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DISEÑO DE UN ECONOMIZADOR PARA UNA CALDERA DE 500BHP

JUAN PABLO GUIOT MELO DAVID LEONARDO RAMOS ROJAS

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C.

2.018

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DISEÑO DE UN ECONOMIZADOR PARA UNA CALDERA DE 500BHP

JUAN PABLO GUIOT MELO DAVID LEONARDO RAMOS ROJAS

Proyecto Integral de Grado para optar el título de INGENIERO MECÁNICO

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C.

2.018

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Nota de aceptación: ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________

______________________________ Presidente del jurado

Ing. Gabriel Hernando Rivera Rodríguez

______________________________ Jurado 1

Ing. Erick Fabien Navarro Arques

______________________________ Jurado 2

Ing. Carlos Arturo Mendoza Neira

Bogotá D.C. Junio, 2.018

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DIRECTIVAS DE LA UNIVERSIDAD

Presidente de la Universidad y Rector del Claustro

Dr. Jaime Posada Díaz

Vicerrector de Desarrollo y Recursos Humanos

Dr. Luis Jaime Posada García-Peña

Vicerrectora Académica y de Posgrados

Dra. Ana Josefa Herrera Vargas

Decano Facultad de Ingenierías

Ing. Julio César Fuentes Arismendi

Director Ingeniería Mecánica

Ing. Carlos Mauricio Veloza Villamil

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Las directivas de la Universidad de América, los jurados calificadores y el cuerpo de docentes no son responsables por los criterios e ideas expuestas en el presente documento. Estos corresponden exclusivamente los autores.

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Doy gracias Dios porque nunca me abandonó en este largo camino, de igual manera a mis padres, Ricardo Alfonso Guiot y María Judith Melo, ya que siempre me tendieron la mano tras cualquier tropiezo, por apoyarme siempre a cumplir mis sueños, también a mis hermanos por las enseñanzas que pude recoger de cada uno de ellos, porque ellos siempre fueron un bastón para mí en todos los momentos difíciles.

Juan Pablo Guiot Melo

A lo largo de este proceso formativo he encontrado el apoyo incondicional de las personas más importantes en mi vida, quienes de la mano de Dios le han dado un rumbo a mi desarrollo profesional, por esta razón quiero agradecer especialmente a mis padres Leonardo Ramos Castro y Claudia Patricia Rojas Mendoza, a mi hermana, abuelos y demás familiares quienes han enriquecido este proceso.

David Leonardo Ramos Rojas

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Primordialmente queremos agradecer a Dios y a la Virgen, porque gracias a ellos este trabajo de grado pudo salir adelante, porque nos brindaron la sabiduría necesaria para afrontar y poder terminar este proyecto. Agradecemos a la empresa Colmaquinas S.A por brindarnos la oportunidad, en especial al Ingeniero Alberto Jiménez que nos brindó su apoyo para la elaboración de este trabajo. La Universidad América, que nos formó como profesionales. A los ingenieros Carlos Mendoza, Mauricio Veloza y Gabriel Rivera por su apoyo a lo largo del camino de desarrollo de la tesis. Y un agradecimiento a todos mis compañeros de la carrera porque por ellos este camino arduo y largo fue más fácil de llevar.

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CONTENIDO

pág.

INTRODUCCIÓN 15 1. LA EMPRESA 17 1.1 GENESIS 17 1.2 POLÍTICA INTEGRAL HSEQ 17 1.3 produccion 18 1.4 CLIENTES 19 2. CALDERAS 21 2.1 RECUPERADOR DE CALOR 22 2.1.1 Economizador 23 2.2 EVALUACIÓN DE COMBUSTIÓN EN LAS CALDERAS 24 2.3 NORMATIVIDAD 26 3. CARACTERIZACIÓN DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN 31 3.1 FLUJO MÁSICO DE GASES 35 3.2 PROPIEDADES DE LOS GASES 35 4. PARAMETRIZACIÓN DEL DISEÑO 40 4.1 DISEÑO CONCEPTUAL 40 4.2 DIMENSIONES DEL ECONOMIZADOR 41 4.3 CONDICIONES DE DISEÑO 41 4.4 CONDICIONES DE OPERACIÓN 42 4.5 MATERIALES 42 5. ALTERNATIVAS 45 5.1 INTERCAMBIADOR DE TUBO Y CORAZA 45 5.2 FLUJO PARALELO 46 5.3 FLUJO CRUZADO CON ALETAS 47 5.4 PARAMETROS DE SELECCIÓN 48 6. DISEÑO DEL ECONOMIZADOR 52 6.1 DISEÑO TERMICO 52 6.1.1 Temperatura de salida del agua del economizador 52 6.1.2 Tasa de transferencia de calor 53 *6.1.3 Temperatura de salida de los gases 53 6.1.4 Análisis de temperaturas del proceso 53 6.1.5 Diseño del intercambiador de calor 55 6.1.6 Área de flujo 68 6.1.7 Efectividad de transferencia 68

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6.1.8 Caída de presión en las tuberías 69 6.1.9 Perdida de presión por tiro 70 6.1.10 Aislante del equipo 73 6.2 DISEÑO DE CABEZAL DE ENTRADA Y SALIDA DE AGUA 77 6.2.1 Selección de las bridas 79 7. SIMULACIÓN 80 7.1 PARAMETROS DE SIMULACIÓN 80 7.2 SIMULACIÓN TERMICA 82 7.3 COMPORTAMIENTO DE LOS GASES SOBRE LA TUBERÍA 84 8. MANUALES 86 8.1 MANUAL DE OPERACIÓN 86 8.1.1 Descarga del equipo 86 8.1.2 Instalación del equipo 86 8.1.3 Arranque del equipo 89 8.1.4 Monitoreo de desempeño 89 8.2 MANUAL DE MANTENIMIENTO 89 9. EVALUACIÓN FINANCIERA 93 9.1 COSTOS DISEÑO Y FABRICACIÓN DEL INTERCAMBIADOR 93 9.2 COSTOS DE MATERIALES 93 9.3 COSTOS DE MANO DE OBRA 94 9.4 COSTOS INGENIERILES 94 9.5 COSTOS TOTALES DE INVERSIÓN 95 9.6 COSTOS DE COMBUSTIBLE 95 9.7 RELACIÓN BENEFICIO/COSTO DEL PROYECTO 95 10. EVALUACIÓN AMBIENTAL 99 10.1 IDENTIFICACION DEL IMPACTO AMBIENTAL 100 11. CONCLUSIONES 104 12. RECOMENDACIONES 105 BIBLIOGRAFIA 106 ANEXOS 107

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LISTA DE TABLAS

pág. Tabla 1. Datos de operación de la caldera 25 Tabla 2. Composición del gas natural 31 Tabla 3. Peso de los compuestos del gas natural 32 Tabla 4. Balance de las ecuaciones 33 tabla 5. resultados de los balances 33 Tabla 6. Relación gases 34 Tabla 7. Relación aire 35 Tabla 8. Análisis de los humos 36 Tabla 9. Propiedades termofílicas de los componentes de los gases de combustión a 1atm 36 Tabla 10. Propiedades de los humos 39 Tabla 11. Datos de proceso 40 Tabla 12.Tabla de materiales para el diseño 43 Tabla 13. Propiedades químicas ASTM/ASME A53-GR B 43 Tabla 14. Propiedades mecánicas ASTM/ASME A53-GR B 43 Tabla 15. Composición química ASTM/ASME A192 43 Tabla 16. PROPIEDADES MECÁNICAS ASTM/ASME A192 43 Tabla 17. Composición química ASTM/ASME A516-GR 70 44 Tabla 18. Propiedades mecánicas ASTM/ASME A516-GR 70 44 Tabla 20. Parámetros de selección de 49 Tabla 21. Puntuación alternativas 50 Tabla 22. Selección de alternativas 50 Tabla 23. Análisis de temperaturas 54 Tabla 24. Factor de obstrucción de fluidos industriales. 62 Tabla 25. Propiedades del aire 74 Tabla 26 . Manteniemiento correspondiente a los componentes del equipo 91 Tabla 27. Costos de materiales 94 Tabla 28. Costo mano de obra 94 Tabla 29. Costos de ingeniera 97 Tabla 30. Costos totales 98 Tabla 31. Cantidades admisibles de contaminantes 100 Tabla 32. Cantidades admisibles de contaminantes 100 Tabla 33. Criterios de evaluación de impacto ambiental 101 Tabla 34. Impacto ambiental 101 Tabla 35. Evaluación de impacto ambiental 102

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LISTA DE GRÁFICAS

pág.

Grafica. 1 Análisis de temperaturas 54 Grafica. 2 Eficiencia de la aleta 64 Grafica. 3 Coeficiente de Transferencia de Calor por convección para el agua 66 Grafica. 4 Factor de corrección para 67 Grafica. 5 Factor de configuración 72 Grafica. 6 Curva de incremento de temperatura 83

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LISTA DE IMÁGENES

pág.

Imagen. 1 Diagrama T-h 21 Imagen. 2 Caldera pirotubular 22 Imagen. 3 Flujo de agua 40 Imagen. 4 Arreglo de tubos 42 Imagen. 5 Intercambiador de flujo paralelo 46 Imagen. 6 Tubo aleta 47 Imagen. 7 Diseño modelado 52 Imagen. 8 Flujo cruzado 55 Imagen. 9 Dimensiones del tubo aleta 57 Imagen. 10 Esquema del aislante 76 Imagen. 11 Cabezal diseñado 79 Imagen. 12 Brida Slip on 79 Imagen. 13 Parametrización del agua con apoyo de la biblioteca de ANSYS 80 Imagen. 14 Parametrización de los gases de combustión según su caracterización 81 Imagen. 15 Condiciones de frontera del flujo de gas 81 Imagen. 16 Enmallado para la simulación 82 Imagen. 17 Resultados de la simulación 83 Imagen. 18 Resultado de simulación del gas sobre el tubo. 84 Imagen. 19 Temperatura en las aletas 85 Imagen. 20 Descarga del equipo 86 Imagen. 21 Ajuste de tubería 87 Imagen. 22 Ubicación del economizador 88 Imagen. 23 Desensamble economizador para hacer mantenimiento 89 Imagen. 24 Control de temperaturas 90 Imagen. 25 Incrustaciones en las aletas 91

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LISTA DE ANEXOS

pág.

Anexo A. Datos de tubos para intercambiadores de calor 108 Anexo B Datos de tubería de acero 109 Anexo C Catalogo de bridas WN 150lbs sch std 110 Anexo D. Formato para la selección de bridas 111 Anexo E. Cálculos del intercambiador en Excel 112 Anexo F. Cotización materiales para el intercambiador 113 Anexo G. Cotización laminas 114

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RESUMEN

Durante el desarrollo de este proyecto se realizó el DISEÑO DE UN ECONOMIZADOR PARA UNA CALDERA DE 500BHP. Se da inicio con el análisis de eficiencia actual de una caldera de la misma capacidad, acorde con las condiciones de agua de alimentación a temperatura ambiente. Inicialmente, se realizó la caracterización de los gases producidos por la combustión en la caldera dando paso así a la parametrización del diseño. Posteriormente, se realizó un análisis de temperatura de la salida del gas vs la temperatura de salida del agua del economizador. Con los datos que se obtuvieron se procede a realizar el diseño del intercambiador. Asimismo, se realizan los cálculos de las pérdidas de presión en las tuberías y en la chimenea. Para determinar la forma de alimentación y de evacuación del agua, se procede a realizar el diseño de los cabezales y la selección de bridas para estos. Después de obtener el diseño, se procede a realizar la simulación de análisis térmico en la tubería apoyados en el software ANSYS, en el cual, se analizó el incremento de temperatura del agua en el último nivel del intercambiador. Posteriormente se realizaron los manuales de operación y mantenimiento del equipo para poder así concluir el documento con la evaluación financiera, en donde se realiza un análisis de costo-beneficio del equipo. PALABRAS CLAVE: Economizador, Caldera, Entalpia, Calor, Coeficiente de transferencia de calor, Combustible, Gases de combustión.

