Social Media de tercera generación el fin del experimento el inicio de la rentabilidad Javier Godoy
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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITCNICA
ANTONIO JOS DE SUCRE
VICERRECTORADO PUERTO ORDAZ
DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA
TRABAJO DE GRADO
INGENIERIA BASICA Y DE DETALLE DE UNA CALDERA DE GAS
PARA UN REFRIGERADOR HIBRIDO SOLAR-GAS
Autor: Br. Javier E. Godoy Rosas
Ciudad Guayana, Noviembre de 2013
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INGENIERIA BASICA Y DE DETALLE DE UNA CALDERA DE GAS
PARA UN REFRIGERADOR HIBRIDO SOLAR-GAS
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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITCNICA
ANTONIO JOS DE SUCRE
VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ
DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA
TRABAJO DE GRADO
INGENIERIA BASICA Y DE DETALLE DE UNA CALDERA DE GAS
PARA UN REFRIGERADOR HIBRIDO SOLAR-GAS
JAVIER E. GODOY ROSAS
Ciudad Guayana, Noviembre de 2013
Trabajo de Grado presentado ante el
Departamento de Ingeniera Mecnica
de la UNEXPO Vicerrectorado Puerto
Ordaz como un requisito para optar al
Ttulo de Ingeniero Mecnico
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4
Javier Enrique Godoy Rosas
INGENIERIA BASICA Y DE DETALLE DE UNA CALDERA DE GAS PARA
UN REFRIGERADOR HIBRIDO SOLAR-GAS
133 pg.
Trabajo de Grado.
Universidad Nacional Experimental Politcnica Antonio Jos de Sucre. Vicerrectorado Puerto Ordaz. Departamento de Ingeniera Mecnica.
Tutor Acadmico: Edgar Gutirrez.
Ciudad Guayana, Noviembre de 2013
Captulos: I. El Problema. II. Marco Terico. III. Marco Metodolgico. IV.
Resultados. Conclusiones. Recomendaciones. Bibliografa. Anexos y Apndice.
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5
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA
ANTONIO JOSE DE SUCRE VICE-RECTORADO DE PUERTO ORDAZ
DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA
TRABAJO DE GRADO
ACTA DE APROBACIN
Quienes suscriben, miembros del Jurado Evaluador designados por la Comisin
de Trabajos de Grado del Departamento de Ingeniera Mecnica de la Universidad
Nacional Experimental Politcnica Antonio Jos de Sucre, Vice-Rectorado Puerto
Ordaz, para examinar el Trabajo de Grado presentado por el ciudadano: JAVIER
ENRIQUE GODOY ROSAS, portador de la Cdula de Identidad NoV-19.362.563,
titulado: INGENIERIA BASICA Y DE DETALLE DE UNA CALDERA DE
GAS PARA UN REFRIGERADOR HIBRIDO SOLAR-GAS, para optar al Ttulo
de Ingeniero Mecnico, consideramos que dicho Trabajo de Grado cumple con los
requisitos exigidos para tal efecto y por lo tanto lo declaramos APROBADO.
En Ciudad Guayana, a los 29 das del mes de noviembre del ao dos mil trece.
____________________
Ing. Edgar Gutirrez
Tutor Acadmico
___________________ _____________________
Ing. Ferrer Jess
Jurado
Ing. Bustamante Luis
Jurado
-
i
DEDICATORIA
Deseo dedicar este trabajo:
Primeramente a Dios que me ha dado la fortaleza, paciencia y sabidura a travs
de adversidades para lograr las metas propuestas.
A mi padres Nelly Mercedes Rosas y Jacinto Maximiliano Godoy por guiar mis
pensamientos y actitud, apoyndome en todo.
A mis hermanas Nellys Cecilia Godoy, Iralmys Corina Godoy y mi sobrina
Victoria Camila por ser mi mayor inspiracin y mi motivacin.
-
ii
AGRADECIMIENTOS
A Dios, por estar a mi lado, brindarme salud, estar siempre a mi lado y darme la
fortaleza para lograr las metas propuestas a lo largo de la vida.
A mi padres Nelly Mercedes Rosas y Jacinto Maximiliano Godoy por haberme
ensenado lo que soy hoy por hoy.
A mis hermanas Nellys Cecilia Godoy, Iralmys Corina Godoy por todo el apoyo
otorgado en mis decisiones.
A Scarlett Ramos por acompaarme en mis xitos, momentos de difciles y
ayudarme a sobrellevarlos con esperanza y fortaleza.
A mis compaeros de la universidad por brindarme su ayuda y compaa en todo
momento.
Al Ing. Edgar Gutirrez. (Tutor Acadmico), por su valioso apoyo para la
realizacin del trabajo presentado.
A la Universidad Nacional Experimental Politcnica Antonio Jos de Sucre
"UNEXPO" por abrirme sus puertas y permitirme realizarme como profesional en
tan prestigiosa casa de estudio.
-
iii
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA
ANTONIO JOSE DE SUCRE VICE-RECTORADO DE PUERTO ORDAZ
DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA
TRABAJO DE GRADO
INGENIERIA BASICA Y DE DETALLE DE UNA CALDERA DE GAS PARA
UN REFRIGERADOR HIBRIDO SOLAR-GAS
AUTOR: Br. Javier Enrique Godoy Rosas.
TUTOR: Ing. Edgar Gutirrez.
RESUMEN
En el siguiente trabajo se realiza la ingeniera bsica y de detalle de una caldera de
gas para un refrigerador hibrido-solar, con la finalidad de buscar nuevas alternativas
energticas y tecnolgicas de alcance popular. Se desarrolla un modelo terico de una
caldera acuotubular de serpentn helicoidal basado en leyes termodinmicas,
transferencia de calor por conduccin, conveccin y radiacin combinada, flujos de
fluidos y en los esfuerzos resistivos de la estructura y componentes, segn la
interpretacin de las normas que involucran el diseo. Igualmente se seleccionan los
controles requeridos en la caldera para garantizar su operacin dentro de las
condiciones y parmetros establecidos en las normas ambientales y de seguridad. Se
determin la capacidad de la caldera para luego seleccionar los materiales refractarios
y el quemador necesario para su funcionamiento, adems, se calcul los esfuerzos
resistivos de componentes y estructura, luego se elaboro la planimetra del equipo,
finalmente se realiz la estimacin de costos de fabricacin del mismo. En
consecuencia se obtuvo una caldera a gas con una capacidad de hasta 48kW y 1.07
m2 de transferencia, que eleva la temperatura de salida de agua hasta 140 C a una
tasa de 0.534 kg/s de agua de forma regular y soporta una presin mxima de fluido
de 30 Mpa.
Palabras clave: Caldera, Serpentn Helicoidal, Diseo, ASME, Trasferencia
de Calor, Presin, Calor.
