.

1.4.5.5 TAPAS DE REGISTRO O TAPAS HAND HOLE O ENTRADA DE MANO