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INTRODUCCIÓN En el XVIII Congreso de Naturgas, que se celebró el 27 de abril de 2.015 en la ciudad de Medellín, se dio a conocer un pronóstico realizado por la Unidad de Planeación Minero – Energética (UPME) que trataba de implementar en el gas natural alzas con un precio a mediano y a largo plazo. Lo anterior con el fin de garantizar el abastecimiento interno del mismo, durante los próximos años en el país, teniendo en cuenta que, los entes reguladores observaban como el gas natural se había convertido en uno de los principales combustibles en Colombia, incrementando significativamente su demanda. Por lo anterior, las industrias usuarias de calderas con alimentación de gas natural, se verían en la obligación de buscar alternativas para disminuir el impacto de los pronósticos que la UPME había realizado. Así, en la búsqueda de un mejor aprovechamiento de los recursos de las empresas, se posicionaba COLMAQUINAS S.A, empresa que desarrolla productos con niveles de consumo adecuado de combustibles. Dicha empresa, en respuesta a la problemática del momento empezó a generar productos cuya característica era ser recuperadores de calor, supliendo las necesidades de la época. Dentro de los productos que contaban con la posibilidad de implementar se encontraban las calderas que, con apoyo de la tecnología recuperadora de calor, podía aprovechar de una forma más eficiente los recursos suministrados. En consecuencia, de los hechos relatados, surge la importancia de este proyecto, la cual radica en reducir los costos y mejorar la eficiencia de operación de una caldera de 500 BHP, aprovechando los gases de combustión expulsados por la chimenea para poder calentar el agua de alimentación y así disminuir el consumo de combustible (Gas Natural) que produce la energía térmica, el cual es necesario para realizar el cambio de estado de líquido a vapor. El objetivo general de este proyecto es Diseñar un Economizador para una Caldera de 500 BHP, el cual para su cumplimiento tendrá los siguientes objetivos específicos; Evaluar la situación actual de la combustión en las calderas. Caracterizar los gases de combustión. Establecer los parámetros básicos y requerimientos funcionales del

economizador. Establecer alternativas de diseño para aumentar la eficiencia de la caldera.

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Diseñar el sistema del economizador. Evaluar por medio de MEF el comportamiento térmico del economizador. Elaborar los planos del equipo Elaborar los manuales de mantenimiento y operación del equipo implementado. Elaborar la evaluación de impacto ambiental del proyecto. Elaborar el estudio financiero del proyecto.

En el desarrollo del proyecto y el cumplimiento de los objetivos mencionados se aplicará la metodología de búsqueda de información y recopilación de datos con el apoyo de COLMAQUINAS S.A. El alcance del proyecto será el diseño del equipo térmico y la simulación del economizador. El significado de este proyecto es diseñar el equipo para la disminución de costos inherentes al alto consumo de combustibles. También, busca evitar el choque térmico en la entrada de agua a la caldera y la reducción de los gases de escape que salen hacia el medio ambiente. La aplicación del proyecto será para las calderas en uso, o, nuevas con capacidad de 500 BHP.

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1. LA EMPRESA En el desarrollo de este capítulo se hablará sobre la empresa que brindó su apoyo para poder realizar el presente trabajo, requerido como opción de grado de ingeniería mecánica en la Universidad de América.

1.1 GENESIS COLMAQUINAS S.A. es una empresa colombiana con 50 años de experiencia en el desarrollo de la industria del país, durante este proceso la empresa se ha desempeñado en sectores de la industria como el sector petrolero, el petroquímico, plantas cementeras, plantas termoeléctricas, plantas de biocombustible, sector minero, sector azucarero, sector papelero y el sector de alimentos y bebidas. Colmaquinas tiene la capacidad técnico-administrativa y el conocimiento para la ejecución de proyectos en los diferentes sectores de la industria, prestando diversos servicios para el desarrollo de proyectos a gran escala o suministrando soluciones a procesos de la industria, de esta manera generan valor y apoyan al desarrollo de Colombia. Cuenta con una organización interna que le permite desarrollar sus actividades de la mejor forma posible, asignando recursos a diferentes áreas para agilizar y mantener la calidad de los trabajos que realizan a sus clientes, la compañía dedica una gran parte de sus actividades al continuo mejoramiento del talento humano de los integrantes de la empresa, que siempre se interrelacionan con personas que sienten orgullo de pertenecer a una compañía que ha hecho y seguirá haciendo historia en Colombia y en Latinoamérica. La organización ha desarrollado una infraestructura que permite atender los requerimientos de la industria colombiana y latinoamericana. Para ello la empresa cuenta con una oficina principal en Bogotá y sucursales en las principales ciudades del país como los son, Barranquilla, Cali y Medellín. Además, cuenta con su propia planta de fabricación ubicada en el corregimiento de Yumbo, Valle del Cauca, donde posee la infraestructura y personal técnico calificado en diferentes áreas para la fabricación de sus productos 1.2 POLÍTICA INTEGRAL HSEQ En COLMAQUINAS S.A. se busca la satisfacción del cliente a través del desarrollo y comercialización de proyectos industriales, equipos, calderas, repuestos y servicios de mantenimiento. En nuestras operaciones, estamos comprometidos con los siguientes principios:

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Promover la calidad de vida laboral a través de la gestión de los riesgos prioritarios.1

Prevenir enfermedades y accidentes laborales, contaminación y daños a la propiedad en la prestación de servicios.

Brindar productos y servicios con altos estándares de seguridad, calidad y

ambiente, comprometiéndonos con el mejoramiento continuo y cumpliendo con la legislación vigente, los requisitos del cliente y otros aplicables en la organización.

Garantizar los recursos humanos, económicos, físicos y técnicos, necesarios

para el funcionamiento y buen desempeño del sistema integrado de Gestión y el cumplimiento de objetivos y metas establecidas por la organización.

Esta política tiene alcance sobre todos los centros de trabajo y trabajadores, independiente de su forma de contratación o vinculación, incluyendo los contratistas y subcontratistas. 1.3 PRODUCCION Dentro de la producción de COLMAQUINAS S.A se encuentra un portafolio de producción muy amplio el cual puede empezar por equipos auxiliares como es el caso de recipientes a presión y tanques destinados para el almacenamiento de distintas sustancias de acuerdo a la necesidad del cliente; las chimeneas como una solución a los requerimientos ambientales, lavadores de gases teniendo en cuenta su principal propósito como reductor de emisiones particuladas, entre otros, sin dejar a un lado el diseño y elaboración de las calderas como uno de sus principales equipos de producción. Las calderas que se fabrican en la actualidad por la empresa son de tipo pirotubular y acuotubular, este último tipo de calderas es clasificada por su capacidad y cantidad de tambores, estas capacidades puede empezar desde los 5000 LB/H hasta los 350.000 LB/H teniendo en cuenta que se pueden implementar varios tipos de combustibles como lo son: solidos-húmedos, biomasa-carbón, líquidos-dual, o simplemente los más utilizados como líquidos y gaseosos teniendo en cuenta su finalidad al proceso; las calderas pirotubulares tienen una participación muy importante en el ámbito industrial ya que cuentan con una gran variedad de aplicaciones.

1 COLMAQUINAS S.A. Política Integral HSEQ. Disponible en: http: //www.colmaquinas.com/empresa/. [Consultado el Feb 14, 2.018]

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El diseño de las calderas pirotubulares comprende desde la posición en la cual se implementara su uso, este puede ser de forma horizontal o vertical, en las calderas verticales encontramos una menor capacidad de trabajo puesto que maneja rangos desde los 5 BHP hasta los 50 BHP contando con una presión de diseño de 150PSI usando como combustibles el aceite liviano #2, gas natural, propano o dual; dando paso así a las calderas de tipo vertical las cuales cuentan con un rango mayor de capacidad de trabajo de 50 BHP llegando hasta los 1000BHP, contando con dos presiones de diseño de 150 BHP hasta 350 BHP, teniendo en cuenta los combustibles mencionados anteriormente funcionar este tipo de calderas también. Las calderas de tipo pirotubular horizontales tienen una gran variedad de aplicaciones en la industria, por ejemplo, en empresas de manufactura, lavanderías, instituciones de recreación, industrias de papel y cartón, industria farmacéutica y química, y finalmente de alimentos y bebidas. Es por su amplio campo de acción, que tienen tal relevancia en la actualidad, y demandan un mejoramiento continuo. 1.4 CLIENTES COLMAQUINAS S.A. a lo largo de su trayectoria empresarial ha logrado establecer un relacionamiento amplio en el mercado, en donde sus clientes se desempeñan en las distintas áreas del mismo, siendo estas esenciales para el desarrollo de la industria. Los principales clientes de Colmaquinas son2: CROYDON

KELLOGGS BAVARIA CLUB EL NOGAL UNILEVER COCA-COLA PAZ DEL RIO GRUPO FAMILIA CHEVRON KIMBRELY-CLARK 2 COLMAQUINAS S.A. Política Integral HSEQ. Disponible en: http: //www.colmaquinas.com/empresa/. [Consultado el Feb 14, 2.018]

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ALQUERIA SANTAFE COLGATE-PALMOLIVE SUCROAL S.A. MET Y TRULEUM La empresa ha tenido participación en importantes proyectos como, el mantenimiento en las unidades de generación, construcción de obras civiles y montajes electromecánicos en la Central Térmica Martín del Corral de Zipaquirá – Termozipa, montaje de la planta de balance y planta de optimización de Ecopetrol de Barrancabermeja, entre otros.

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2. CALDERAS Las calderas son maquinas térmicas, las cuales se usan para convertir el agua en vapor, y tiene diferentes aplicaciones, como para la generación de energía o en algún proceso industrial. El diseño de estos equipos se realiza dependiendo del flujo de vapor necesario y las condiciones de operación3. En el proceso de la generación de vapor es necesario el uso de un combustible, el cual sirve para producir la cantidad necesaria de energía térmica para que el agua realice su cambio de estado.

Imagen. 1 Diagrama T-h

Fuente: Elaboración propia

En la Imagen. 1 se ilustra el diagrama T-h, el cual muestra los puntos hf y hg en una curva a presión constante; estas, son las entalpias a temperaturas de saturación del líquido y vapor correspondiente. La diferencia marcada entre las dos entalpias muestra el calor necesario que necesita ser inyectado en la caldera para poder producir el cambio de estado Q=(hg-hf). Este calor será producido por un combustible seleccionado previo al diseño del equipo, que dependera de su poder calorífico. En las calderas pirotubulares Imagen. 2 la transmisión de calor se da por medio del paquete multitubular (1 y 2) haciendo que por este circulen los gases de combustión, calentando así, el fluído líquido. Este paquete cubre el acumulador del líquido que por medio de la transferencia de calor produce el cambio de estado. Después de que los gases circulan por la caldera, salen por medio de una chimenea hacia el sumidero. 3 New York The Babcock y Wilcox. 2005

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Imagen. 2 Caldera pirotubular

Fuente: DUC, Jessi. Tratamiento de agua y químicos para sistemas de aguas para calderas. [0] Disponible en: http://sistemadeaguasdecalderas.blogspot.com/. [Consultado el Feb 12, 2.018].

Colmaquinas fabrica calderas pirotubulares horizontales con capacidades de 50 a 1.000 BHP (BHP: boiler horse power) para la producción de vapor saturado con presión de hasta 350 psig. Las calderas de 500 BHP producen vapor saturado a una presión de diseño de 150 psig (10,34 bar). 2.1 RECUPERADOR DE CALOR Los sistemas de recuperadores de calor están compuestos por equipos que aprovechan los gases de salida de la cámara de combustión y son evacuados por la chimenea de las calderas, como estos gases salen con una gran cantidad energía calórica, se comienzan a diseñar estos equipos en busca del aumento de la eficiencia de la caldera.

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La justificación de la implementación de estos equipos está dada por el costo de producción de vapor, dado que, si este disminuye con la adquisición de este sistema, el costo de la inversión será rentable tanto para el usuario como para el productor. Gracias a la temperatura con la que salen los gases de combustión, se puede recuperar el calor con dos equipos diferentes. El primer equipo es un economizador y el segundo es un calentador de aire; ambos equipos trabajan bajo los principios de convección y radiación. Algunas veces estos equipos trabajan de manera conjunta, pero esto depende de la capacidad que tenga la caldera. Para calderas de menor capacidad con baja presión, se considera más eficiente el uso de un economizador, mientras que para calderas con mayor capacidad (> 50.000 lb/h de vapor) se recomienda la implementación de un calentador de aire4. Algunas de las ventajas de la instalación de estos equipos son: La cantidad de calor que puede ser absorbida y la reducción de temperatura de

los gases de salida al medio ambiente.

Mayor temperatura del agua de alimentación o del aire de combustión

La reducción de costos en la combustión. La diferencia de temperatura de entrada con la de salida. La mejora de la calidad de la mezcla en la combustión Según las características mencionadas anteriormente, el desarrollo del proyecto se enfocará en los economizadores. 2.1.1 Economizador: es uno de los equipos que permite una recuperación de calor y de manera paralela disminuye los consumos. El economizador está conformado por una sección de tuberías en las que fluye el agua que alimenta la caldera. Este equipo es un intercambiador de calor que aprovecha la energía térmica de los gases de combustión desechados por la caldera para elevar la temperatura del líquido y llevarla cerca al punto de ebullición que va a ingresar a la misma. 4 DONALD SWIFT, Charles y ROSAS MENDOZA, Rene. Plantas de vapor. Arranque, prueba y operación. México: Continental, 1965, p 351.

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En este proceso, para que surta efecto la combustión se deben cumplir tres condiciones: la primera, una combinación química; segundo, que sea lo suficientemente fuerte para producir liberación de calor; y, por último, debe haber un detonante que de ignición a la mezcla. Hay que tener en cuenta que, el oxígeno que se necesita para la combustión es tomado de aire, el cual posee 77% de este elemento. Combinación térmica: el producto final debe ser diferente a los elementos que

entraron después de haber producido la combustión.