-
iv
INDICE GENERAL
DEDICATORIA ............................................................................................... i
AGRADECIMIENTOS ................................................................................... ii
RESUMEN.................................................................................................... iii
INDICE DE FIGURAS .................................................................................viii
INDICE DE TABLAS .................................................................................... ix
INTRODUCCIN ........................................................................................... 1
CAPITULO 1 ................................................................................................. 3
1.1. Planteamiento del Problema ................................................................ 3
1.2. Objetivos de la investigacin .............................................................. 4
1.2.1. Objetivo General ......................................................................................... 4
1.2.2. Objetivos Especficos .................................................................................. 5
1.3. Justificacin. ......................................................................................... 5
1.4. Alcance .................................................................................................. 6
CAPITULO 2 ................................................................................................. 7
2.1. Revisin de la literatura ....................................................................... 7
2.2. Bases Tericas ..................................................................................... 8
2.2.1. Antecedentes del sistema de refrigeracin por absorcin ....................... 8
2.2.2. Descripcin del proceso, materiales y equipos ......................................... 9
2.2.2.1. Descripcin de los equipos ....................................................................... 11
2.2.3. Consideraciones de la generacin de vapor ............................................ 13
2.2.3.1. Estado de lquido subenfriado o comprimido ........................................ 14
2.2.3.2. Caldera ...................................................................................................... 15
2.2.3.3. Clasificacin de las calderas .................................................................... 17
2.2.3.4. Generadores de vapor de paso continuo................................................. 20
2.2.3.5. Ventajas de los tubos curvos frente a los tubos rectos en el proceso de
transferencia de calor ............................................................................................... 21
2.2.3.6. Flujo secundario ....................................................................................... 22
2.2.3.7. Eficiencia de calderas ............................................................................... 23
2.2.3.8. Normas de diseo ...................................................................................... 23
2.2.3.9. Consideraciones de Diseo ....................................................................... 25
-
v
2.2.3.10. Sistemas de Control de una Caldera ....................................................... 27
2.2.3.11. Distribucin de la Superficie de Calentamiento .................................... 29
2.2.3.12. Circulacin de Agua/Vapor. .................................................................... 30
2.2.3.13. Equipos de generacin de Calor .............................................................. 33
2.2.4. Anlisis en el diseo de la caldera a gas. ................................................. 34
2.2.4.1. Aspectos del flujo de fluido. ..................................................................... 34
2.2.4.2. Aspectos de la transferencia de calor ...................................................... 37
2.2.4.3. Aspectos Estructurales ............................................................................. 48
2.2.5. Metodologa de clculo ............................................................................. 54
2.2.5.1. Metodologa de clculo trmico ............................................................... 54
2.2.5.2. Metodologa para el clculo resistivo ...................................................... 56
2.3. Glosario de Trminos ......................................................................... 58
2.3.1. Entalpa del lquido. ................................................................................. 58
2.3.2. Saturacin.................................................................................................. 58
2.3.3. Transferencia de Calor ............................................................................ 59
2.3.4. Proceso de transferencia de calor............................................................ 59
2.3.5. Intercambiador de calor .......................................................................... 60
2.3.6. Lado coraza o lado envolvente ................................................................ 60
2.3.7. Presin de operacin (Po) ........................................................................ 60
2.3.8. Presin de diseo (PD) .............................................................................. 60
2.3.9. Presiones de prueba (Pp) ......................................................................... 61
2.3.10. Presin de trabajo mxima permisible ................................................... 61
2.3.11. Temperatura de operacin (To) .............................................................. 62
2.3.12. Temperatura de diseo (TD) ................................................................... 62
2.3.13. Esfuerzo de diseo a la tensin (S) .......................................................... 62
2.3.14. Eficiencia de las soldaduras ..................................................................... 63
CAPITULO 3 ............................................................................................... 64
3.1. Tipo de Investigacin ......................................................................... 64
3.2. Diseo de Investigacin ..................................................................... 64
3.3. Unidades de Anlisis .......................................................................... 65
3.4. Tcnicas y/o instrumentos de recoleccin de datos ....................... 65
-
vi
3.4.1. Tcnicas ...................................................................................................... 66
3.4.1.1. Revisin Documental ................................................................................ 66
3.5. Procedimiento de clculo .................................................................. 66
3.5.1. Revisin del diseo actual......................................................................... 66
3.5.1.1. Dimensiones del serpentn........................................................................ 66
3.5.1.2. Parmetros de operacin inciales........................................................... 67
3.5.2. Capacidad de transferencia de calor de la caldera ................................ 67
3.5.2.1. Calculo de calor requerido por el fluido ................................................. 68
3.5.2.2. Calculo de temperatura de Flama ........................................................... 68
3.5.2.3. Calculo de temperatura de superficie del serpentn .............................. 71
3.5.3. Calculo de prdidas del refractario ......................................................... 74
3.5.3.1. Calculo de prdidas de calor por paredes y extremos ........................... 74
3.5.4. Clculo Mecnico ...................................................................................... 77
3.5.4.1. Calculo de tuberas ................................................................................... 77
3.5.4.2. Calculo de Coraza ..................................................................................... 78
3.5.4.3. Clculos de patas soportes. ...................................................................... 79
3.5.4.4. Calculo de tapas de acceso ....................................................................... 80
3.5.5. Clculo de estimacin de costos ............................................................... 81
3.5.5.1. Calculo de materiales ............................................................................... 81
3.5.5.2. Calculo de costos ....................................................................................... 82
CAPITULO 4 ............................................................................................... 85
4.1. Determinacin de la capacidad del diseo bsico segn los
parmetros establecidos. .......................................................................... 85
4.1.1. Especificaciones de parmetros ............................................................... 85
Especificaciones de funcionamiento. ....................................................................... 85
4.2. Capacidad de la caldera ..................................................................... 86
4.3. Determinar los materiales refractarios necesarios para el diseo. 87
4.4. Seleccin de quemador...................................................................... 88
4.5. Calculo mecnicos de la caldera ....................................................... 89
4.5.1. Tubera de serpentn ................................................................................. 89
4.5.2. Coraza ........................................................................................................ 90
4.5.3. Tapas de extremos de la caldera .............................................................. 90
4.5.4. Soportes de Coraza ................................................................................... 91
4.6. Estimacin de costos ......................................................................... 92
-
vii
CONCLUSIONES. ....................................................................................... 93
RECOMENDACIONES................................................................................ 95
BIBLIOGRAFA. .......................................................................................... 96
Anexos ......................................................................................................100
Apndice A. ...............................................................................................104
Apndice B. ...............................................................................................108
Apndice C. ...............................................................................................113
Apndice D ................................................................................................117
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viii
INDICE DE FIGURAS
Figura 2.1. Esquema general del sistema de refrigeracin por absorcin. .................. 11
Figura 2.2. Diagrama PT para sustancias puras [8]. ............................................... 14
Figura. 2.3. Esquema de Caldera Bsica. .................................................................... 16
Figura 2.4. Caldera pirotubulares. ............................................................................... 17
Figura 2.5. Caldera acuotubular. ................................................................................. 18
Figura 2.6. Caldera de vaporizacin instantnea, serpentn helicoidal contino. ....... 19
Figura 2.7. Representacin esquemtica de caldera de vaporizacin instantnea. ..... 20
Figura 2.8. Flujo secundario en tubos curvos helicoidales ......................................... 22
Figura. 2.9. Circulacin natural................................................................................... 32
Figura 2.10. Calderas de circulacin natural de varios Drums. .................................. 32
Figura. 2.11. Esquema de circulacin forzada. .......................................................... 33
Figura 4.1. Temperatura media en la salida de agua, Temperatura de la superficie del
serpentn y punto de operacin, en funcin de la velocidad media del agua. ..... 86
Figura 4.2. Lana mineral reforzada con malla entrecruzada. ...................................... 87
Figura. 4.4. Quemador 77. ......................................................................................... 88
Figura 4.5. Capacidad del quemador EQA 77. ........................................................... 89
Figura 4.6. Esquema de Serpentn Helicoidal. ............................................................ 90
Figura 4.7. Coraza de la caldera. ................................................................................. 91
Figura 4.8. Conjunto ensamblado caldera acuotubular. .............................................. 91
Figura 4.9. Vista isomtrica del conjunto. .................................................................. 91
-
ix
INDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Eficiencia tpica de calderas segn PCS. ................................................... 23
Tabla 3.1. Dimensiones del conjunto serpentn. ......................................................... 66
Tabla 3.2. Calculo de temperatura de flama. .............................................................. 70
Tabla 3.3. Espesores resultantes de iteracin. ............................................................. 76
Tabla 3.4. Dimensiones de la tubera. ......................................................................... 78
Tabla 3.5. Dimensiones de la tubera. ......................................................................... 79
Tabla 3.6. Dimensiones de la tubera soporte. ............................................................ 80
Tabla 3.7. Eficiencia de la soldadura segn el grado de exanimacin por radiografa.
............................................................................................................................. 81
Tabla 3.8. Costos de Materiales. ................................................................................. 83
Tabla 3.9. Costo de alquiler de equipos. ..................................................................... 83
Tabla 3.10. Salarios de Mano de Obra. ....................................................................... 84
Tabla 4.1. Presupuesto de fabricacin de Caldera. ..................................................... 92
-
INTRODUCCIN
En los ltimos aos se han incrementado los esfuerzos para desarrollar
tecnologas solares. Pases como Canad, China, Japn y Alemania estn
desarrollando edificios enfriados por energa solar. Durante el 2003, Estados Unidos
hizo importantes investigaciones en esta rea, como sistemas para acondicionar aire
utilizando nicamente energa solar. Por otro lado, las investigaciones que se han
realizado tanto en Venezuela como a nivel mundial son desarrolladas para
incrementar la comodidad de las grandes ciudades, mientras que se dejan a un lado
las necesidades de las zonas rurales. En Venezuela, stas son principalmente
agrcolas, ganaderas, pesqueras y mineras.
La mquina de refrigeracin por absorcin constituye una unidad de enfriamiento
que utiliza directamente el calor sin emplear propulsin o maquina motriz para elevar
la presin y temperatura del refrigerante. Para generar el calor se puede tomar fuentes
de energa econmicas como la Geotrmica, Solar o por medio de una Caldera.
La siguiente investigacin es de mucha importancia ya que se presenta una
propuesta y se elabora la ingeniera de detalle para una posterior construccin de un
prototipo experimental con el fin de desarrollar una versin comercial del mismo.
En este trabajo se realiza la ingeniera bsica y de detalle de una caldera cuyo
funcionamiento est basado en el uso de gas para el funcionamiento del refrigerador
hibrido el cual pueda ser utilizado en comunidades aisladas para conservar los
alimentos. La estructura del presente trabajo se divide en cuatro captulos. En el
captulo 1 se describe la problemtica y se menciona los motivos que impulsaron la
realizacin de la ingerira bsica y de detalles de la caldera a gas para el refrigerador
hibrido, adems, se plantea los objetivos especficos que darn resultado a la
problemtica. Seguidamente en el captulo 2 se presenta una descripcin general y
-
2
clasificacin de las calderas, para luego establecer los fundamentos tericos
involucrados en el estudio trmico y resistivo que respaldaran los objetivos
especficos planteados. El capitulo 3 se explica la metodologa con la cual se
desarrollan los objetivos especficos del trabajo, se presenta los procedimientos
utilizados para la obtencin de resultados, como los clculos trmicos y mecnicos
referentes al estudio. Los resultados se presentan en el Captulo 4, comprenden el
establecimiento de parmetros de operacin de la caldera, capacidad de respuesta en
funcin de la transferencia de calor, especificaciones geomtricas y capacidad
resistiva segn los esfuerzos de los materiales seleccionados, tambien se muestran la
planimetra final del prototipo y la estimacin de costos del mismo. Finalmente se
muestran las conclusiones y recomendaciones de la investigacin, as como tambien,
las referencias, bibliografa y anexos que respaldan el tema de estudio.
-
CAPITULO 1
EL PROBLEMA
Este captulo muestra una breve descripcin de los motivos que llevan a la
realizacin de esta investigacin, as como los antecedentes, alcance, delimitacin,
justificacin y objetivos asociados a dicho estudio.