La reacción química debe ser fuerte e instantánea

Debe haber liberación de cierta energía calórica. Tipos de combustión; Se habla de combustión completa cuando los gases de salida están compuestos

únicamente de CO2, H2O, SO2 y N2; es decir, no quedan residuos de combustible sin quemar.

Cuando el combustible no reacciona completamente y quedan residuos en los gases de combustión se conoce como combustión incompleta, esto es debido a que se posee una menor cantidad de aire que en la combustión teórica, provocando la aparición inquemados.

La combustión teórica o estequiométrica es la que se realiza con la mezcla teórica

de oxígeno, donde la cantidad mencionada anteriormente, es la necesaria para poder producir la oxidación total del combustible sin que se produzcan inquemados.

Cuando la combustión posee más aire que la combustión teórica se tiende a

oxidar todo el combustible y evitar que se produzcan inquemados. En los gases de combustión hay presencia de O2. Aunque durante en este proceso se oxide todo el combustible, también se genera pérdidas de calor por exceso de aire.

2.2 EVALUACIÓN DE COMBUSTIÓN EN LAS CALDERAS Teniendo los valores teóricos de la caldera, se evalúa la eficiencia de la caldera sin que el agua de alimentación haya sido precalentada, para así poder realizar el análisis del estado actual de la caldera. Para ello, es importante saber que la eficiencia de la caldera es la relación del calor aprovechado en el sistema sobre el calor generado por el combustible. A continuación, se muestra la fórmula obtenida de la Guía Básica para Calderas

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Eficientes de la Comunidad de Madrid con la cual se va a calcular la eficiencia de la caldera.

𝜂 =��

��∗ 100

𝜂 =�� ℎ − ℎ + �� (ℎ − ℎ )

�� ∗ 𝑃𝐶𝑆∗ 100

En la Tabla 1. se muestra los datos necesarios para evaluar el comportamiento de la caldera. Tabla 1. Datos de operación de la caldera

Símbolo Parámetro Magnitud Unidades .

mvapor

Flujo másico del vapor

17.250 Lb/h

. mpurga

Flujo másico de la purga

862,5 Lb/h

. Vcomb

Flujo volumétrico del gas natural

21.589,305 ft3/h

hvapor

Entalpia de vapor saturado (Tsat a P=164.7 psia)

1.195,563

BTU/lb

halim

Entalpia del agua de alimentación (T=80°F; P=179.4psia)

58,05

BTU/lb

hdomo Entalpia del agua en el domo de la caldera (Tsat a P=164.7 psia)

336,3819

BTU/lb

PCS Poder calorífico del gas natural

1.150 BTU/ft3

Fuente: elaboración propia

𝜂 =17.250 𝑙𝑏

ℎ 1.195,563 𝐵𝑇𝑈ℎ − 58,05 𝐵𝑇𝑈

ℎ + 862,5 𝑙𝑏ℎ (336,3819 𝐵𝑇𝑈

ℎ − 58,05 𝐵𝑇𝑈ℎ)

21.589,305𝑓𝑡

ℎ ∗ 1.150 𝐵𝑇𝑈𝑓𝑡

∗ 100

𝜂 = 80%

La eficiencia de la caldera con el agua de alimentación a temperatura ambiente, sin ser precalentada, es del 80%.

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Según el autor del libro Plantas de Vapor, la eficiencia de la caldera aumentará con la instalación del economizador en un 5% aproximadamente, ya que este porcentaje es el incremento más común en las calderas cuando se instalan estos equipos. Para poder obtener el incremento de eficiencia se deberá realizar una reducción de cambiable, aumentando la temperatura del agua de alimentación que llega a la caldera. 2.3 NORMATIVIDAD Para la elaboración de un equipo como una caldera o cualquiera de sus auxiliares, es indispensable conocer las necesidades del cliente puesto que proporcionará una idea de cuáles pueden ser las condiciones de operación de esta. Para encontrar los puntos de enfoque que va a tener el diseño, existen los siguientes factores a tener en cuenta: Intereses del propietario. Intereses del usuario. Intereses del fabricante. Intereses de la compañía. Intereses de las entidades gubernamentales. Para encontrar un punto de equilibrio entre estos focos de necesidades, se han desarrollado una serie de reglas y códigos, mediante la asesoría directa de: El ASME Boiler and Pressure Vessel Committee. Fabricantes de calderas. El National Board.

La seguridad de estos equipos se garantiza mediante el código de prácticas el cual es respaldado por Cooperar junto con el ASME Boiler and Pressure Velse Committee, entes especializados en la preparación de reglamentos y regularizaciones específicas para la construcción de calderas. Estos reglamentos están diseñados para que, durante el empleo de materiales, se utilicen solamente los que son aprobados y afines con el equipo, asimismo, se debe tener en cuenta que el diseño del equipo sea apropiado, y que se cuente con la autorización para la construcción de los equipos.

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A través del tiempo, se han desarrollado diferentes mecanismos de seguridad, con el fin de evitar posibles inconvenientes que se puedan presentar al usar los equipos. A continuación, se esbozará la reglamentación existente:5 Contar con una previa autorización para la adquisición de estas medidas de

seguridad y reglamentos. Poseer los instrumentos para la implementación de este. Adquirir los instrumentos necesarios para las revisiones de los procedimientos. El seguimiento de la normativa ASME para establecer los parámetros correctos

en el uso y construcción de equipos como calderas. Existen 9 pasos fundamentales para la legalización de la construcción de equipos que puedan alcanzar una certificación de los procesos concernidos en el Model Bill: Establecer todas las precauciones necesarias para obtener un ambiente de

trabajo seguro al personal y a la misma propiedad. Prestación de un cuerpo de trabajo dedicado a la reglamentación para la

construcción de calderas. Creación de la reglamentación necesaria para la construcción, mantenimiento y

uso de equipos e instalaciones con este propósito. Desarrollar pruebas y medidas para el personal destinado a la inspección de

equipos. Verificar una constante revisión de los equipos teniendo en cuenta todos los

informes que se deben establecer para estos. Salvaguardar el cumplimiento del reglamento sobre calderas. Generar todos los certificados necesarios para la inspección. Dar una efectiva respuesta a todas las peticiones. Hacer cumplir la cláusula del acta. Según los parámetros del Model Bill se han llegado a reglamentar los siguientes puntos: 5 Carl D Shield. Calderas. Mexico. 1965. P. 155-161

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Los procedimientos como: construcción, inspección y sellamiento de acuerdo con el ASME.

El certificado que se le expide a los inspectores debe estar conforme con la

National Board. Las calderas que tengan como fuente de combustible el gas natural, deben estar

sujetas a los requerimientos de American Gas Association. Todos los procedimientos que se lleven a cabo para dar lugar a la inspección

deben ser regulados por el código de inspección del Consejo Nacional. El organismo que certifica el cambio de partes o reparaciones debe ser la

National Board Inspection Code. Los diversos cambios generados deben estar de acuerdo con el reglamento de

la National Board Inspection Code. La necesidad de reglamentar los diferentes procedimientos en el tiempo, le ha otorgado importancia a la creación y al desarrollo de la ASME (Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos). Asimismo, con el propósito de reafirmar dicha importancia, se establece un comité de calderas y tanques de presión, que tiene como funciones: Garantizar la seguridad como eje principal para el diseño, fabricación, e

inspección estipuladas para las calderas a lo largo de su elaboración. Solventar las dudas que surjan respecto a las condiciones de diseño. Su principal objetivo es proteger y proveer todo lo necesario para realizar las inspecciones correspondientes, sin embargo, hay que tener en cuenta que, el comité no va a generar ningún tipo de sugerencia o cambio al diseño expuesto por el fabricante de las calderas o equipos. Este proceso, surte efecto de la mano de la National Board, que realiza las verificaciones físicas y coordina los requisitos necesarios. Cabe precisar algunas consideraciones requeridas para el diseño y construcción de calderas y equipos adicionales, las cuales se señalan a continuación: Dentro de la operación y el diseño de los equipos es importante tener en cuenta

la presión.

29

Para el diseño es fundamental tener en cuenta factores como: la resistencia de los materiales, los espesores mínimos de las tuberías y placas, así como también los esfuerzos de trabajo.6

Las condiciones dadas para la construcción y la producción, especialmente, la

selección de materiales, técnicas de fabricación, y selección de soldaduras. Los requerimientos necesarios para la instalación, en donde se deben tener en

cuenta factores como: los recubrimientos y los soportes estructurales. El equipamiento de accesorios para su construcción como lo son; válvulas,

tuberías principales de vapor, purga y alimentación, columnas de agua. Es indispensable el uso de válvulas de seguridad, como también de válvulas de

alivio, según su capacidad de descarga y calibración. Inspección y verificación del sellamiento de todos los componentes mediante

[1]pruebas hidrostáticas. Verificación de toda la información entregada por el fabricante como los

certificados de inspección. Es importante entender la importancia de estos requerimientos puesto que es la garantía que tienen los clientes y usuarios de estas calderas o equipos, teniendo en cuenta criterios como el tiempo de vida útil del equipo, la cual debe satisfacer a cabalidad la necesidad del usuario de destino. Del mismo modo, se encuentra el código de calderas el cual es el instrumento fundamental para el desarrollo de las mismas y sus generalidades, cuenta con 9 secciones como lo son; Los procedimientos o procesos de soldadura. Instrumentos que funcionan a presión. Recomendaciones e indicaciones diseñadas para una correcta instalación. Calderas para generación de fuerza. Calderas miniatura. Calderas para locomotora. 3 Carl D Shield. Calderas. Mexico. 1965. P. 155-161

30

Calderas para calefacción. Especificación de materiales.

31

3. CARACTERIZACIÓN DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN Para que suceda el proceso de combustión, es necesario tener en cuenta tres puntos fundamentales como lo son: el aire, el combustible y la chispa para que se produzca este fenómeno, lo que posteriormente debe permitir evaluar la reacción teóricamente del aire con el combustible, teniendo en cuenta que la caldera aún no se encuentra en proceso de producción por la empresa. Inicialmente tiene la siguiente composición. Tabla 2. Composición del gas natural

GAS NATURAL

COMPOSICION VOLUMETRICA (%)

PODER CALORIFICO DE LOS COMPUESTOS (𝐵𝑡𝑢/𝑓𝑡 )

DENSIDAD DEL GAS (𝑙𝑏/𝑓𝑡 )

𝐶𝐻 81,86 828,99622 0,034741384 𝐶 𝐻 11,61 208,08603 0,009321669 𝐶 𝐻 1,92 49,7664 0,000229632 𝐶𝑂 3,18 0 0,000372060

𝐶 𝐻 0,45 15,1425 0,000071190 𝑁 0,98 0 0,000072902 Σ 1.101,99115 0,044808837

Fuente: FENOSA Para obtener el poder calorífico total del gas, es necesario hacer la sumatoria de cada uno de los valores para los compuestos, habiendo ya ajustado el porcentaje de la composición volumétrica. Este mismo proceso se realiza para hallar la densidad con lo que obtuvimos los siguientes valores para estas dos propiedades. Poder calorífico (𝑃𝐶) = 1101,99115 𝐵𝑡𝑢/𝑓𝑡 Densidad del gas (𝛿) = 0,044808837 𝑙𝑏/𝑓𝑡 A continuación, se presenta como se puede obtener el peso del combustible y la cantidad de moles por cada 100 lb, para este paso es necesario tener el porcentaje de composición volumétrica y el peso molecular de cada uno de los siguientes compuestos:

32

Tabla 3. Peso de los compuestos del gas natural

GAS NATURAL

COMPOSICION VOLUMETRICA

(%)

PESO MOLECULAR

(𝑃𝑀) PESO(𝑙𝑏) (%) EN PESO

MOLES PARA 100

LBS 𝐶𝐻 81,86 16,0412 1.313,13263 68,6585822 4,28014003

𝐶 𝐻 11,61 30,06373 349,039905 18,2499349 0,6070416 𝐶 𝐻 1,92 44,01 84,4992 4,4181335 0,10038931 𝐶𝑂 3,18 28,0134 89,082612 4,65778223 0,16626979

𝐶 𝐻 0,45 44,094 19,8423 1,03747645 0,02352874 𝑁 0,98 58,12 56,9576 2,97809069 0,051240381

El peso molecular de cada uno de los compuestos es multiplicado por la composición volumétrica dando como resultado la cantidad de peso en libras de estos, posteriormente se puede obtener el porcentaje de peso teniendo en cuenta la totalidad de las libras con relación a cada uno de los compuestos, para finalmente obtener mediante la división del porcentaje de peso sobre el peso molecular y con esto obtener la cantidad de moles para 100 lb. Para continuar con el desarrollo del ejercicio de caracterización se encuentra que para el momento de hacer combustión se producen 4 reacciones expresadas a continuación:

𝐶𝐻 + 2𝑂 → 𝐶𝑂 + 2𝐻 𝑂

𝐶 𝐻 +7

2𝑂 → 2𝐶𝑂 + 3𝐻 𝑂

𝐶 𝐻 + 5𝑂 → 3𝐶𝑂 + 4𝐻 𝑂

2𝐶 𝐻 + 13𝑂 → 8𝐶𝑂 + 10𝐻 𝑂

Con estas tres reacciones ya balanceadas se puede dar paso a la obtención de la cantidad de moles por cada 100 lb para cada uno de los compuestos obteniendo como resultado de la combustión. Para esto se elaboró la siguiente tabla en donde se relaciona cantidad de cada uno de los compuestos según el balance másico por la cantidad de moles por cada 100 lb de compuesto de combustible.