1.1. Planteamiento del Problema
La generacin elctrica en Venezuela asciende a unos 25.000 MW de capacidad
instalada [1], segn el Sistema Elctrico Nacional y est conformado por un
significativo nmero de infraestructuras, localizadas en su mayora, en la regin de
Guayana, donde funcionan los complejos hidroelctricos ms grandes del pas. stos
ofrecen ms del 70 % del potencial elctrico que llega a hogares e industrias de toda
la Nacin. Otro 27 % de la generacin de electricidad proviene de plantas
termoelctricas, y casi un 3% corresponde al sistema de generacin distribuida,
conformada por grupos electrgenos. Esto producto de inversiones y planes
desarrollados por parte de la Corporacin Elctrica Nacional, que viene de sufrir
ms de dos dcadas de desinversin que sumado a la tasa de crecimiento de ms del
7% en consumo le ha proporcionado fragilidad al sistema elctrico, hacindolo, sobre
todo, dependiente de una sola fuente generadora.
Evidentemente las nicas posibilidades de mantener un crecimiento econmico
sostenible garantizando un suministro energtico a largo plazo en estos tiempos de
crisis, son, el incremento de la eficiencia y la bsqueda de energas alternativas como
los son: la energa solar, elica, geotrmica, entre otras. En este sentido el Estado
-
4
Venezolano ha establecido como lnea estratgica el desarrollo de tecnologa para el
aprovechamiento de energas alternas.
La planta elica en el estado Falcn es un pequeo comienzo, pero la generacin
a travs de la va de fuentes alternativas tiene relativamente bajo costo y tambin
hacen un aporte que slo cubre una pequea parte de la demanda, por lo que si se
quiere fortalecer esta va se debe impulsar la concientizacin y promover el desarrollo
de tecnologas e investigacin de dichas energas alternas. Por otro lado, el territorio
Venezolano est en la regin de ms alto potencial para el aprovechamiento de la
energa solar. Por esta razn, el Centro de Estudios Energticos (CEE) de la
UNEXPO- Puerto Ordaz ha establecido como lnea de investigacin, el desarrollo
tecnolgico en el rea de la energa alterna, por lo que se propone, en este trabajo,
realizar ingeniera bsica y de detalle de una Caldera de Gas para un Refrigerador
Hibrido Solar-Gas para determinar su factibilidad de instalacin y el Diseo de un
Prototipo Experimental.
En el campo de la refrigeracin la funcin principal es acondicionar ambientes a
parmetros de temperatura y humedad que garanticen el confort de los habitantes;
tambien se utiliza para la conservacin de alimentos. En este sentido, el refrigerador
hibrido utiliza, de manera alterna y opcional, la energa solar por medio de celdas y la
energa trmica de una caldera de gas natural, ya que se considera de gran utilidad y
economa.
1.2. Objetivos de la investigacin
1.2.1. Objetivo General
Realizar la Ingeniera bsica y de detalle para el diseo y fabricacin de una
caldera para un refrigerador hbrido solar-gas que funciona con gas natural y energa
solar.
-
5
1.2.2. Objetivos Especficos
Realizar una revisin de la ingeniera bsica disponible para verificar los
parmetros de diseo.
Establecer la capacidad de transferencia de calor de la caldera.
Determinar los materiales refractarios necesarios para el diseo
Seleccionar los quemadores que se instalaran en la caldera.
Realizar los clculos mecnicos de los diferentes componentes de la caldera.
Elaborar los planos del montaje y planos de detalles.
Realizar el clculo de los cmputos mtricos, con la finalidad de estimar los
costos del proyecto.
1.3. Justificacin.
Con la finalidad de fomentar e impulsar el desarrollo de las energas alternativas,
es necesario desarrollar tecnologas de fuentes energticas de sustitucin a las
provenientes de combustibles fsiles.
El sistema de refrigeracin por absorcin de vapor es el ms destacado entre los
desarrollados en la actualidad, pues, su utilidad y versatilidad lo han llevado a ser el
sistema ms comercial desde hace algunos aos, es decir, el mercado ms importante
ha sido los sistemas de absorcin de vapor.
Esta demanda se debe al desarrollo tecnolgico que han tendido estos sistemas
dentro del crecimiento de la tecnologa, logrando mejores resultados con los sistemas
por absorcin, tanto para produccin de aire acondicionado como para generacin de
hielo, que es otra utilidad importante para todo lo que es la cadena alimenticia, y han
-
6
tenido una mejor aceptacin por parte de las compaas industriales que los llegan a
fabricar.
El sistema de refrigeracin por absorcin requiere de un generador de energa
calrica para evaporar el refrigerante y separarlo del fluido de transporte. Debido a
las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera
constituye el sistema ms verstil y econmico para tal fin, y es utilizado
ampliamente para la esterilizacin de equipos hospitalarios, y de manejo de
alimentos, como calentadores domsticos y de otro fluidos a nivel industrial como en
la petrolera y hasta para generar electricidad en centrales termoelctricas.
1.4. Alcance
Realizar la ingeniera bsica e ingeniera de detalle de la caldera y los
componentes asociados a la misma; esto incluye determinacin de la capacidad de la
caldera, seleccin de materiales y componentes, planos de fabricacin y cmputos
mtricos relacionados a la fabricacin de la misma.
-
CAPITULO 2
MARCO REFERENCIAL
El presente capitulo define los aspectos tericos relevantes y que sustentan la
investigacin, estableciendo puntos como la revisin de la literatura, marco terico y
definicin de trminos bsicos.
2.1. Revisin de la literatura
Dayana Ramrez [2], realizo en el 2010 un estudio enfocado a la Evaluacin del
sistema de gas combustible para el suministro de gas a las Turbo-Bombas de planta
Resor del complejo Jusepin-PDVSA en el estado Monagas, con el objetivo de indagar
sobre los altos ndices de paradas de los calentadores.
Daniela R. Villalobos [3], en su informe tcnico de pasanta elaborado en el 2011,
Diseo de una caldera a gas para un refrigerador hibrido solar-gas para el Centro de
Estudios Energticos de la Universidad Nacional Experimental Politcnica Antonio
Jos de Sucre vicerrectorado Puerto Ordaz; describi el procedimiento y parmetros
de diseo para una caldera con la finalidad de buscar nuevas alternativas energticas
y tecnolgicas que estn al alcances de todos.
Daniel F. Orrego [4], presento en Mayo del 2011 un trabajo de grado titulado
Diseo y construccin de una caldera de paso continuo de baja presin y
determinacin del coeficiente convectivo de transferencia de calor para la zona de
ebullicin de forma experimental en la Universidad Nacional de Colombia,
Medelln, con la finalidad de estudiar de manera experimental, el coeficiente de
conveccin para una caldera de serpentn tronco helicoidal.
-
8
Rosa P. Tern, Fernando M. y Oswaldo Mario [5], en el 2012 desarrollaron una
investigacin tcnica denominada Ingeniera bsica y de detalle de una caldera
pirotubular para el calentamiento de 5 galones de agua por minuto con un quemador
para combustible a diesel, para la empresa: servicios industriales integrales, la cual
tiene la finalidad de implementar un nuevo modelo de fcil instalacin y que sea
viable para sustituir los calentadores elctricos en los hogares.
Las investigaciones mencionadas anteriormente se relacionan directa o
indirectamente con la investigacin realizada, las cuales servirn de orientacin para
la ejecucin de cada objetivo especfico planteado en este estudio.
2.2. Bases Tericas
2.2.1. Antecedentes del sistema de refrigeracin por absorcin
Fue en Inglaterra a finales del siglo XVII, que en la bsqueda de reemplazar el
trabajo manual y animal por una forma de energa distinta. Aunque en 1769 Dionisio
Papn construyo una caldera de vapor de baja presin que utilizo para mover la
primera mquina homnima, pero esta no funcionaba bien en largos periodos y
dejaba de producir trabajo til en altas temperaturas. No fue hasta 1776 que James
Watt, un ingls de prestigio industrial, observo la potencialidad que el vapor tena en
su econmica produccin, este desarrollo y completo una mquina de vapor de
funcionamiento continuo que uso en su propia fbrica, incluso su estudio de calderas
y el aprovechamiento del vapor como fuente de energa lo llevo a determinar la
unidad de potencia llamada Caballo de Vapor.
En 1748 William Cullen [6] consigue obtener en un laboratorio de la Universidad
de Glasgow, una pequea cantidad de hielo evaporando ter etlico en una campana
-
9
donde mantena una presin reducida. Se le considera el padre de la refrigeracin
artificial.
Pero es finalmente el francs Ferdinand Carr, quin construye y comercializa la
primera mquina de absorcin de amoniaco/agua utilizando una caldera como fuente
de energa trmica, destinada a la fabricacin de hielo. Esta mquina fue patentada
en 1859 y obtuvo el premio de la Exposicin Universal de Londres de 1862.
En funcin de las caractersticas de la mquina y del tipo de colector solar que se
haya elegido para la instalacin puede ser conveniente utilizar en el sistema una
caldera de apoyo que sobrecaliente el agua proveniente del sistema de captacin
solar. Lo habitual es utilizar para este fin la caldera que facilite agua caliente para
dichos fines.
A lo largo de la historia se ha utilizado las calderas en una amplia variedad de
industrias desde la locomotora hasta la destilacin de hidrocarburos. En algunas como
fuente de energa y en muchas otras como equipo auxiliar de procesos. En la
actualidad las calderas tienen una eficiencia de hasta un 80% y es aun vista como una
fuente econmica de energa alternativa, utilizada en la industria de
acondicionamiento de espacios como en sistemas de refrigeracin por absorcin.