33

Tabla 4. Balance de las ecuaciones

Compuestos 𝑂 𝐻 𝑂 𝐶𝑂 𝑁

MOLES PARA 100

LB 𝐶𝐻 8,560280058 8,56028006 4,280140029 ---- 4,28014003

𝐶 𝐻 2,124645615 1,82112481 1,214083209 ---- 0,6070416 𝐶 𝐻 0,501946546 0,40155724 0,301167928 ---- 0,10038931 𝐶 𝐻 0,305873677 0,23528744 0,188229955 ---- 0,02352874

𝑁 ---- ---- ---- 0,05124038 0,05124038

Este procedimiento se hace para hallar la cantidad de moles por cada 100 lb de gas quemado para cada uno de los 4 compuestos resultantes del mismo.

Tabla 5. Resultados de los balances COMPUESTOS MOLES PARA 100 lb

𝑂 11,4927459 𝐻 𝑂 11,0182496 𝐶𝑂 5,98362112 𝑁 0,05124038

Teniendo en cuenta esto, se pueden desarrollar puntos como la cantidad de aire necesaria para que se produzca una combustión completa, en dondese debe tener en cuenta el exceso de aire como se desarrolla a continuación:

𝑂 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 = 11,4927459moles

100lb

𝑂 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 = 11,4927459 ∗ 1,10 = 12,64202049moles

100lb

𝐸𝑥𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 12,64202049 − 11,4927459

𝐸𝑥𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 1,14927459 moles/100 lb

𝑁 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 12,64202049 ∗79

21= 47,5580771

𝑁 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 47,5580771moles/100 lb

𝑁 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛 = 47,5580771 + 0,05124038

𝑁 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛 = 47,6093174 moles/100 lb

𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 = 47,5580558077 + 12,64202049

34

𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 = 60,2000976 moles/100 lb A partir de este punto se usará la carta psicrométrica que se encentra en el libro termodinámica de Yunus Cengel. Tomando en consideración que en la ciudad de Bogotá se encuentra bajo condiciones de una temperatura de 60 ºF y una humedad relativa del 80%, para estas propiedades tenemos las 0,0088 lb de humedad/ lb de aire seco. El peso molecular para el aire es de 29 lb/mol y para el agua es de 18,0152 lb/mol y con el valor de la humedad podemos efectuar la siguiente formula.

ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 = (𝑙𝑏 ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 /𝑙𝑏 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜) ∗𝑃𝑀 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑃𝑀 𝑎𝑔𝑢𝑎

ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 = 0,01416582 mol de agua/ moles de aire seco

La humedad del aire se obtiene con la relación de aire suministrado con la humedad mediante la siguiente formula.

ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 ∗ ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑

ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 = 0,85278348 moles de agua /100 lb

Se obtiene como resultado los componentes de los gases de combustión y la cantidad de aire para que se logre la misma. Se presentan a continuación un agregado que es la cantidad requerida en libras de gas para la cantidad en libras de gas de combustible.

Tabla 6. Relación gases

GASES Moles/100 lbs pm/100 lb/lb

O2 1,14927 0,319988 0,36775261 H2O 11,0182496 0,180152 1,98495969 CO2 5,98362112 0,4401 2,63339166 N2 47,6093174 0,280134 13,3369885 Hum 0,85278348 0,180152 0,15363065 Σ 18,48

En donde se toma las moles para cada uno de los compuestos por cada 100 lb de gas producto de la combustión y se multiplica por el peso molecular de cada uno de los compuestos resultantes para posteriormente sumarlos y hallar relación de lb de gas sobre las lb de combustible la cual es de 18,48 lb de gas / lb de combustible.

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De igual forma se hace el mismo desarrollo para hallar la relación de lb de aire con humedad sobre las lb de combustible, para esto tendremos en cuenta los compuestos de humedad, oxígeno y nitrógeno, los cuales se presentan en la siguiente tabla.

Tabla 7. Relación aire AIRE moles/100lbs PM/100 lb/lb Hum 0,85278348 0,180152 0,15363065 O2 12,6420205 0,319988 4,04529485 N2 47,6093174 0,280134 13,3369885

Se encuentra que se obtiene una relación de 17,535914 lb de aire /lb de combustible. El anterior procedimiento fue basado en el método expuesto en el libro Principios Elementales de los Procesos Químicos de Felder, con el cual se logró dar paso al desarrollo de la caracterización de los gases resultantes del proceso de combustión. 3.1 FLUJO MÁSICO DE GASES El flujo de gases que pasaran por el economizador esta dado por la relación de la cantidad del consumo de combustible el cual es un factor crítico, puesto que se obtienen multiplicado con la relación de las libras gas natural y la cantidad de las libras de gas expulsado por la chimenea, con el cual se halla el flujo de gas expulsado por la chimenea y se representa a continuación;

𝑊 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 ∗ 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑙𝑏 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

𝑙𝑏 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑝𝑒

𝑊 = 967,39 𝑙𝑏/ℎ ∗ 18,48

𝑊 = 17877,367 𝑙𝑏/ℎ

3.2 PROPIEDADES DE LOS GASES A continuación, se presentarán dos tablas con las cuales se hace una identificación de algunas características de los compuestos que hacen parte del gas expulsado por la chimenea asumiendo que tiene una combustión completa y con la adición del exceso de aire que se presentó anteriormente. La siguiente tabla presenta información extraída del balance de masa que se presentó anteriormente con este se desarrollaron las siguientes propiedades de cada uno de los compuestos del gas de combustión.

36

Tabla 8. Análisis de los humos * COMPUESTO

COMPOSICIÓN O FRACCION VOLUMETRICA

PESO MOLECULAR

PESO MOLECULAR DE LA MEZCLA

FRACCION DE MASAS

CO2 0,142524821 44,01 6,2725 0,3232 H2O 0,115745109 18,015 2,08514 0,10745 N2 0,721826507 28,013 20,2205 1,042 O2 0,019903562 32 0,6369 0,03282

La siguiente tabla presenta las propiedades que se encuentran sobre cada compuesto del gas con los cuales se podrá encontrar la densidad, viscosidad, conductividad térmica y el calor especifico que tiene el gas en el en su totalidad.

Tabla 9. Propiedades termofílicas de los componentes de los gases de combustión a 1atm

COMPUESTO CALOR

ESPECIFICO ( ℉

)

CONDUCUTIVIDAD

TERMICA ℉

VISCOSIDAD DINAMICA

𝑙𝑏𝑚

𝑓𝑡 ℎ

CO2 0.239 0.01778 0.0554 H2O 1.01 0.0237 0.318 N2 0.251 0.0234 0.06057 O2 0,23 0,07102 0,0234

Fuente: CENGEL,Yunus A., et al. Termodinámica. México: Mc Graw Hill, 2003. Para esto se desarrollan las ecuaciones que se presentan a continuación para encontrar cada una de las propiedades mencionadas anteriormente, estas fórmulas y metodología fueron encontradas en la tesis de” DISEÑO Y ANALISIS FINANCIERO DE UN ECONOMIZADOR PARA LA CALDERA DISTRAL 1 DE INCAUCA S.A.” desarrollada por EDWIN RAMOS FAJARDO para la universidad del valle en la ciudad de Cali.

La viscosidad dinámica del gas se encuentra mediante la ecuación que se

presenta a continuación teniendo en cuenta que es expulsado a una temperatura de 400 ºF.

𝜇 =∑yi ∗ 𝜗𝑖√𝑃𝑀

∑yi ∗ √𝑃𝑀

En donde;

𝜗𝑖: Viscosidad dinámica

37

yi: Fracción volumétrica

𝑃𝑀: Peso molecular

𝜇 =(0,142)0 ,0554√44.01 + (0,722)(0,06057)√28,0134 + (0,116)0,318 18,015 + (0,019)0,0234√32

(0,142)√44,01 + (0,722)√28,0134 + (0,116)√18.015 + (0,019)√32

𝜇 = 0,08343𝑙𝑏𝑚

𝑓𝑡 ∗ ℎ

La conductividad térmica se desarrolla mediante la siguiente ecuación y tiene

como unidad de medida ℉

;

𝑘 =∑𝑦𝑖 ∗ 𝑘𝑖 √𝑃𝑀

∑𝑦𝑖 ∗ √𝑃𝑀

En donde; 𝑃𝑀: Peso molecular. yi: Fracción volumétrica. 𝑘 : Conducción térmica.

𝐾 =(0,142)0.01778√44.01 + (0,722)0.0234√28.0134 + (0,116)0.0237√18.015 + (0,020)0,07102√32

(0,142)√44.01 + (0,722)√28.0134 + (0,116)√18.015 + (0,020)√32

𝑘 = 0,02084𝐵𝑡𝑢

ℎ 𝑓𝑡 ℉

Capacidad calorífica de cada uno de los compuestos a una temperatura de (400

℉) son expulsados por la chimenea;

𝑐 = 𝑔 ∗

En donde 𝑔 : Fracción de masa 𝐶 : Calor especifico

𝑐 = (0,3232 ∗ 0.239) + (0,10745 ∗ 1.01) + (1,042 ∗ 0.251) + (0,03282 ∗ 0,23)

38

𝑐 = 0,4548𝐵𝑡𝑢

𝑙𝑏𝑚℉

La densidad del gas se encuentra utilizando la ecuación de gases ideales la cual

se encuentra en cualquier libro de química en este caso se encontró en el libro termodinámica de Cengel la cual se presenta a continuación

𝑃 𝑉 = 𝑅𝑇

En donde se puede hacer la siguiente relación para obtener la densidad del gas.

𝑃 𝑉 =𝑅𝑇

𝜇

𝑃

𝜌=

𝑅𝑇

𝜇

Teniendo en cuenta que

𝜌 =1

𝑣

Esto para llegar a la siguiente ecuación.

𝜌 =𝜇 𝑃

𝑅𝑇

En donde 𝑃 = Presión de los gases de escape. 𝑅 = Constante universal de los gases. 𝜇 Peso molecular. 𝑇 Temperatura de salida de los gases.

𝜌 =29,215 ∗ 10,7

10,732 ∗ 860

𝜌 = 0,033 𝑙𝑏/𝑓𝑡

39

Tabla 10. Propiedades de los humos PROPIEDADES VALOR UNIDADES DENSIDAD 0,033 𝑙𝑏

𝑓𝑡

VISCOSIDAD 0,08343 𝑙𝑏𝑚

𝑓t3 ∗ ℎ

CONDUCTIVIDAD TERMICA

0,02084 𝐵𝑡𝑢

ℎ ∗ 𝑓𝑡 ∗ °F

CAPACIDAD CALORIFICA

0,4548 Btu

lbm°F

40

4. PARAMETRIZACIÓN DEL DISEÑO

El diseño pertinente de este economizador será para calderas de 500 BHP, las cuales pueden generar 17250 Lb/h de vapor a 150 psig. A continuación, se expone los datos de operación de la caldera. Tabla 11. Datos de proceso

VARIABLES Valor Unidades Flujo de combustible 21.589,305 ft3/h Flujo de vapor producido 17.250 Lb/h Presión de trabajo en la caldera

160,7 Psia

Temperatura de salida del vapor

400 °F

Exceso de aire 10 % 4.1 DISEÑO CONCEPTUAL

La caldera necesita que el agua de alimentación sea precalentada previa a que esta entre a ella. Al momento que el agua comienza a ser impulsada por una bomba para que circule por el sistema, ya se encuentran gases quemados que están saliendo por la chimenea de la caldera, así el agua de alimentación empieza a ser precalentada por el economizador para poder llegar a la caldera. Pasará un tiempo mientras que la combustión pueda llegar a generar la mayor cantidad de calor y así poder llevar el agua a la mayor temperatura posible por el paso en el economizador.

Imagen. 3 Flujo de agua

41

La eficiencia de la caldera comenzará a aumentar a medida que la temperatura del agua de alimentación llegue a temperatura de operación óptima ya que las diferencias de temperaturas entre el agua de entrada y el agua de salida va a ser mucho menor a que si se estuviera trabajando con agua de alimentación a temperatura ambiente. Para ello, el diseño del intercambiador se realiza bajo condiciones de operación plena, cuando el combustible este generando su mayor cantidad de calor así poder aprovechar los gases de combustión que salen a una temperatura de 400°F. Para poder aprovechar al máximo la temperatura de los gases que salen por la chimenea el economizador se ubicara al inicio de esta, ya que a mayor distancia de la caldera hará que la perdida de calor de los gases vaya en aumento a medida que va circulando por la chimenea. 4.2 DIMENSIONES DEL ECONOMIZADOR Por requerimiento de la empresa el economizador tendrá una longitud de 5 ft de largo equivalente a un tercio de la longitud de la caldera y 2,5 ft de ancho. Esta área será la aprovechable para el flujo del gas. Las dimensiones para el equipo son aptas ya que ocuparan el diámetro de la salida de la chimenea (2ft), además de esto el equipo no va a sobrepasar los límites marcados con las dimensiones que tiene la caldera. 4.3 CONDICIONES DE DISEÑO El diseño será realizado con base a la caracterización de los gases realizada anteriormente, en la cual se halla el flujo de gases de salida y propiedades de este. El circuito hidráulico será diseñado en tubería de 1 ½ in BWG 9, los cuales tendrán aletas transversales de espesor constante de 0.06in. Los tubos irán en un arreglo cuadrado con paso de 5in en sentido horizontal y vertical como se muestra en la Imagen.6

42

Imagen. 4 Arreglo de tubos

Fuente: KITTO, Jhon B. Stream its generation and use; 41th ed, Ohio, USA: THE BABCOCK & WILCOX COMPANY, 2005.

La pérdida de presión, Δ𝑃 , en el sistema de tuberías no debe ser mayor a 1 psi por consideración de la empresa. Para este diseño se recomienda que la temperatura de los gases de salida después de pasar por el intercambiador no sea inferior a los 280°F, ya que si sobrepasa esta temperatura aparece el fenómeno de la condensación de estos. La pérdida de presión por tiro en la chimenea en la zona del economizador debe ser inferior a 2inH2O equivalentes a 0.07218 psi. 4.4 CONDICIONES DE OPERACIÓN El economizador trabajara con los gases de combustión que son desechados por la chimenea hacia el medio ambiente, estos gases serán gas natural quemado. La temperatura de salida del agua del economizador depende del aumento de eficiencia que se desea que obtenga la caldera y de la disminución de combustible del proceso. Para ello se decide realizar un aumento del 5% de la eficiencia de la caldera, ya que este porcentaje está en el rango del incremento teórico que se obtiene por la implementación del economizador. Respecto al combustible, se desea llegar a una disminución superior al 8% de gas natural del uso actual. 4.5 MATERIALES Colmaquinas sugiere usar acero al carbón para el diseño que estén especificados en la normativa ASME, los cuales serán los siguientes:

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Tabla 12.Tabla de materiales para el diseño PIEZA MATERIAL

Tubería para los cabezales ASTM/ASME A53-GR B Tubo aleta ASTM/ASME A192 Laminas ASTM/ASME A516- GR70 Aislante Lana mineral

Estos materiales son recomendados para trabajos a altas y bajas presiones de igual A continuación, se presentarán las propiedades químicas y físicas del cada material.

Tabla 13. Propiedades químicas ASTM/ASME A53-GR B C

(%) Mn (%)

P (%)

S (%) Cr (%)

Cu (%)

Ni (%)

Mo (%)

V (%)

0,3 1,20 0,05 0,045 0,4 0,4 0,4 0,15 0,08 Fuente: NOVA STEEL. Standard pipe . [0] Disponible en: http://novasteel.ca/download/ASTM_A53_grade_B.pdf [Consultado el May 5, 2.018]

Tabla 14. Propiedades mecánicas ASTM/ASME A53-GR B

Esfuerzo por tensión, 𝑁𝑚𝑚 415

510-650

Esfuerzo de cedencia, 𝑁𝑚𝑚 240

335 Fuente: NOVA STEEL. Standard pipe . [0] Disponible en: http://novasteel.ca/download/ASTM_A53_grade_B.pdf [Consultado el May 5, 2.018]

Tabla 15. Composición química ASTM/ASME A192

C (%) Si (%)

Mn (%)

P (%) S (%) Cr (%)

Mo (%)

Cu (%)

Ni (%)

V (%)

0,06-0.18 ≤0,25 ≤0,27-0,63

≤0,035 ≤0,035 -- -- -- -- --

Fuente: IMPOFERRI. Tubería de acero al carbono sin costura cedula 40 económica. Disponible en: http://www.imporferri.com. [Consultado el May 5, 2.018]

Tabla 16. Propiedades mecánicas ASTM/ASME A192

Esfuerzo por tensión, 𝑁𝑚𝑚 ≥325

Esfuerzo de cedencia, 𝑁𝑚𝑚 ≥180

Fuente: IMPOFERRI. Tubería de acero al carbono sin costura cedula 40 económica. Disponible en: http://www.imporferri.com. [Consultado el May 5, 2.018]

44

Tabla 17. Composición química ASTM/ASME A516-GR 70 C (%)

Si (%)

Mn (%)

P (%)

S (%)

Al (%)

Cr (%)

Cu (%)

Ni (%)

Mo (%)

Nb (%)

Ti (%)

V (%)

0,1-0,22

0,6 1-1,7

0,03 0,03 0,02 0,3 0,3 0,3 0,08 0,01 0,03 0,02

Fuente: AZO MATERIALES. ASTM 516 grado 70 y ASME 516 grado 70 placa de acero al carbono para calderas y recipientes a presión. Disponible en: https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=4787. [Consultado el May 5, 2.018]

Tabla 18. Propiedades mecánicas ASTM/ASME A516-GR 70

Esfuerzo por tensión, 𝑁𝑚𝑚 510-650

Esfuerzo de cedencia, 𝑁𝑚𝑚 335

Fuente: AZO MATERIALES. ASTM 516 grado 70 y ASME 516 grado 70 placa de acero al carbono para calderas y recipientes a presión. Disponible en: https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=4787. [Consultado el May 5, 2.018]

Según la norma ASME sección I se especifica que para soldar materiales ferrosos el valor de carbón el en acero debe ser menor a 0.35%, lo cual los materiales seleccionados cumplen con la norma. La lana mineral es un material aislante muy usado en equipos térmicos, como lo son las calderas, este tipo de aislante ayuda a prevenir la condensación entre laminas previniendo oxidación en las láminas. Este tipo de aislante es compresible lo cual ayuda a que en el momento de su instalación queden bolsas de aire entre laminas. El material es fácil de manipular lo cual facilita al momento de ponerlo sobre superficies curvas.

45

5. ALTERNATIVAS La selección de alternativas para este proyecto está basada principalmente en el desarrollo de variables con las cuales se podrá generar un correcto proceso de selección con el fin de establecer la mejor de estas y llevar a cabo el diseño del equipo. Con esto en mente, se enfoca la búsqueda de estas alternativas por el campo de cómo debe fluir el agua de alimentación dentro del economizador para esto se generan tres alternativas principales, dentro de las cuales podemos encontrar sistemas como: Intercambiador de tubo y coraza.

Flujo en paralelo. Flujo cruzado con tubos aletas. A continuación, se presentará cada una de las tres alternativas principales para determinar cómo debe ser el flujo de agua de alimentación para la caldera. 5.1 INTERCAMBIADOR DE TUBO Y CORAZA El intercambiador de calor de carcasa y tubo está por tubos instalados en una carcasa cilíndrica con el eje del tubo paralelo al de la carcasa. Son ampliamente utilizados como enfriadores de aceite, condensadores de potencia, precalentadores en plantas de energía, generadores de corriente en plantas de energía nuclear, en aplicaciones de procesos y en la industria química. La forma implícita de una carcasa horizontal y un condensador de tipo tubo con varios componentes que se muestran en la. El fluido fluye a través de los tubos mientras que el otro fluye por el lado de la carcasa, a través o a lo largo de los tubos7.

7 KAKAÇ,Sadik; Heat exchangers: selection, rating, and thermal desing. New York: Taylor & Francis Group, 2012, p 8

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Imagen. 5 Intercambiador Tubos y coraza

Fuente: MIRANDA MEDRANO, Juan. Imágenes de intercambiador de calor. Disponible en: http://dalocalchef.blogspot.com.co. [Consultado el May 15, 2.018]

5.2 FLUJO PARALELO Los intercambiadores de calor de flujo paralelo son muy utilizados en equipos en la industria en general, puesto que presentan excelentes prestaciones en cuanto mantenimiento, además cuentan con un único cuerpo el cual necesita un mínimo de limpiezas al sistema y una menor cantidad de curvaturas que otros sistemas. Este tipo de intercambiadores cuentan con una zona de transferencia de calor amplia, no obstante, el calor no se aprovecha de la mejor manera puesto que los puntos de contacto no alcanzan a absorber el calor, ya que en una misma línea de tubería se encuentran varios puntos fluctuantes de calor a lo largo de la chimenea lo que reduce la eficiencia del intercambiador.

Imagen. 6 Intercambiador de flujo paralelo

Fuente: UPC, Intercambiadores de calor Disponible en http://epsem.upc.edu/intercanviadorsdecalor/castella/tubs_concentrics.html. [consultado May 15, 2.018].

47

5.3 FLUJO CRUZADO CON ALETAS Los intercambiadores de calor que funcionan con este diseño cuentan con algunas ventajas comparativas a otro tipo de intercambiador puesto que cuentan con un área de transferencia de calor la cual cuenta con una mejora que incurre al colocar aletas en el exterior de la tubería que hace parte del intercambiador, estas aletas se pueden encontrar de en diferentes posiciones, como pueden ser al interior de los tubos o al exterior de los mismos, longitudinal o transversalmente a la misma dirección del tubo. La cantidad de aletas en el tubo afecta la transferencia de calor puesto que aumenta o disminuye el área superficial de las mismas con lo cual se puede hacer un diseño más compacto del mismo. El mantenimiento de este tipo de equipos incurre en la limpieza de los tubos especialmente las incrustaciones que se presenten en las aletas, esto puede variar dependiendo el tipo de sustancia que se encuentre circulando en el intercambiador. Un punto a tener en cuenta es el costo de fabricación de estos tubos aleteados puesto que se necesita aplicar una soldadura para completar la unión entre el tubo y la aleta, este costo puede variar dependiendo la cantidad de aletas que se encuentre en conjunto con el tubo.

Imagen. 7 Tubo aleta

Fuente: ALET AR, Tubos aleteados Disponible en http://www.aletar.com.ar/tubos-aletados.html. [Consultado el May 15, 2.018].

48

5.4 PARAMETROS DE SELECCIÓN Para la selección de la alternativa que será desarrollada en el proyecto encontramos cinco (5) parámetros fundamentales para tener en cuenta para el posterior diseño del equipo, para esto se escogieron estos parámetros; mantenibilidad, proceso de manufactura, instalación de equipos y costos. A continuación, se define cada parámetro. MANTENIBILIDAD: según la norma GTC-62 es el estado que permite al equipo

dar las condiciones de utilización como también la condición de un equipo para que se efectué un mantenimiento o restablecerlo para que pueda continuar efectuando su función.

DESEMPEÑO DEL EQUIPO: según la norma GTC-62 es la representación de las condiciones referentes a las condiciones de uso de los equipos y sus elementos.

COSTOS: es la relación que se le da al valor de producción de un elemento o

equipo teniendo en cuenta todo lo concerniente a la manufactura y materiales.

PROCESO DE MANUFACTURA: es el paso por el cual se da forma al desarrollo de un producto o maquina la cual pasa por varios procesos los cuales transforman la materia prima o partes en un conjunto de las mismas para entregar un producto final terminado.

INSTALACION DE EQUIPOS: es el proceso por el cual se establece la ubicación he instalación de puntos de anclaje para el posicionamiento en el equipo esto es importante para el correcto funcionamiento del equipo.

Para la asignación de una calificación a la importancia de cada uno de estos parámetros nos permite priorizar las condiciones del proyecto, a razón se pondera de la siguiente manera;

Muy importante = 5 Algo importante = 4

Importancia media = 3 Poco importante = 2

Muy poco importante =1

A continuación, se presenta la asignación concerniente a los parámetros que se escogieron para la selección de alternativas en el proyecto, con respecto a la necesidad e importancia que tiene cada parámetro para su selección;

49

Tabla 19. Parámetros de selección de alternativa Parámetros Ponderación

Mantenibilidad 5 Desempeño del equipo 4 Costos 2 Proceso de manufactura 5 Instalación de equipos 2

La conformidad que cada una de las alternativas se presentan adecuadas a un puntaje para para medir el nivel de satisfacción de la siguiente manera;

Extra-alto = 9

Muy alto = 8

Alto = 7

Poco alto = 6

Medio = 5

Poco bajo = 4

Bajo = 3

Muy bajo = 2

Extra bajo = 1

Es necesario establecer el puntaje de satisfacción para cada una de las 3 alternativas que se plantean para la selección del tipo de intercambiador a implementar;

50

Tabla 20. Puntuaciones alternativas

Parámetros

Inte

rca

mb

iad

or

con

tra

flujo

con

tub

o y

co

raza

Inte

rca

mb

iad

or

flujo

cr

uzad

o co

n al

etas

Inte

rca

mb

iad

or

de

ca

lor

po

r flu

jo p

ara

lelo

Mantenibilidad 6 7 7 Desempeño del equipo 6 8 7 Costos 5 5 6 Proceso de manufactura 5 7 6 Instalación de equipos 5 7 7

Al seleccionar la satisfacción que tiene cada una de las alternativas con respecto a los parámetros de selección y a la ponderación que se le da a cada uno de este parámetro se puede tener una sumatoria de la multiplicación de la ponderación de cada parámetro con el nivel de satisfacción para cada alternativa con esto se consolida la mejor alternativa teniendo en cuenta la que consolide el mayor puntaje será seleccionada como la alternativa que se seleccionará para su posterior diseño. Durante el desarrollo de escoger las alternativas se tuvo en cuenta la implementación de aletas para aumentar la superficie de transferencia. Esta alternativa fue descartada por el criterio de “proceso de manufactura” ya que los intercambiadores con aletas presentan una mayor dificultad con todo lo relacionado a la soldadura con la ubicación de aletas.