2.2.2. Descripcin del proceso, materiales y equipos
La mquina de refrigeracin por absorcin constituye una unidad para
enfriamiento del agua que utiliza directamente el calor sin emplear propulsin o
maquina motriz, utilizando, pues, los medios de calefaccin todo el tiempo y durante
todo el ao. Gracias a que es compacta y que funciona sin vibracin, se le puede
instalar en cualquier espacio o local donde se disponga de fuente de calor, desde el
stano al terrado [7].
-
10
En el ciclo de absorcin al fluido refrigerante se le aade otro con el que se
disuelve fcilmente y se sustituye el compresor por un recipiente en el que aadiendo
calor se separa por evaporacin el refrigerante del otro fluido llamado absorbente. El
refrigerante sigue el mismo proceso que en el ciclo de compresin pero a la salida del
evaporador es absorbido por el otro fluido para integrarlo al estado lquido y poder
volver juntos a ser calentados y reiniciar el ciclo.
As como en el sistema de compresin el ciclo se hace mediante un compresor,
en el caso de la absorcin, el ciclo se basa fsicamente en la capacidad que tienen
algunas sustancias, como el bromuro de litio, de absorber otra sustancia, tal como el
agua, en fase de vapor. Otra posibilidad es emplear el agua como substancia
absorbente (disolvente) y amonaco como substancia absorbida (soluto).
Bajando al nivel de los detalles en la Figura 2.1 se presenta un esquema del ciclo
del sistema de refrigeracin por absorcin de ciclo agua-amoniaco (refrigerante) que
se mueve por un circuito a baja presin, se enva (1) la solucin concentrada de agua-
amoniaco desde el absorbedor hasta el generador donde se
separan disolvente y soluto por medio de calor procedente de una fuente externa. Se
hace pasar por un rectificador (8) el cual separa el amoniaco del agua que entra al
condensador (9) donde cede la mayor parte del calor recibido en el generador, y
desde all va al evaporador (10 y 11), a travs de una vlvula de expansin evapora
en un intercambiador de calor, llamado evaporador. Esto supone una detraccin de
calor de algn sitio (el necesario para que el agua se evapore) y produce el
enfriamiento de un fluido secundario, que refrigerar los ambientes o cmaras que
interese. Acto seguido el vapor es absorbido por el agua (absorbente) en el
absorbedor para reiniciar el ciclo. Se aumenta la eficiencia del sistema haciendo
pasar el agua separada del amoniaco en el generador por un regenerador (4) el cual
aprovecha el calor de la misma para precalentar la solucin concentrada proveniente
del absorbedor.
-
11
Figura 2.1. Esquema general del sistema de refrigeracin por absorcin.
Fuente: Romero V. Daniela [3].
2.2.2.1. Descripcin de los equipos
Una unidad de refrigeracin por absorcin de vapor est conformada por los
siguientes equipos:
a) Evaporador: Lo constituye un haz de tubos de cobre por los que circula el
agua a refrigerar, sobre cuya superficie se evapora el agua refrigerante que fluye
desde unos distribuidores. La presin en el interior del envolvente es muy baja (6 mm
Hg) lo que hace que el agua se evapore a baja temperatura (5 C), extrayendo el calor
latente de vaporizacin del agua a refrigerar que circula por el interior del haz de
tubos.
b) Absorbedor: Ocupa una parte de la misma cmara del evaporador con el que
est directamente comunicado. A l llega la solucin de bromuro de litio concentrada
y, dada la gran afinidad de este producto con el agua, absorbe el refrigerante en fase
-
12
vapor procedente del evaporador. Como el bromuro de litio proviene del generador de
calor (el de baja temperatura en el ciclo de doble efecto) y la presin en el recipiente
es tan baja como en el evaporador, se hace necesario eliminar el calor, lo que se
realiza a travs de un haz de tubos de cobre por el que circula agua enfriada
exteriormente, por ejemplo, en una torre de enfriamiento evaporativo. Para el caso de
NH3-agua, sera en un radiador con unos ventiladores. Este circuito es comn al del
condensador con el que est en serie. La solucin de bromuro de litio y agua, diluida
por el vapor absorbido, es enviada por la bomba de solucin al generador de alta
temperatura.
c) Generador de alta temperatura: Est formado por un haz de tubos en el que
se calienta la solucin diluida procedente del absorbedor, hasta llevarla a ebullicin.
Al ascender, se separa parte del vapor de agua de la solucin de bromuro de litio
incrementndose la concentracin de sta (se denomina solucin semi-concentrada).
El vapor de agua separado seguir su camino para convertirse en refrigerante en las
etapas posteriores. El calentamiento en el generador, puede efectuarse, segn los
modelos, mediante un quemador de llama directa (caldera), dentro de un hogar donde
cede calor a la solucin diluida, o bien con un intercambiador de calor cuyo primario
puede ser alimentado por vapor o agua caliente.
d) Generador de baja temperatura (regenerador): En los equipos de doble
efecto, un segundo generador, llamado de baja temperatura, acta como
intercambiador de calor aprovechando parte del calor contenido en el vapor de agua
procedente del generador de alta temperatura, para obtener de nuevo vapor de agua de
la solucin semiconcentrada. Con este vapor de agua liberado, la solucin
concentrada fluye hacia el absorbedor, mientras que el vapor se une al que procede
directamente de generador de alta temperatura en el recipiente condensador.
-
13
e) Condensador: El condensador, que en los ciclos de doble efecto forma un
nico recipiente con el generador de baja temperatura, recibe el vapor de agua
procedente de ambos generadores y lo condensa convirtindolo en lquido. Para ello
el vapor es enfriado en contacto con el haz de tubos por el que circula el agua de
enfriamiento exterior, procedente de una torre de enfriamiento evaporativo para los
equipos de BrLi-agua y un radiador con ventilador para los de NH3-agua.
f) Intercambiador de calor (rectificador): La eficacia del ciclo de absorcin
descrito, se ve incrementada al intercambiar calor en dos puntos del circuito, sendos
intercambiadores de calor de haz tubular, denominados de alta y baja temperatura
respectivamente. Con el de baja temperatura se utiliza el calor contenido en la
solucin concentrada procedente del generador de baja temperatura, para recalentar
en una primera etapa, la solucin diluida del absorbedor en su camino hacia el
generador de alta temperatura. Con el intercambiador de alta temperatura se utiliza el
calor contenido en la solucin semi-concentrada procedente directamente del
generador de alta temperatura, para recalentar en una segunda etapa, la solucin
diluida que procede fra del absorbedor y del intercambiador de calor de baja
temperatura, hacia el generador de alta temperatura. Ambos intercambios reducen la
energa necesaria para llevar a ebullicin la solucin diluida en el generador de alta
temperatura, mejorando as el rendimiento del ciclo.
2.2.3. Consideraciones de la generacin de vapor
Como fluido trmico, el vapor de agua es extremadamente valioso por que puede
ser producido en cualquier lugar haciendo uso del calor proveniente de un
combustible que est disponible. El vapor tambien tiene propiedades nicas que son
importantes en la produccin de energa: se conserva en los ciclos de vapor y no
resulta ser toxico en caso de presentarse fugas. Otra ventaja del agua es que debido a
su amplio uso en la industria y en la investigacin, sus propiedades trmicas estn
-
14
ampliamente documentadas en literatura, facilitando el diseo de componentes que la
utilizan como fluido trmico.
2.2.3.1. Estado de lquido subenfriado o comprimido
Figura 2.2. Diagrama PT para sustancias puras [8].
La generacin de vapor de agua a partir de agua lquida se lleva a cabo aadiendo
el calor proveniente de una fuente trmica (resistencia elctrica, combustible slido,
lquido o gaseoso, reacciones nucleares o radiacin solar) necesaria para llevarle
desde su estado como lquido subenfriado hasta el estado de lquido saturado,
produciendo un aumento de su temperatura. A partir de este punto, si se contina
aadiendo calor, la temperatura no aumenta y se mantiene constante en un valor
denominado temperatura de saturacin, lo que a su vez fija la presin del sistema en
una presin de saturacin correspondiente, hasta alcanzar el estado de vapor saturado
seco. Esto se denomina ebullicin. A partir de este punto desaparecen los ltimos
vestigios de lquido y se alcanza la zona de vapor sobrecalentado. En la Figura 2.2 se
-
15
presenta un diagrama P-T para una sustancia pura, donde puede apreciarse la lnea
que delimita la fase liquida de la fase de vapor.
El lquido subenfriado o lquido comprimido es una fase en que el agua posee
propiedades altamente incompresibles por lo cual su volumen especfico vara muy
poco con el aumento de la presin. Cuando se define lquido subenfriado se entiende
como un lquido a una temperatura menor que su temperatura de saturacin para una
presin determinada. Y cuando se habla de lquido comprimido, se entiende como un
lquido a una presin mayor a la presin de saturacin para una temperatura dada. En
cualquier caso, esta fase implica que el lquido no est a punto de evaporarse [2].
2.2.3.2. Caldera
Una caldera o generador de vapor (Figura 2.3) es una mquina trmica que
produce vapor a una presin mayor que la atmosfrica. A la mquina le entra una
energa (airecombustible) la cual se transfiere a una sustancia de trabajo
(frecuentemente agua) efectundose el proceso de evaporacin, cuyo mecanismo de
transferencia de calor depende del tipo de Caldera.
Estos gases generalmente son producto de la quema de un combustible fsil en el
horno de la caldera, aunque pueden ser tambin el producto de un proceso como los
gases resultantes de reacciones en las unidades de ruptura cataltica.