Tabla 21. Selección de alternativas

Parámetros

Po

nde

raci

ón

Inte

rca

mb

iad

or

con

tra

flujo

con

tu

bo

y co

raza

inte

rca

mb

iado

r flu

jo c

ruza

do c

on

alet

as

Inte

rca

mb

iad

or

de

ca

lor

po

r flu

jo

pa

rale

lo

Mantenibilidad 5 6 7 7 Desempeño del equipo 4 6 8 7 Costos 2 5 5 6 Proceso de manufactura 5 5 7 6

Instalación de equipos 2 5 7 7

Total 99 126 119

51

Después de desarrollar la matriz Scoring se llega a la conclusión que la alternativa del intercambiador de calor por flujo cruzado con placas satisface las condiciones iniciales de una manera más adecuada en comparación con las otras alternativas y así ser seleccionada como principal idea para el diseño del economizador.

52

6. DISEÑO DEL ECONOMIZADOR

En este capítulo se realiza los cálculos pertinentes para el diseño del sistema del economizador. 6.1 DISEÑO TERMICO En esta parte se realizará el diseño para encontrar cual es la mejor configuración que satisfaga los requerimientos descritos en el capítulo 4 en los parámetros de diseño.

Imagen. 8 Diseño modelado

Fuente: Elaboración propia

6.1.1 Temperatura de salida del agua del economizador: Teniendo claro con lo dicho antes, en el Capítulo 4, la temperatura del agua a la salida de economizador será dada por las condiciones de mejoramiento en el proceso. Por ello, el cálculo de la temperatura del agua se realiza con los datos iniciales mostrados en la Tabla.1

Para realizar el cálculo de la nueva temperatura de entrada a la caldera que a su vez es la misma que va a salir del economizador tomamos la fórmula y despejamos la entalpia de alimentación (halim) obteniendo h’alim.

53

6.1.2 Tasa de transferencia de calor: Para realizar el diseño del economizador se debe conocer que tanta cantidad de calor debe recibir el agua para que este pueda aumentar la temperatura. Por ello el calor necesario será igual a;

𝑄 = ��(ℎ − ℎ ) 6.1.3 Temperatura de salida de los gases: Se realiza el balance térmico del sistema, lo cual se afirma que el calor necesario para que el agua incremente la temperatura deseada será cedida por los gases. Teniendo claro esto entonces se dice que;

𝑄 = 𝑄 Este balance térmico ayuda a averiguar la temperatura de salida de los gases del sistema.

𝑄 = 𝑄 = ��𝐶 (𝑇 − 𝑇 ) Siendo; 𝑄: Calor a transferir ��: Flujo másico del gas 𝐶 : Calor especifico del gas 𝑇 : Temperatura de los gases a la salida de la caldera 𝑇 : Temperatura de los gases a la salida del economizador Despejando T4

𝑇 =��𝐶 𝑇 − 𝑄

��𝐶

6.1.4 Análisis de temperaturas del proceso: Se realiza el análisis para determinar las temperaturas más apropiadas para el diseño del intercambiador. Se decide manejar un margen de 5% por encima a la temperatura mínima de salida de los gases, expuesta en el numerar 4.3 Teniendo claro que la nueva entalpia debe producir un ahorro superior al 8% del combustible usado actualmente, se hace la selección de la temperatura que más se acomode a las restricciones dadas.

54

La siguiente tabla fue realizada con los datos expuestos en la Tabla 1 y con las fórmulas que se muestran al principio de este capítulo. Tabla 22. Análisis de temperaturas

Tsal-

agua

(°F) hsal-agua

Calor requerido

𝐵𝑇𝑈ℎ

Tsal-gases (°F)

Margen de error (%)

Flujo de combustible

𝑓𝑡ℎ

Ahorro de combustible

95 63,1313 92035,046 388,685 38,8% 20465,97 5,24% 100 68,2125 184068,281 377,371 34,8% 20370,70 5,68% 105 73,294 276106,95 366,056 30,7% 20275,42 6,12% 110 78,375 368136,563 354,742 26,7% 20180,15 6,57% 115 83,456 460166,175 343,428 22,7% 20084,88 7,01% 120 88,537 552195,788 332,114 18,6% 19989,61 7,45% 125 93,6188 644239,89 320,799 14,6% 19894,33 7,89% 130 98,7 736273,125 309,484 10,5% 19799,06 8,33% 135 103,78 828284,625 298,173 6,5% 19703,81 8,77% 140 108,8626 920343,218 286,855 2,4% 19608,51 9,21% 145 113,9438 1012376,45 275,541 -1,6% 19513,23 9,65%

Se observa en la Grafica 1 que a medida que la temperatura de agua de salida del economizador se va elevando, la temperatura de los gases de salida irá disminuyendo de la misma manera.

Grafica. 1 Análisis de temperaturas

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000

Tem

pera

tura

(°F)

Calor requerido (BTU/h)

T salida gases T agua Calor recomendado

55

Al observar la tabla 23. se puede concluir que la temperatura más favorable para el diseño es de 135°F, ya que esta cumple ambos requisitos produciendo un ahorro de combustible del 8.77% y está por encima 6.5% de la temperatura mínima expuesta de los gases de salida después de pasar por el economizador. Con los datos obtenidos con esta temperatura se produce a realizar el diseño del equipo térmico. 6.1.5 Diseño del intercambiador de calor: El diseño correspondiente se realizará basándose en la ecuación de calor DMLT, tomada del libro de Procesos de trasferencia de calor de Kern.

𝑄 = 𝑈𝐴𝐷𝑀𝐿𝑇 𝐹 Siendo; Q: calor transferido. 𝐵𝑇𝑈

ℎ

U: Coeficiente global de transferencia de calor. 𝐵𝑇𝑈ℎ °𝐹 𝑓𝑡

A: Área de transferencia de calor. 𝑓𝑡 DMLT: Diferencia media logarítmica de temperatura. °F Calculo de DMLT Para calcular la DMLT se debe tener claro cuál va a ser el arreglo que va a tener el intercambiador, para este caso se toma como arreglo el flujo cruzado para la cual se utiliza la siguiente formula tomada del libro de Procesos de trasferencia de calor de Kern;

Imagen. 9 Flujo cruzado

Fuente: KITTO, Jhon B. Stream its generation and use; 41th ed, Ohio, USA: THE BABCOCK & WILCOX COMPANY, 2005.

56

𝐷𝑀𝐿𝑇 =𝑇 − 𝑡 − (𝑇 − 𝑡 )

ln𝑇 − 𝑡𝑇 − 𝑡

Reemplazando las temperaturas correspondientes;

𝐷𝑀𝐿𝑇 =400°𝐹 − 135°𝐹 − (298,173°𝐹 − 90°𝐹)

ln400°𝐹 − 135°𝐹

298,173°𝐹 − 90°𝐹

𝐷𝑀𝐿𝑇 = 235,44°𝐹

Calculo del coeficiente global de transferencia de calor: El coeficiente global de transferencia de calor es la propiedad que permite dimensionar la capacidad del medio para transmitir o disipar energía. El cálculo de este coeficiente estará dado por la siguiente formula, tomada del libro Procesos de trasferencia de calor de Kern;

𝑈 =ℎ′ ℎ′

ℎ′ + ℎ′

Siendo; UDi: Coeficiente total de diseño de transferencia de calor basado en la superficie interior del tubo. 𝐵𝑇𝑈

ℎ °𝐹 𝑓𝑡

h’i: Coeficiente de transferencia de calor para el fluido por dentro del tubo corregido para el factor de obstrucción. 𝐵𝑇𝑈

ℎ °𝐹 𝑓𝑡

h’fi: Coeficiente de transferencia de calor en el lado de la aleta corregido a la superficie interior de la tubería. 𝐵𝑇𝑈

ℎ °𝐹 𝑓𝑡

57

Imagen. 10 Dimensiones del tubo aleta

Fuente: Elaboración propia

Para hallar h´fi se comienza calculando el diámetro equivalente del ducto de los gases,

𝑑 =2(á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎 + á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑙𝑖𝑠𝑜)

𝜋(𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜)

El diámetro equiválete se realiza haciendo varias suposiciones, como: 8 aletas por pulgada, calculando área del tubo por pulgada de longitud. Con las áreas calculadas se hará la relación de área por unidad de longitud in2/ft y el perímetro calculado in/ft Área de la aleta:

𝐴 =𝜋

4(2𝐿 + 𝐷 ) − 𝐷 ∗ 2 ∗

1𝑓𝑡

144𝑖𝑛+ 𝜋 ∗ 𝑒 ∗ (2𝐿 + 𝐷 ) ∗

1𝑓𝑡

144𝑖𝑛𝑁 ∗ 12

𝑖𝑛

𝑓𝑡

Siendo; Af: Área de la aleta Lf: Longitud de la aleta Dt: Diámetro del tubo e: Espesor de la aleta Nf: Número de aletas por pulgada

58

𝐴 =𝜋

42 ∗

3

4𝑖𝑛 + 1

1

2𝑖𝑛 − 1

1

2𝑖𝑛 ∗ 2 ∗

1𝑓𝑡

144𝑖𝑛+ 𝜋 ∗ 0.06𝑖𝑛 ∗ 2 ∗

3

4𝑖𝑛 + 1

1

2𝑖𝑛

∗1𝑓𝑡

144𝑖𝑛∗ 4

𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠

𝑖𝑛∗ 12

𝑖𝑛

𝑓𝑡

𝐴 = 3,72𝑓𝑡

𝑓𝑡

Área del tubo liso

𝐴 = 12𝜋𝐷 Siendo; Ao: Área del tubo liso Dt: Diámetro del tubo Nf: Número de aletas por pulgada L: Longitud e: espesor de la aleta

𝐴 = 12 𝑖𝑛𝑓𝑡 𝜋 1

1

2𝑖𝑛 ∗

1𝑓𝑡

144𝑖𝑛

𝐴 = 0,39 𝑖𝑛𝑓𝑡

Perímetro proyectado

𝑃𝑃 = 2𝑁 2𝐿 12 𝑖𝑛𝑓𝑡 + 2 12 𝑖𝑛

𝑓𝑡 − 12 𝑖𝑛𝑓𝑡 𝑁 𝑒

PP: Perímetro proyectado Nf: Número de aletas por pulgada Lf: Longitud de la aleta e: espesor de la aleta

59

𝑃𝑃 = 2 4 𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠𝑖𝑛 2

3

4𝑖𝑛 12 𝑖𝑛

𝑓𝑡 + 2 12 𝑖𝑛𝑓𝑡 − 12 𝑖𝑛

𝑓𝑡 4 𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠𝑖𝑛 (0.06𝑖𝑛)

𝑃𝑃 = 162,24 𝑖𝑛𝑓𝑡 ∗

1

12𝑓𝑡

𝑖𝑛

𝑃𝑃 = 13,52𝑓𝑡

𝑓𝑡

Remplazando con los datos hallados

𝐷 =2(3,72 𝑖𝑛

𝑓𝑡 + 0,39 𝑖𝑛𝑓𝑡)

𝜋(13,52 𝑖𝑛𝑓𝑡)

𝐷 = 0,1935𝑓𝑡

Se realizará el diseño en base de 4 tubos acomodados en arreglo triangular. Área de flujo de los gases, será el espacio libre queda entre los espacios entre tubos y las paredes del ducto, para ello se calcula esta área realizando la siguiente suposición

𝑎 = 𝐴 − 𝑁 𝐷 𝐿 − 𝑁 2𝑒𝐿 𝑁 12 𝑖𝑛𝑓𝑡 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜

𝑎 = (5 ∗ 2.5)𝑓𝑡 ∗144𝑖𝑛

1𝑓𝑡− 4𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 1

1

2𝑖𝑛 (60𝑖𝑛) − 4𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 2(0.06𝑖𝑛)

3

4𝑖𝑛 4 𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠

𝑖𝑛 12 𝑖𝑛𝑓𝑡

(2.5𝑓𝑡)

𝑎 = 1422.72𝑖𝑛 = 9.88𝑓𝑡

Numero Nusselt del gas: Para hallar este valor se debe obtener el numero Prandlt y el numero Reynolds. Este número adimensional es útil para poder obtener el coeficiente de transferencia de calor por convección del gas. Se halla este número utilizando la formula obtenida del libro Stream: Its generation and use.

𝑁𝑢 =ℎ 𝐷

𝑘= 0,321𝑅𝑒 , 𝑃𝑟 ,

Donde; Nu: Numero de Nusselt. k: Conductividad térmica del gas.

60

Re: Numero Reynolds. Pr: Numero de Prandtl. ℎ : Coeficiente de transferencia de calor por convección del gas. Por lo dicho anteriormente se calcula el número de Reynolds

𝑅𝑒 =𝐷 𝐺

𝜇

Siendo; De: Diámetro equivalente Gs: flujo másico del gas por unidad de área 𝜇: viscosidad del gas (tabla)

𝐺 =��

𝑎

𝐺 =17.877,37 𝑙𝑏

ℎ9.88𝑓𝑡

𝐺 = 1.809,45 𝑙𝑏

ℎ𝑓𝑡

Teniendo los datos completos para calcular el Reynolds, reemplazamos

𝑅𝑒 =0,1935𝑓𝑡 ∗ 1.809,45 𝑙𝑏

ℎ𝑓𝑡

0.08343 𝑙𝑏ℎ𝑓𝑡

𝑅𝑒 = 4.196,675

Se procede a calcular el valor del numero de Prandlt, formula obtenida del libro de transferencia de calor y masa de Yunus Cegel.

𝑃𝑟 =𝐶 ∗ 𝜇

𝐾

61

𝑃𝑟 =0,4549 ∗ 0,08343

0,02084

𝑃𝑟 = 1,8211

Después de obtener los valores necesarios, se calcula el número de Nusselt y así hallar el hf.

𝑁𝑢 =ℎ 𝐷

𝑘= 0,321𝑅𝑒 , 𝑃𝑟 ,

𝑁𝑢 = 0,321(4.196,675) , (1,8211) ,

𝑁𝑢 =ℎ 𝐷

𝑘= 63,4435

ℎ =𝑁𝑢 𝑘

𝐷

ℎ =63,4435 ∗ 0,02084

0,1935

ℎ = 6,8329 𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑓𝑡 °𝐹

Como los tubos son afectados por incrustaciones o ensuciamiento provocado por los gases de combustión esto hace que la conductividad térmica entre los gases y los tubos se vean afectados. De esta manera, se debe realizar un ajuste al coeficiente anteriormente calculado utilizando un factor de corrección dependiendo del tipo de obstrucción. La fórmula de corrección es obtenida del libro de Procesos de transferencia de calor de Kern

ℎ′ =ℎ ℎ

ℎ + ℎ

h’f: Coeficiente de transferencia de calor en el lado de la aleta corregido con el factor de obstrucción hdo: Coeficiente de obstrucción equivalente al reciproco del factor de obstrucción fuera del tubo hf: Coeficiente de transferencia de calor en el lado de la aleta El factor de obstrucción se tomará según la siguiente tabla

62

Tabla 23. Factor de obstrucción de fluidos industriales.

Fuente: KAKAÇ, Sadik; LIU, Hongtan and PRAMUANJAROENKIJ, Anchasa. Heat exchangers: selection, rating, and thermal desing. New York: Taylor & Francis Group, 2012.

𝑅 = 0.000264 𝑚 𝐾𝑊 = 0.001499

ℎ°𝐹𝑓𝑡𝐵𝑇𝑈

ℎ =1

𝑅=

1

0.001499ℎ°𝐹𝑓𝑡

𝐵𝑇𝑈

ℎ = 667,11 𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑓𝑡 °𝐹

Entonces;

ℎ′ =667,11 𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑓𝑡 °𝐹 ∗ 6,8329 𝐵𝑇𝑈ℎ𝑓𝑡 °𝐹

667,11 𝐵𝑇𝑈ℎ𝑓𝑡 °𝐹 + 6,8329 𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑓𝑡 °𝐹

ℎ′ = 6,7636 𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑓𝑡 °𝐹

63

De igual manera, se debe realizar una corrección a este coeficiente ya que las aletas del tubo hacen cambiar las condiciones de la transferencia de calor al sistema. Para ello se tiene que;

ℎ′ = Ω𝐴 + 𝐴ℎ′

𝐴

Siendo; Ω: la eficiencia de la aleta La cual se halla mediante la siguiente grafica Se necesita conocer los siguientes valores;

(𝑟 − 𝑟 )ℎ′

𝑘𝑦 ;

𝑟

𝑟

(1,5 − 0,75)𝑖𝑛1𝑓𝑡

12𝑖𝑛

6,7636 𝐵𝑇𝑈 ⁄ (ℎ𝑓𝑡 °𝐹)

0.06𝑖𝑛 ∗ 21 𝐵𝑇𝑈ℎ𝑓𝑡°𝐹

; 1,5

0,75

0,14 ; 1.5

64

Grafica. 2 Eficiencia de la aleta

Fuente: KERN,Donald Q. Procesos de transferencia de calor. New York: McGraw-Hill, 1950.

Ω = 0.99

ℎ′ = 0.99 3,72𝑓𝑡

𝑓𝑡 + 0,37𝑓𝑡

𝑓𝑡

6,7636 𝐵𝑇𝑈ℎ𝑓𝑡 °𝐹

0.3152𝑓𝑡

𝑓𝑡

ℎ′ = 87,3949 𝐵𝑇𝑈ℎ𝑓𝑡 °𝐹

Ahora para el fluido que va dentro de los tubos, que sería el agua suponemos que todo el flujo másico se moverá por cada banco de tubos. Suponiendo esto se tiene que;

𝑎 = 𝑁 𝑎′ Siendo; 𝑎 : Área de flujo en el banco de tubos 𝑁 : Numero de tubos por banco

65

𝑎′ : Área de flujo por tubo (anexos)

𝑎′ = 4𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 1,14𝑖𝑛 ∗1𝑓𝑡

144𝑖𝑛

𝑎′ = 0,0317𝑓𝑡

Con esto se halla el flujo volumétrico del agua 𝐺 .

𝐺 =��

𝑎′

𝐺 =18.112,5 𝑙𝑏

ℎ0,0317𝑓𝑡

𝐺 = 571.372,24 𝑙𝑏

ℎ𝑓𝑡

Con este flujo se hallará la velocidad del agua por los tubos

𝑉 =𝐺

𝜌

Siendo 𝜌 la densidad del agua a temperatura media (112.56°F)

𝑉 =571.372,24 𝑙𝑏

ℎ𝑓𝑡

59,3 𝑙𝑏𝑓𝑡

∗1ℎ

3.600𝑠

𝑉 = 2,68𝑓𝑡

𝑠 Con esta velocidad se hallará el coeficiente de transferencia de calor por dentro del tubo ℎ dependiendo de la temperatura media del agua (112,5°F); para esto se usarán las siguientes graficas.

66

Grafica. 3 Coeficiente de Transferencia de Calor por convección para el agua

Fuente: KERN,Donald Q. Procesos de transferencia de calor. New York: McGraw-Hill, 1950.

ℎ = 750 𝐵𝑇𝑈

ℎ°𝐹𝑓𝑡

Como el grafico anterior son valores dados para tubería de 3/4in el autor del sugiere un gráfico para encontrar el factor de corrección según el diámetro interior del tubo de diseño

67

Grafica. 4 Factor de corrección para hi

Fuente: KERN,Donald Q. Procesos de transferencia de calor. New York: McGraw-Hill, 1950.

𝐹𝐶 = 0.88 Por lo cual el ℎ sería igual a;

ℎ = 750 𝐵𝑇𝑈ℎ°𝐹𝑓𝑡 ∗ 0,88 = 660 𝐵𝑇𝑈

ℎ°𝐹𝑓𝑡

El factor de obstrucción dentro de los tubos producido por el agua tratada es de

𝑅 = 0.0005ℎ°𝐹𝑓𝑡

𝐵𝑇𝑈

ℎ =1

𝑅=

1

0.0005ℎ°𝐹𝑓𝑡

𝐵𝑇𝑈

ℎ = 2000 𝐵𝑇𝑈

ℎ°𝐹𝑓𝑡

ℎ′ =ℎ ℎ

ℎ + ℎ

ℎ′ =2000 𝐵𝑇𝑈

ℎ°𝐹𝑓𝑡 ∗ 660 𝐵𝑇𝑈ℎ°𝐹𝑓𝑡

2000 𝐵𝑇𝑈ℎ°𝐹𝑓𝑡 + 660 𝐵𝑇𝑈

ℎ°𝐹𝑓𝑡

ℎ′ = 496,24 𝐵𝑇𝑈

ℎ°𝐹𝑓𝑡

68

El coeficiente de transferencia de calor para el fluido por dentro del tubo corregido para el factor de obstrucción se procede a calcular el coeficiente universal de trasferencia de calor U.

𝑈 =87,3949 ∗ 496,24 𝐵𝑇𝑈

ℎ°𝐹𝑓𝑡

87,3949 𝐵𝑇𝑈ℎ𝑓𝑡 °𝐹 + 496,24 𝐵𝑇𝑈

ℎ°𝐹𝑓𝑡

𝑈 = 74,3082 𝐵𝑇𝑈

ℎ°𝐹𝑓𝑡

6.1.6 Área de flujo: Con el coeficiente universal calculado se procede a calcular el área el cual determinará el número de banco de tubos que tendrá el economizador.

𝐴 =𝑄

𝑈 ∗ Δ𝑡

𝐴 =828.284,625 𝐵𝑇𝑈

ℎ

74,3082 𝐵𝑇𝑈ℎ°𝐹𝑓𝑡 ∗ 235,44°𝐹

𝐴 = 47,3437𝑓𝑡

Para ello se determinará el área de flujo por banco.

Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 = 𝑁 ∗ 𝐿 ∗ 𝑎

Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 = 4 ∗ 5𝑓𝑡 ∗ 0.3152𝑓𝑡

𝑓𝑡 = 6,304𝑓𝑡

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 =47,3437𝑓𝑡

6,304𝑓𝑡

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 = 7,5

El numero necesario de banco de tubos equivalen a 7,5 niveles por lo cual se aproxima a 8, cada uno equivalente a 4 tubos por paso. 6.1.7 Efectividad de transferencia: Se calcula la efectividad de transferencia para

saber qué porcentaje del Calor máximo del sistema se pudo aprovechar. Para esto se considera que;

𝐶 = �� 𝐶

69

𝐶 = �� 𝐶

𝐶 = 17877.37𝑙𝑏

ℎ∗ 0.4548

𝐵𝑇𝑈

𝑙𝑏 ∗ °𝐹= 8130

𝐵𝑇𝑈

ℎ ∗ °𝐹

𝐶 = 18112.5𝑙𝑏

ℎ∗ 1

𝐵𝑇𝑈

𝑙𝑏 ∗ °𝐹= 18112.5

𝐵𝑇𝑈

ℎ ∗ °𝐹

Después de realizar la comparación de Ch (Fluido caliente) y Cc (fluido frio), se concluye que la capacidad calórica mínima Cmin corresponde al fluido caliente, por lo tanto, se utiliza este factor para calcular el calor máximo.

𝑄 = 𝐶 (𝑇 − 𝑇 )

𝑄 = 8130𝐵𝑇𝑈

ℎ ∗ °𝐹(400 − 90)°𝐹

𝑄 = 2.520.495,3𝐵𝑇𝑈

ℎ

La relación dada entre el calor máximo posible d transferir y el calor transferido del sistema dará a conocer cuál es la efectividad de transferencia del sistema.

𝜀 =𝑄

𝑄

𝜀 =828.284,625

𝐵𝑇𝑈ℎ

2.520.495,3𝐵𝑇𝑈

ℎ

∗ 100%

𝜀 = 32,86%

La efectividad de transferencia es del 33%, esta no puede ser más alta ya que esta está relacionada con el calor necesario para incrementar la temperatura del agua que a su vez con la temperatura de salida de los gases. 6.1.8 Caída de presión en las tuberías: Las pérdidas de presión en las tuberías se hallarán por medio de la siguiente formula tomada del libro Procesos de transferencia de calor de Kern;

∆𝑃 =𝑓𝐺 𝐿𝑛

5.22 × 10 𝐷𝜙

Siendo; 𝑓: factor de fricción

70

𝐺 : flujo volumétrico por unidad de área L: Longitud del tubo n: número de pasos en los tubos D: Diámetro interno de la tubería El factor de diseño se obtiene de la siguiente gráfica, la cual esta con relación al Reynolds, para ello se calcula primero.