El objetivo de una caldera, adems de generar vapor, es realizar con la mxima
eficiencia posible la transferencia de calor, definiendo esta de una manera sencilla
como la porcin de calor liberado en el horno que es absorbido por los fluidos en los
elementos de la caldera.
-
16
Figura. 2.3. Esquema de Caldera Bsica.
Fuente: Romero V. Daniela [3].
Las calderas de vapor, constan bsicamente de 2 partes principales:
a) Cmara de agua:
Es el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera, el nivel de agua se fija
en su fabricacin, de tal manera que sobrepase en unos 15 cm por lo menos a los
tubos o conductos de humo superiores. Segn la razn que existe entre la capacidad
de la cmara de agua y la superficie de calefaccin, se distinguen calderas de gran
volumen, mediano y pequeo volumen de agua.
b) Cmara de vapor:
Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, el cual debe ser
separado del agua en suspensin. Cuanto ms variable sea el consumo de vapor, tanto
mayor debe ser el volumen de esta cmara, de manera que aumente tambin la
distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.
-
17
2.2.3.3. Clasificacin de las calderas
Por la disposicin de los fluidos, las calderas se clasifican generalmente, como
calderas de tubos de humo (pirotubulares) o de tubos de agua (acuotubulares).
a) Calderas pirotubulares
En este tipo de calderas la llama y los productos de la combustin pasan a travs
de los tubos y el agua caliente rodea el hogar interno y los bancos de tubos. Manejan
presiones de operacin de 0-20 bares (0-300 psi) tal como se muestra en la Figura 2.4.
Figura 2.4. Caldera pirotubulares.
Fuente: Romero V. Daniela [3].
Ventajas: Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseo, mayor
flexibilidad de operacin, menores exigencias de pureza en el agua de alimentacin,
son pequeas y eficientes.
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18
Desventajas: Mayor tiempo para subir presin y entrar en funcionamiento, no se
deben usar para altas presiones.
Las calderas pirotubulares o de depsito como tambin se llaman, generalmente
son de forma cilndrica y tienen una cmara de combustin con una relacin mnima
entre la longitud y el dimetro de 3:1 [3].
b) Calderas de agua o acuotubulares
En la Figura 2.5 se puede ver un esquema de este tipo de unidad, los productos de
la combustin rodean a los bancos de tubos y el agua circula por el interior de dichos
tubos. Manejan presiones de operacin de 0-150 bares (0-2200 psi) [3].
Ventajas: Pueden ser puestas en marcha rpidamente y trabajan a 300 psi o ms.
Desventajas: Mayor tamao y peso, mayor costo, debe ser alimentada con agua de
gran pureza.
Figura 2.5. Caldera acuotubular.
Fuente: Kohan Anthony [9].
Estas son las grandes calderas de alta presin utilizadas para la generacin de
energa en la industria. Los gases calientes de los quemadores pasan alrededor de los
bancos de tubos verticales que contienen el agua. Las calderas son de forma
rectangular y los tubos estn conectados a un tambor de agua en la parte inferior y a
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19
un colector de vapor en la parte superior. Normalmente hay un sobrecalentador por
encima de la cmara principal de combustin. Los productos son por lo general por
encima de 20.000 kg/h. Debido a factores econmicos, las calderas trabajan con
carbn pulverizado o petrleo. Algunas han sido convertidas a gas, tambin pueden
trabajar con dos quemadores de combustible.
c) Calderas de tipo serpentn o paso continuo
Estas calderas son en forma de tubo de agua con el agua contenida en un conjunto
de serpentines. La llama del quemador va por el interior y centro del serpentn, los
productos pasan alrededor de las capas externas de los serpentines como se muestra
en la Figura 2.6.
Figura 2.6. Caldera de vaporizacin instantnea, serpentn helicoidal contino.
Fuente: Flrez Daniel [4].
Son calderas de baja capacidad de agua y producen pequeas cantidades de vapor
rpidamente, en menos de 5 minutos. Se debe tener cuidado con el tratamiento de las
aguas, por lo general es a base de sodio en combinacin con aditivos qumicos es
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20
todo lo que es normalmente necesario para el tratamiento de las aguas de
alimentacin. Los productos pueden variar desde 200 kg/h hasta aproximadamente
9090 kg/h a 40 bares. Estas utilizan quemadores de gas o de petrleo.
2.2.3.4. Generadores de vapor de paso continuo
Existe una variedad de calderas denominadas de vaporizacin instantnea, cuya
representacin esquemtica se hace en la Figura 2.7 y podra ser la de un tubo
calentado por una llama, en el que el agua entra por un extremo y sale en forma de
vapor por el otro.
Dado que el volumen posible de agua es relativamente pequeo en relacin a la
cantidad de calor que se inyecta, en un corto tiempo la caldera est preparada para dar
vapor en las condiciones requeridas, de all la denominacin de calderas de
vaporizacin instantnea.
Figura 2.7. Representacin esquemtica de caldera de vaporizacin instantnea.
Fuente: Flrez Daniel [4].
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21
En estas calderas el flujo msico de agua que es inyectado es prcticamente igual
al vapor producido, por lo que un desajuste entre el calor aportado y el caudal de
agua, dara lugar a obtener agua caliente o vapor sobrecalentado, segn faltase calor o
este fuese superior al requerido.
Debido a su principio de operacin, las calderas de vaporizacin instantnea
deben tener configuraciones que permitan reducir el espacio necesario e intensificar
la transferencia de calor desde la fuente de energa hacia el fluido, bien sea utilizando
tcnicas para el aumento de la transferencia de calor o aumentando su compacidad.
Una muestra de este tipo de caldera es la presentada en la Figura 2.9, caldera de
vaporizacin instantnea comercializada por Babcok-Watson Espaa.
En esta caldera, la llama y los humos calientan un serpentn mono tubular, segn
tres (3) pasos de humos. Por el serpentn circula un flujo de agua que, una vez
calentada, se transforma progresivamente en vapor. Un separador permite obtener
vapor perfectamente seco cuando este es requerido. Gracias a su concepcin, la
subida de la presin se puede realizar en tres (3) minutos a partir de una caldera fra
por parada prolongada. Esta eficacia as como su bajo volumen de agua, reduce las
prdidas trmicas y por lo tanto disminuyen los costos de utilizacin.
2.2.3.5. Ventajas de los tubos curvos frente a los tubos rectos en el
proceso de transferencia de calor
El principio de funcionamiento de los tubos curvos as como las ventajas que se
les atribuyen sobre el desempeo de los tubos rectos, se pueden resumir de la
siguiente manera:
Generacin de un flujo segundario en la direccin radial debido al
desbalance de las fuerzas centrifugas.
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22
Potencializacion del proceso de mezclado en la direccin transversal
Reduccin de la dispersin axial
Mejoramiento del coeficiente convectivo de transferencia de calor.
2.2.3.6. Flujo secundario
La principal ventaja de los tubos helicoidales es que permiten un mayor
incremento de la temperatura en el fluido comparados con los rectos, debido a que se
produce un flujo secundario en la direccin radial inducido por la fuerza centrifuga,
como se observa en la figura. Sin embargo, el gradiente de presiones requerido para
obtener un flujo msico determinado se incrementa si se compara con un tubo recto
[10, 11].
Figura 2.8. Flujo secundario en tubos curvos helicoidales.
Fuente: Flrez Daniel (2011) [4].
En la Figura 2.8. Se muestra el efecto de la curvatura y la fuerza centrifuga sobre
las lneas de flujo en la seccin transversal. Los perfiles de velocidad se inclinan con
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23
el mximo ubicado cerca de la zona externa del serpentn. Esta asimetra en la
velocidad produce que el fluido de la pared interior del serpentn sea arrojado hacia la
pared exterior atravesando el centro de la seccin transversal, regresando a la pared
interior por las paredes superior e inferior del tubo formando dos hemisferios.
Merkel [12] sugiri que el coeficiente convectivo en los tubo es (1+3.5(D/DH))
veces mayor que el presentado en los tubos rectos, siendo D y DH el dimetro del
tubo y el dimetro del serpentn, respectivamente.
2.2.3.7. Eficiencia de calderas
En la Tabla 2.1 se hace un comparativo de las eficiencias ms representativas de
acuerdo al tipo de caldera, la capacidad y el combustible usado.
Tabla 2.1. Eficiencia tpica de calderas segn PCS.
Fuente: ROMERO, Daniela (2011) [3].
2.2.3.8. Normas de diseo
La American Society of the Mechanicals Engineers (ASME) comenz a crear
cdigos para utilizar en el diseo y control de los recipientes que trabajan a presin.
La ASME VIII Div. 1, es la parte encargada de diseo, tiene distintas partes que
comprenden clculo de espesores, clculo de aberturas, conexiones, etc. Esta norma
para diseo de calderas y recipientes a presin es utilizada a nivel mundial, aunque
-
24
existe otras normas como: Norma alemana (AD-Merkbltter) y la IVA espaola UNE
9-300.
El reglamento de las condiciones de higiene y seguridad en el trabajo, en su
decreto 1564, publicado en diciembre de 1973, captulo II de equipos y recipientes de
presin establece los lineamientos relacionados al tema de generadores de vapor y
sus normas para el manejo, mantenimiento, seleccin de componentes e instalacin
de los mismos. As como tambien lo hacen las normas para proyecto, construccin,
reparacin, reforma y mantenimiento de edificaciones, en su captulo XV (Gaceta
4044) publicado en diciembre de 1988.
Dichas normas hacen referencia a los estndares internacionales reflejadas en el
Cdigo Venezolano de Normas Internacionales (COVENIN) segn sean las
secciones, captulos y publicaciones siguientes:
COVENIN 0928:1978 sistemas de tuberas para gas residencial.
COVENIN 2214:84 Generadores de vaporen servicio (Inspeccin).
COVENIN 2215: Generadores de vapor en servicio (Instalacin)
COVENIN 7:4-015 Tubera de acero, con o sin costura, con o sin recubrimiento
galvanizado.
COVENIN 7:016 Tubera de acero al carbono en servicios a altas temperaturas
COVENIN 20:4-003 Cdigo Nacional de Calderas
CONVENIN 916 (R) Planchas gruesas de acero al carbono para calderas y
recipientes a presin para servicios.
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25
2.2.3.9. Consideraciones de Diseo
Cuando se selecciona una caldera se deben considerar los siguientes parmetros:
a) Cantidad de vapor requerida.
b) Presin, temperatura, calidad del vapor requerido.
c) Futuros requerimientos.
d) Localizacin de la unidad.
e) Caractersticas de la carga.
f) Tipos de combustibles disponibles.
g) Diseo de quemadores.
h) Calidad del agua de alimentacin.
i) Variaciones previstas de la carga.
Una vez seleccionada y construida la caldera existen otros factores que afectan
notablemente la eficiencia de la unidad pues inciden directamente en el estado de las
superficies de transferencia trmica.
Los tubos de la caldera son afectados internamente por las impurezas del agua que
tienden a depositarse o a formar incrustaciones en las paredes, lo cual hace necesario
someter el agua a tratamiento qumico para minimizar este y otros efectos
indeseables.
La parte exterior de los tubos y otras zonas de la caldera son afectadas por
depsitos que ensucian o incrustan las paredes. Estos depsitos son determinados
principalmente por los siguientes factores:
a. Tipo de Combustible :
Combustible pulverizado (carbn)
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26
Combustleo
Gas natural
b. Calidad del Combustible:
Contenido de azufre y cloruros en el carbn
Contenido de cenizas y temperatura de fusin de ellas
Contenido de vanadio, sodio, azufre en el combustleo
c. Condiciones de Combustin
Turbulencia en el hogar
Temperaturas
Distribucin del aire
Tipo de paredes en el hogar
Exceso de aire
Longitud de la llama
Turbulencia del aire
d. Diseo
Localizacin, tipo y espacio entre los elementos del supercalentador,
calentador y economizador
Altura del hogar y temperatura de salida de gases
De los anteriores factores, indudablemente que el diseo es el que ofrece mayores
posibilidades de mejora. Los ms recientes muestran mayor rea seccional en el
hogar, eliminacin de paredes de divisin, temperatura de gases ms bajas,
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27
distribucin ms uniforme de suministro de calor en toda la caldera, velocidad de
gases ms baja, mejor observacin del hogar.
2.2.3.10. Sistemas de Control de una Caldera
Para tener un adecuado control de la operacin de una caldera y en concordancia
con las leyes de higiene y seguridad industrial1 y las leyes de medio ambiente
2, es
necesario conocer los factores que determinan su estado. Estos factores son
principalmente: Flujos de gas, aceite, aire, agua, vapor, presiones, temperaturas y
nivel. Para comprender mejor la relacin y la manera como se afectan entre s
podemos clasificarlos en tres grupos: Factores a regular, factores de perturbacin y
factores de regulacin.
a) Factores a Regular.
Son los que deben ser mantenidos a un valor determinado para que el
funcionamiento de la caldera sea correcto. Los ms importantes son: Presin de vapor
a la salida de la caldera, exceso de aire o relacin aire /combustible, temperatura de
vapor sobrecalentado, nivel del tambor de vapor y presin en el hogar.
b) Factores Perturbadores.
Tienen su origen en la demanda de vapor que desequilibra la relacin entre la
energa que entra en forma de combustible y la que sale en forma de vapor, de esta
manera se afectan los factores a regular que actuarn unos sobre otros.
1 Reglamento de las condiciones de Higiene y Seguridad en el Trabajo. Decreto 1564. Diciembre 1973
2 Normas para Proyecto, Construccin, Reparacin, Reforma y mantenimiento de edificaciones.
Gaceta 4044. Diciembre 1988.
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28
c) Factores de Regulacin.
Con ellos se compensa la influencia de los factores perturbadores sobre los
factores a regular y los principales son:
Flujo de combustible: con l se compensa la variacin de la presin de vapor.
Flujo de aire: con l se mantiene una relacin aire /combustible adecuada.
Flujo de agua de alimentacin: que debe ser igual al flujo de vapor que sale
ms las prdidas para mantener el nivel.
Diversos medios para control de temperatura de vapor: varan segn el diseo
de la caldera.
Los factores de regulacin se pueden controlar dividindolos en tres bloques.
a. Control de Agua de Alimentacin.
Su objetivo es igualar el flujo de agua de alimentacin con el flujo de vapor,
manteniendo un nivel estable en el tambor de vapor durante cargas bajas, altas, o con
cambios rpidos, tomando como referencia la produccin de vapor y el nivel del
tambor.
b. Control de Combustin.
Es el encargado de regular la entrada de combustible para mantener un suministro
continuo de vapor a una presin constante, y de regular la entrada de aire a la caldera
en proporcin correcta a la entrada de combustible.
En las calderas de tiro balanceado tambin regula la extraccin o salida de gases
de combustin para mantener un tiro constante en el hogar.
-
29
c. Control de Temperatura.
Es muy importante en calderas que alimentan turbinas. Aunque se pudiera pensar
que entre ms falta la temperatura de vapor, mayor eficiencia de la caldera, esto est
limitado por la resistencia de los aceros y dems materiales.
Para mantener un control efectivo del funcionamiento de la unidad el operador
debe tener la siguiente informacin de los instrumentos y otras fuentes.
Nivel del tambor de vapor.
Presin de vapor y de agua de alimentacin.
Temperatura de vapor sper calentado.
Tiros y presiones de gases / aire entrando y saliendo de las principales partes
de la caldera.
Relacin aire / combustible determinada por analizadores de gases / oxigeno.
Temperatura del agua y de los gases de combustin y aire entrando y saliendo
de las principales secciones de la caldera.
Flujo de agua de alimentacin.
Flujo de vapor.
Operacin de fuegos, hornos y quemadores.
Operacin de bombas, ventiladores, circuitos de combustible y equipos de
combustin.
Conocimiento de cuales operaciones tienen bloqueo, de manera que no puedan
efectuarse en forma incorrecta.
Conocimiento de cuales operaciones pueden efectuarse en automtico.
2.2.3.11. Distribucin de la Superficie de Calentamiento
Como la funcin de una caldera es convertir agua en vapor por la aplicacin de
calor, la cantidad de superficie de calentamiento y la forma en que esta est
-
30
distribuida afectan la eficiencia y la capacidad. El efecto de cambiar la cantidad y
distribucin de esa superficie se puede entender mejor en el siguiente ejemplo.
Imaginemos una caldera de tubos de agua de una amplitud determinada con
hileras de tubos rectos expuestos al calor de los gases de combustin. Asumamos que
la temperatura de los gases entrando a la primera hilera de tubos es de 1922 K y que
nuestra unidad genera vapor de 600 psi (4.14 MPa), para una temperatura de
saturacin 525.48 K. Si empezamos con tres hileras de tubos, la temperatura del gas
al salir de la ltima hilera sera de 1366.5 K. Si agregamos tres hileras ms de tubos,
tenemos que la temperatura de entrada a este nuevo banco sera de 1366.5 K y por lo
tanto el calor transferido en estos tubos ser menor que el transferido en el primer
banco de tubos.
Lo mismo sucedera con cada nuevo banco de tubos que se agregara. Aunque sea
del mismo tamao, ser menos efectivo que el banco precedente. Aunque cada
adicin incrementa la cantidad de calor absorbido y la eficiencia, es evidente que
llega un punto en el cual, el costo de adicin de superficie pesa ms que la ganancia
obtenida.
Esto se debe a que al irse reduciendo la temperatura de gases, llega el punto en
que la diferencia entre esta y la temperatura de la mezcla vapor/agua es tan pequea
que pone lmite al incremento de ganancia.
2.2.3.12. Circulacin de Agua/Vapor.
Para tener una generacin de vapor y un control adecuado de la temperatura de
metal en los tubos de todos los circuitos, es necesario mantener un adecuado flujo de
agua y de la mezcla vapor agua.
-
31
Estos flujos se pueden establecer de dos maneras, por diferencia de densidades o
por circulacin forzada. Cuando el flujo es establecido por diferencia de densidades
se dice que se tiene circulacin natural.
a) Circulacin Natural
En una caldera elemental, que conste simplemente de un casco o tambor, lo que
ocurre en su interior se puede visualizar de la siguiente manera:
Al calentarse el fondo del recipiente se calienta tambin el agua, disminuyendo su
densidad y por lo tanto tiende a subir a la parte superior del recipiente.
Contrariamente, el agua ms fra que est entrando en la caldera es ms pesada y
tiende a caer al fondo del recipiente.
Cuando el agua alcanza su punto de ebullicin, pequeas burbujas de vapor se
forman sobre la superficie calentada. Estas burbujas se adhieren al metal hasta que
son suficientemente grandes para vencer la tensin y ascender a la parte superior del
recipiente donde el vapor es liberado, establecindose una corriente de circulacin.
En una caldera acuotubular el agua y el vapor fluyen por una cantidad de tubos
que son calentados externamente. La idea bsica se puede mostrar da acuerdo con la
Figura 2.9.
Una caldera real consiste de muchos circuitos como el de la Figura 2.10, con un
drum o varios Drums actuando como colectores y como punto de separacin del
vapor del agua, aunque en realidad la cantidad de tubos bajantes es diferente de la de
tubos elevadores y su distribucin un poco ms compleja.
-
32
Figura. 2.9. Circulacin natural.
Fuente: ROMERO, Daniela (2011) [3].
Generalmente se asume que el calor absorbido en los tubos bajantes es suficiente
solamente para llevar el agua hasta la temperatura de saturacin y que no se genera
vapor en esta parte del circuito.
Figura 2.10. Calderas de circulacin natural de varios Drums.
Fuente: ROMERO, Daniela (2011) [3].
-
33
a) Circulacin Forzada
Figura. 2.11. Esquema de circulacin forzada.
Fuente: Romero V. Daniela (2011) [3].
Cuando la cabeza o fuerza disponible no garantiza un flujo por circulacin
natural, se utiliza la circulacin forzada. Este sistema, para vencer las resistencias,
emplea una bomba, que toma el agua desde el tambor de vapor y la pasa por las zonas
de radiacin y de conveccin de la caldera. Puede ser usado en sistemas de alta
presin donde las fuerzas de circulacin son pequeas, o en sistemas de baja presin
para dar libertad en la distribucin de los tubos. Ver Figura 2.11.
2.2.3.13. Equipos de generacin de Calor
Son los elementos de la caldera encargados de suministrar y acondicionar el
combustible para mezclarlo con el aire y obtener una buena combustin y se les
define como Quemadores. Deben producir una llama estable y uniforme de manera
que se realice una cierta distribucin en el hogar.
Los quemadores de gas son perforados y por sus orificios el gas debe salir a una
velocidad mayor que la del aire para asegurar una penetracin ntegra del chorro de
aire.
-
34
En los quemadores de aceite, este debe ser atomizado para aumentar la superficie
de contacto con el aire. La atomizacin se realiza generalmente con vapor pero se
puede utilizar aire tambin. Aunque el vapor produce una muy buena atomizacin,
presenta corno desventaja que causa un mayor contenido de agua en los gases de
combustin y disminuye el punto de roco de los gases, adems representa consumo
de vapor que no se recupera.
2.2.4. Anlisis en el diseo de la caldera a gas.
El estudio est enfocado en el proceso de calentamiento del agua potable por
medio de la combustin del gas natural con aire, por lo cual se involucra el
mecanismo energtico asociado a la transferencia de calor.
Por otra parte se desarrollo el diseo estructural de una tapa para facilitar el
mantenimiento e inspeccin de los componentes internos de la caldera; as como
tambien se analizo mecnicamente la Coraza y los soportes del equipo.
2.2.4.1. Aspectos del flujo de fluido.
Para el estudio de la capacidad trmica del fluido se deben considerar el
comportamiento de los parmetros del fluido.
a) Flujo Msico
La cantidad de masa que pasa por una seccin transversal por unidad de tiempo
se llama flujo msico y se denota mediante . El punto sobre un smbolo se usa para
indicar la rapidez de cambio respecto al tiempo. Como la velocidad del fluido nunca
es uniforme en una seccin transversal de tubera debido a que el fluido se adhiere a
la superficie y, por lo tanto, tiene velocidad cero en la pared. Es prctico definir la
-
35
velocidad promedio del fluido (U) como el valor promedio del vector velocidad en
toda la seccin transversal del tubo.
= (2.1)
Donde:
= Flujo msico (kg/s)
= densidad (kg/m3)
U= Velocidad media del fluido (m/s)
As= rea transversal de la tubera (m2)
b) Nmero de Reynolds
El nmero de Reynolds es un nmero adimensional que relaciona las propiedades
del fluido (densidad y viscosidad) con su velocidad y geometra y determina si el
flujo es laminar o turbulento, dependiendo de la siguiente clasificacin:
2300 Flujo laminar
2300 < 4000 Flujo de transferencia.
> 4000 Flujo Turbulento.
Para el flujo interno en tuberas circulares, se determina el nmero de Reynolds
con la ecuacin siguiente [10]:
=
=
4
(2.2)
Donde:
Re= Numero de Reynolds (Adimensional)
= densidad (kg/m3)
U= Velocidad media del fluido (m/s)
-
36
D= dimetro de la tubera (m)
= viscosidad dinmica del fluido (N/s.m2)
= Flujo msico (kg/s)
c) Ecuaciones gobernantes para el flujo en tubos curvos. Numero de Den.
Es un numero adimensional que caracteriza los flujos de fluidos viscosos que van
por el interior de un serpentn. Este representa la relacin entre la raz cuadrada del
producto de las fuerzas de inercia y centrifugas y la fuerza viscosa. Ya que los flujos
secundarios son inducidos por la fuerza centrifuga y sus interacciones son
primordialmente con la fuerza viscosa, el nmero de Den es una medida de la
magnitud del flujo secundario [10].
= (2.3)
Donde:
De= Numero de Den (Adimensional)
U= Velocidad media del fluido (m/s)
D= dimetro de la tubera (m)
= viscosidad dinmica del fluido (N/s.m2)
= Flujo msico (kg/s)
Para bajos nmeros de Den, el perfil de velocidad axial es parablico y
prcticamente inalterado comparado con aquellos en un flujo completamente
desarrollado en tubos rectos. A medida que el nmero de Den es incrementado, la
velocidad mxima comienza a estar sesgada hacia la periferia exterior. De forma
similar, para bajos valores de relacin de curvatura, la intensidad del flujo secundario
es mayor mientras que para valores elevados de relacin de curvatura la intensidad
del flujo secundario en mucho menor [10].
-
37
2.2.4.2. Aspectos de la transferencia de calor
El calor producido por los quemadores y absorbido por el fluido es la
combinacin del calor por radiacin generado por la combustin del gas natural y el
calor por conveccin de los gases que envuelven el serpentn.
El diseo de la caldera determina que el patrn flujo ser cruzado por la
disposicin del serpentn horizontal y la posicin de las llamas del quemador en
forma vertical.
a) Balance de energa
En base a la primera ley de la termodinmica se plantea que el calor liberado por
los gases de combustin (Qlib) es igual a la suma del calor absorbido por el fluido (Qa)
mas el calor que se pierde por las paredes de la caldera (Qp), y el calor que sale con
los gases de escape (Qe), segn la siguiente ecuacin:
= + + (2.4)
La eficiencia del sistema viene dada por la ecuacin:
=
(2.5)
El calor liberado por la combustin del Gas Natural desde el quemador obtiene
mediante:
= (2.6)
Donde:
comb= flujo msico del combustible (kg/s)
-
38
hic= Poder Calorfico Inferior del Gas Natural3 (kJ/kg)
b) Calculo de temperatura de flama
El calor de generado durante un proceso de combustin simplemente es la
diferencia entre la energa de los reactivos que entran y la energa de los productos
que dejan la cmara de combustin [8].
= (2.7)
Q: Calor generado
Hreac: Entalpia de los reactivos (kJ/kmol)
Hprod: Entalpia de los productos (kJ/kmol)
Expresando la ecuacin en una manera ms conveniente para su uso en sistemas
reactivos, en su forma relativa al estado de referencia estndar y trminos de energa
qumica explcitamente:
= + + (2.8)
Donde:
Q: Calor generado por la reaccin (kJ/kmol)
Nr: Numero de moles de los reactivos (mol)
Np: Numero de moles de los productos (mol)
hf: Entalpia de formacion o entalpia a 25 C y 1 atm. (kJ/kmol)
h: Entalpia promedio sensible en el estado especificado (kJ/kmol)
h: Entalpia4 promedio sensible en el estado de referencia estndar (kJ/kmol)
3Tomado de la pgina del Ministerio de Poder Popular para la Energa y Petrleo 2012.
-
39
Para la seleccin del tipo de quemador es importante considerar el parmetro de
la relacin aire-combustible, por lo tanto:
=
=
(2.9)
c) Energa calorfica requerida por el fluido de proceso
La energa calorfica requerida por el fluido se determina por la siguiente
ecuacin considerando las propiedades del fluido segn la temperatura promedio del
fluido [10].
= (2.10)
Donde:
f = Flujo msico (kg/s)
Cp = calor especifico promedio a presin constante. (kJ/kg.K)
Ts= temperatura media de salida del fluido (C)
Te= temperatura media de entrada del fluido (C)
d) Calor por Conduccin
Es la transferencia de calor desde un punto de un material hacia otro punto del
mismo material o hacia un material contiguo. El calor es visualizado corno una
actividad molecular; realmente es la vibracin de las molculas de un material.
Cuando una parte de un material es calentada la vibracin molecular en ese punto
aumenta. Este incremento de la actividad molecular es transmitido a las molculas
adyacentes y estas a su vez lo transmiten a otras molculas establecindose un flujo
4 Las entalpias fueron tomadas de los apndices de CENGEL. (2002).
-
40
de calor desde el punto caliente hasta las zonas ms fras. En un material cualquiera,
si se mantiene aplicada una rata de energa o calor constante, la temperatura
disminuye uniformemente desde el punto ms caliente hasta el punto ms fro.
Las sustancias difieren grandemente en su habilidad para conducir el calor. Los
gases y los vapores son considerados pobres conductores, los lquidos son mucho
mejores y los metales son los mejores conductores. La habilidad de conduccin del
calor es conocida como conductividad trmica, K.
La conduccin de calor se caracteriza como la velocidad de transito de energa
calrica dentro de un mismo medio (solido, liquido o gaseoso), generndose por la
diferencia de temperaturas, o entre dos medios diferentes en contacto fsico, se
estudia bajo la ley de Fourier [10].
=
(2.11)
Donde:
qx: Flujo de calor por unidad de rea o intensidad de calor
k: Conductividad trmica
dT: Diferencial de temperatura
dx: Diferencial de la longitud en la direccin x.
Para estudiar la conduccin de calor en tres dimensiones, se aplica la primera ley
de la termodinmica [10], a la ley de Fourier:
+
+
=
(2.12)
Donde:
Cp.: Calor especifico (kJ/kg.K)
-
41
: Densidad (kg/m3)
q: Generacin de calor interna por unidad de volumen
x,y,z= Componentes vectoriales del flujo de calor.
e) Calor por conveccin
Cuando un fluido es calentado, su densidad - peso por pie cbico - disminuye. Si
parte de una masa de un fluido es calentada, la parte ms fra y ms pesada tiende a
desplazar la parte ms caliente, entonces la porcin que estaba fra se calienta y a su
vez es desplazada. El resultado es un flujo continuo de fluido fro hacia el rea
caliente y de fluido caliente alejndose de dicha rea establecindose una corriente
por conveccin. El movimiento del fluido caliente se convierte en un medio de
transferencia de calor.
La conveccin se refiere a la energa calrica que se transfiere desde una regin
de interfaces entre un slido y un fluido en movimiento, a razn de la diferencia de
temperaturas entre ambos medios [10]. Est asociada a la capa limite que se forma del
flujo del fluido, esto en funcin de un coeficiente de conveccin como propiedad
trmica del fluido y un correspondiente nmero de correlacin de propiedades
llamado, Nusselt, para clculos de conveccin.
Cuando la sola diferencia de densidades establece el flujo, se llama conveccin
natural. Cuando un ventilador o bomba ayuda a establecer dicho flujo se llama
conveccin forzada
La ley de enfriamiento de Newton [11] se adecua al fenmeno de conveccin de
la siguiente manera:
= (2.13)
-
42
Donde:
q: Flujo de calor por conveccin (W/m2)
h: Coeficiente de conveccin (W/m2.K)
T: Temperatura del fluido (C)
Ts: Temperatura de la superficie (C)
En la caldera se producen la transferencia de calor mediante dos formas de
conveccin:
= . (2.14)
Donde:
Qconv= Calor por conveccin de los gases (W)
At: rea exterior total del serpentn. (m2)
Tg: Temperatura de los Gases de combustin (C)
Tm: Temperatura promedio de la superficie externa del serpentn. (C)
= (2.15)
Donde:
Qconv: flujo de calor en intercambiadores de calor (W)
A: rea superficial de transferencia (m2)
U: Coeficiente global de transferencia de calor (W/m2.K)
Tml: Temperatura media logartmica (C)
La ecuacin (2.15) representa el calor absorbido por el fluido por la formula de
diferencia de temperatura media logartmica para intercambiadores de calor [10].
Por otro lado la temperatura media logartmica se calcula de la siguiente manera:
-
43
= , ( , )
( ,
,)
(2.16)
Ts: Temperatura de superficie del serpentn (C)
Tm,e: Temperatura media de entrada del fluido (C)
Tm,s: Temperatura media de salida del fluido (C)
f) Coeficientes de Conveccin
Se determinaron los coeficientes de conveccin promedios para el lado del
serpentn donde se estudio la conveccin natural producida por los gases de
combustin, adems del coeficiente de conveccin forzada interna para el fluido que
pasa por dentro del serpentn.
=
(2.17)
Donde
NuD: Numero de Nusselt Promedio
D: Dimetro del tubo (m)
kf: Conductividad trmica promedio del fluido (W/m K)
g) Nmero de Nusselt
La correlacin de Gnielinski [10] se aplica para flujo forzado en tuberas rectas y
esta dado por:
=
8 1000
1 + 12.7 (
8 )1
2 (2
3 1) (2.18)
-
44
Donde:
Pr: Numero de Pranlt
Red: Numero de Reynolds
Para los cuales se deben cumplir las siguientes condiciones:
0.5 < < 2000
3000 < < 506
10
Esta correlacin debe tener las propiedades del fluido evaluadas a Tm
(temperatura promedio) y el factor de friccin (f) ser:
=64
Si: ReD < 2300
= [0.79 1.64]2 Si: 3000 < ReD < 506
Para la conveccin natural en tubos horizontales, el nmero de Nusselt se calcul
por medio de la correlacin de Churchill y Chu [10]:
= 0.60 +0.387()
16
[1 + (0.559/)9
16 ]8
27
2
(2.19)
Donde:
Nud: Numero de Nusselt para conveccin natural
Rad: Numero de Rayleigh
Pr: Numero de Pranlt
Esta ecuacin es vlida siempre que:
1012
-
45
El nmero de Rayleigh se calcula evaluando las propiedades del medio a Tf y
aplicando la siguiente ecuacin:
=
3
(2.20)
O anlogamente:
=
3
( )
(2.21)
Donde:
g: Es la aceleracin de la gravedad (m/s2)
: Coeficiente trmico de expansin volumtrico (K-1)
T: Temperatura de los gases de combustin (C)
Ts: Temperatura de superficie (C)
: Viscosidad cinemtica (m2/s)
: Viscosidad Absoluta (kg/s m)
: Densidad (kg/m3)
k: Coeficiente de conductividad trmica (W/m.K)
Cp: Calor especifico (kJ/kg. K)
D: Dimetro de la tubera (m)
Tf: Temperatura de pelcula (C)
: +
2 (2.22)
Para el caso de conveccin natural en placas verticales planas se aplica la
correlacin para el nmero de Nusselt de Churchill y Chu [10]:
-
46
= 0.680 +0.670 ()
14
[1 + (0.492/)9
16 ]4
9
1
(2.23)
h) Correlaciones para el clculo de la transferencia de calor en una sola fase en
tubos curvos. Correlacin de Seban y McLaughlin.
Las correlaciones para el clculo del coeficiente convectivo h en tubos rectos se
encuentran ampliamente documentadas en la literatura, entre las cuales la ms
utilizadas son las propuestas por Sieder y Tate, y por Gnielinski [10].
Para una configuracin con forma de serpentn helicoidal y un fluido sin cambio
de fase, el valor de h fue estudiado por Seban y McLaughlin [18]. Estos autores
propusieron una correlacin para flujo turbulento la cual viene dada por la ecuacin:
=
= 0.023 0.8 0.4
1
20
1
10
(2.24)
Donde:
Re: Numero de Reynolds
k: Coeficiente de conduccin trmica (W/m K)
D: Dimetro interno de la tubera (m)
Pr: Numero de Pranlt
DH: Dimetro del serpentn (m)
Las propiedades del fluido se evalan a temperatura promedio y esta ecuacin es
vlida para flujos comprendidos entre 6000
-
47
i) Radiacin
Todos los cuerpos irradian energa. Un cuerpo expuesto a radiacin se calienta
solamente sobre el lado expuesto; el otro lado est en la "sombra" y permanece fro.
La radiacin se obtiene como consecuencia de la transferencia de energa
electromagntica (cuantus de energa o fotones) debido a la diferencia de temperatura
entre dos elementos, se propaga mediante ondas electromagnticas originadas por
emisiones de la materia. Sin embargo, esta transferencia de calor no requiere de
materia alguna como medio para su transicin [10].
j) Coeficiente de transferencia de calor por Radiacin
= + 2 +
2 (2.25)
Donde:
hr: Coeficiente de transferencia de calor por radiacin (W/m2 K)
: Emisividad de la superficie
: Constante de Stefan Boltzmann
Ts: Temperatura de la superficie (C)
T: Temperatura de los gases (C)
k) Circuito trmico equivalente
Mtodo anlogo formal entre las leyes que rigen la conduccin elctrica y la
conduccin trmica en cuerpos homogneos e istropos. A la tensin elctrica le
corresponde la diferencia de temperaturas; a la corriente elctrica, el flujo de calor; a
la resistencia elctrica, la resistencia trmica. Las leyes relacionadas entre s son la
ley de Ohm en la electricidad y la ley de Fourier para la conduccin trmica. Adems
las redes de resistencia elctrica se aplican para solucionar problemas de conduccin
-
48
unidimensional en paredes planas, cilndricas y esfricas en condiciones de superficie
conectiva o radiativa [10].
2.2.4.3. Aspectos Estructurales
Una vez determinada la capacidad de la caldera se debe verificar la resistencia a
los esfuerzos tensinales, cortantes y la combinacin de estos, a la que ser sometida
y que deber soportar durante su funcionamiento.
En los recipientes cilndrico sujetos a presin, cilindros hidrulicos, tubos de
can y tuberas que conducen fluidos de alta presin, se presentan esfuerzos
radiales y tangenciales cuyo valor depende del radio del elemento en consideracin.
Para determinar el esfuerzo radial (r) y el esfuerzo tangencial (t) se utiliza la
hiptesis de que la deformacin longitudinal es constante en toda la circunferencia
del cilindro [13].
= 2 2 2 2 ( )/2
2 2 (2.26)
= 2 2 + 2 2 ( )/2
2 2 (2.27)
Donde:
t: Esfuerzo tangencial (kg/m2)
r: Esfuerzo radial (kg/m2)
a: Radio interior del cilindro (m)
b: Radio exterior del cilindro (m)
Pi: Presin Interna (MPa)
Pe: Presin externa (MPa)
-
49
r: Distancia radial de un diferencial de un anillo que pasa por el centro del
espesor del cilindro
a) Clculos de Coraza de la caldera
El anlisis del recipiente se realiza a presin externa