𝑅𝑒 =𝐷𝐺

𝜇

𝐷 = 1,2𝑖𝑛1𝑓𝑡

12𝑖𝑛= 0,1𝑓𝑡

(𝜇: revisar anexos)

𝑅𝑒 =0,1𝑓𝑡 571.372,24 𝑙𝑏

ℎ𝑓𝑡

1,9353 𝑙𝑏𝑓𝑡ℎ

𝑅𝑒 = 29.523,7038

𝑓 = 0,00026, dato tomado de la grafica 𝜙 = 1.

∆𝑃 =0.00026 29.523,7038 𝑙𝑏

ℎ𝑓𝑡(5𝑓𝑡)(8)

5.22 × 10 (0,1𝑓𝑡)(1)

∆𝑃 = 0,65 𝑙𝑏

𝑖𝑛

6.1.9 Perdida de presión por tiro:

∆𝑃 =𝑓𝐺 𝐿

5 × 10 𝐷´ 𝑠∅

𝐷

𝑆

,𝑆

𝑆

,

𝑓: factor de configuración 𝐿 : Longitud de la trayectoria

71

𝐷´ : Diámetro volumétrico equivalente S: Gravedad especifica del gas ∅ : relación de viscosidades 𝑆 : Paso vertical 𝑆 : Paso horizontal Diámetro volumétrico equivalente

𝐷´ =4 ∗ 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑁𝑒𝑡𝑜

𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙

Volumen neto

𝑉𝑁 = 𝐿 ∗ 𝐴 ∗ 𝑝 −1

2(𝑁𝑇 )

𝜋(𝐷 )

4(𝐿) −

1

2(𝑁𝑇 )

𝜋(2𝐿 + 𝐷 ) − 𝐷

4(𝑒)(𝑁 )(𝐿)

𝑉𝑁 = 5𝑓𝑡 ∗ 2,5𝑓𝑡 ∗5𝑖𝑛

12𝑖𝑛∗ 1𝑓𝑡 −

1

2(32)

𝜋 112

𝑖𝑛

4∗

1𝑓𝑡

144𝑖𝑛∗ (5𝑓𝑡)

−1

2(32)

𝜋 234

𝑖𝑛 + 112

𝑖𝑛 − 112

𝑖𝑛

4

1𝑓𝑡

144𝑖𝑛(0.06𝑖𝑛)(4

𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠

𝑖𝑛)(5𝑓𝑡)

𝑉𝑁 = 3.5194𝑓𝑡

Superficie friccional 𝑆𝐹 = (𝑁𝑇 )(𝐴 )(𝐿)-

𝑆𝐹 =1

2(32) 0.39

𝑓𝑡

𝑓𝑡(5𝑓𝑡)

𝑆𝐹 = 31.2𝑓𝑡

𝐷´ =4 ∗ 3,5194𝑓𝑡

31,2𝑓𝑡

𝐷´ = 0.4512𝑓𝑡

Gravedad especifica: Es la relación de la densidad del gas con la densidad del aire seco a condiciones de 0°C.

72

𝑠 =𝜌

𝜌

La densidad del aire seco a estas condiciones es de 0.075 lb/ft3 y la densidad de gas se puede observar en la Tabla 10.

𝑠 =0.033 𝑙𝑏

𝑓𝑡

0.075 𝑙𝑏𝑓𝑡

𝑠 = 0.44

En la Gráfica. se hallará el factor de configuración 𝑓 en relación con el Reynolds del gas.

Grafica. 5 Factor de configuración

Fuente: KERN,Donald Q. Procesos de transferencia de calor. New York: McGraw-Hill, 1950.

𝑓 = 0.004

Las cotas de 𝑆 y 𝑆 son tomadas de la Imagen.4 Lp es la trayectoria en la que el gas va a realizar la transferencia de calor con los tubos la cual se supone que es la distancia entre la primera hilera de tubos y la ultima hilera del economizador. Esta distancia está determinada por los números de pasos o niveles que tiene el equipo.

𝐿 = 𝑁𝑝 ∗ 𝑆 Siendo 𝑁𝑝 el numero de pasos o de niveles que tiene el economizador.

73

𝐿 = 8 ∗ 5𝑖𝑛 ∗1𝑓𝑡

12𝑖𝑛

𝐿 = 3.33𝑓𝑡

Después de obtener todos los datos se tiene que;

∆𝑃 =(0,004) 1.809,45 𝑙𝑏

ℎ𝑓𝑡 (3.33𝑓𝑡)

5 × 10 (0.4512𝑓𝑡)(0.44)(1)

0.4512𝑓𝑡

5𝑖𝑛 ∗1𝑓𝑡

12𝑖𝑛

,

5𝑖𝑛

5𝑖𝑛

,

Suponiendo que la relación entre viscosidades sea 1, la perdida de presión es de ∆𝑃 = 2.51 × 10 psi, cumpliendo la condición dada en el numeral 3.3. 6.1.10 Aislante del equipo: Se realiza los cálculos pertinentes para encontrar el espesor mínimo del aislante especificado que está comprendido entre dos láminas de acero. Las especificaciones de los materiales se encuentran en el numeral 4.5. Se realiza la suposición basada en que el calor perdido por las láminas laterales externas de intercambiador sea el calor desechado al ambiente. Lo cual conlleva a realizar la siguiente suposición que se basa en que la temperatura de la superficie de las láminas no supere los 104°F, esto con el fin de evitar quemaduras en algún operario que manipule el equipo cuando este esté en servicio. Por eso se tiene que el calor perdido entre la lámina hacia el ambiente está dado por;

𝑄 = ℎ 𝐴 (𝑇 − 𝑇 ) Siendo Q: Calor cedido al ambiente ℎ : Coeficiente de transferencia de calor por convección del aire 𝐴 : Área de la superficie de la lamina 𝑇 𝑦𝑇 : temperatura de la superficie y del ambiente El calor perdido la lámina este dado bajo condiciones de convección natural, ya que en planta la velocidad de viento es muy bajas, por ello se realiza los procedimientos pertinentes para poder obtener el coeficiente de transferencia de calor del aire. Para ello se calculan las constantes necesarias para poder obtener tal valor.

74

𝑅𝑎 =𝑔𝛽(𝑇 − 𝑇 )𝐿

𝑣𝑃𝑟

Las propiedades del aire a temperatura de película de 𝑇 = = 87°𝐹 →

546,67°𝑅.

Tabla 24. Propiedades del aire

T(°F) k 𝐵𝑇𝑈ℎ𝑓𝑡°𝐹 𝑣 𝑓𝑡

ℎ Pr 80 0,01481 0,611 0,729 87 0,014978 0,625 0,72795 90 0,01505 0,631 0,7275

Fuente: CENGEL,Yunus A., et al. Termodinámica. México: Mc Graw Hill, 2003.

1

𝑇=

1

546,67°𝑅

𝑅𝑎 =32,16

𝑓𝑡𝑠

3600𝑠1ℎ

1546,67

(104 − 70)(4𝑓𝑡)

0,625𝑓𝑡

ℎ

(0,72795)

𝑅𝑎 = 3.091.691.891

Entonces se puede determinar el número Nusselt para placas verticales, para ello se halla este con la fórmula que cumple 109 < 𝑅𝑎 <1013.

𝑁𝑢 = 0,1𝑅𝑎

𝑁𝑢 = 145,4796

ℎ =𝑘𝑁𝑢

𝐿

ℎ =0.014978 𝐵𝑇𝑈

ℎ𝑓𝑡°𝐹 (145,4796)

4𝑓𝑡

ℎ = 0,5447 𝐵𝑇𝑈

ℎ°𝐹𝑓𝑡

𝐴 = 5𝑓𝑡 ∗ 4𝑓𝑡 = 20𝑓𝑡

75

𝑄 = 0,5447 𝐵𝑇𝑈ℎ°𝐹𝑓𝑡

(20𝑓𝑡 )(104 − 70)°𝐹

El calor perdido estimado del equipo es de:

𝑄 = 370.396 𝐵𝑇𝑈ℎ

Por transferencia de calor se tiene que;

𝑄 =(𝑇 − 𝑇 )

∑ 𝑅

Las resistencias estarán dadas por las siguientes formulas; Resistencia de por convección: interacción entre la lámina y el ambiente.

𝑅 =1

ℎ 𝐴

Resistencia por conducción: Interacción entre las placas y el aislante.

𝑅 =𝐿

𝑘𝐴

Donde; ℎ : Coeficiente de transferencia de calor por convección del fluido, A: Área de transferencia de calor, x L: Espesor de la lámina o del aislante, k: Conductividad térmica del material. Resistencia ambiente

𝑅 =1

0,5447 𝐵𝑇𝑈ℎ°𝐹𝑓𝑡 ∗ 20𝑓𝑡

𝑅 = 0,0918 ℎ°𝐹

𝐵𝑇𝑈 Resistencia interna

76

𝑅 =1

6,2758 𝐵𝑇𝑈ℎ°𝐹𝑓𝑡 ∗ 20𝑓𝑡

𝑅 = 7,97 × 10 ℎ°𝐹

𝐵𝑇𝑈 Placas de acero

𝑅 =

14

𝑖𝑛 ∗1𝑓𝑡

12𝑖𝑛

21 𝐵𝑇𝑈ℎ°𝐹𝑓𝑡 ∗ 20𝑓𝑡

𝑅 = 4,96 × 10 ℎ°𝐹

𝐵𝑇𝑈 Resistencia del aislante

𝑅 =𝐿

0,0225 𝐵𝑇𝑈ℎ°𝐹𝑓𝑡 ∗ 20𝑓𝑡

Imagen. 11 Esquema del aislante

Fuente: CENGEL, Yunus A., et al. Transferencia de calor y masa: un enfoque práctico. México: Mc Graw Hill, 2007.

77

𝑄 =348,21 − 70

0,0918 ℎ°𝐹𝐵𝑇𝑈 + 2 4,96 × 10 ℎ°𝐹

𝐵𝑇𝑈 +𝐿

0,45𝐵𝑇𝑈𝑓𝑡

ℎ°𝐹

+ 7,97 × 10 ℎ°𝐹𝐵𝑇𝑈

Tomando el valor del calor estimado se calcula el espesor del aislante.

370,396 𝐵𝑇𝑈ℎ =

348,21 − 70

0.0989 ℎ°𝐹𝐵𝑇𝑈 +

𝐿

0,45𝐵𝑇𝑈𝑓𝑡

ℎ°𝐹

𝐿 = 0,29𝑓𝑡 ∗12𝑖𝑛

1𝑓𝑡

𝐿 = 3.48𝑖𝑛

El espesor es calculado en el área critica, por lo cual se considera que este espesor a lo largo de toda la caja que cubre el intercambiador . 6.2 DISEÑO DE CABEZAL DE ENTRADA Y SALIDA DE AGUA El diseño de los dos cabezales será el mismo, ya que en los dos puntos aún el fluido se encuentra en estado líquido. Para seleccionar la tubería de los cabezales se calcula el diámetro mínimo requerido por la demanda de agua que va a alimentar al sistema de tuberías del intercambiador.

𝐴 =𝑚

𝑙 ∗ 𝜌

𝑚: Flujo másico del agua de alimentación 𝑙: Largo del cabezal 𝜌: densidad del agua

𝐴 =18.112,5 𝑙𝑏

ℎ

3 𝑓𝑡 ∗ 61,82 𝑙𝑏𝑓𝑡

∗1ℎ

3600𝑠∗ 1𝑠

𝐴 =𝜋

4𝐷 = 0.02713𝑓𝑡

Teniendo el área se halla el diámetro interno mínimo de la tubería.

78

𝐷 : diámetro interno de la tubería

𝐷 =4

𝜋𝐴

𝐷 =4

𝜋(0.02713𝑓𝑡 )

𝐷 = 0,1859𝑓𝑡 ∗12𝑖𝑛

1𝑓𝑡

𝐷 = 2,23 𝑖𝑛

El diámetro interno mínimo de la tubería es de 2,23in con la cual se puede escoger la tubería estandarizada que más se acomode a esta medida. Considerando como factor crítico para la selección de la tubería como área de trabajo en esta ya que los tubos del economizador serán unidos a estas dos tuberías, por esto se considera escoger tubería de 4in cedula 40 (D.O=4.5in, D.I=4,026in, espesor de pared=0.474in). Al usar esta tubería ayudara a disminuir las perdidas en el sistema de alimentación y de descargue del economizador. Para calcular el espesor mínimo de la tubería, se apoya en la normativa ASME sección VIII división 1, en la cual se encuentra la siguiente fórmula para calcular el espesor de la tubería.

ℎ =𝑃𝐷. 𝐼

𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑜

Siendo P: Presión de diseño D.I: Diametro interno de la tubería El esfuerzo de tracción mínimo se toma de la Tabla 1A “Máximum Allanable Stress Valúes” de la norma ASME sección II part D

ℎ =160.7𝑝𝑠𝑖 ∗ 4.026𝑖𝑛

48000𝑝𝑠𝑖

ℎ = 0.0135𝑖𝑛

79

Lo cual nos asegura que el espesor estimado antes seleccionado es admisible para el diseño. Factor de seguridad del espesor de la tubería seleccionada respecto al espesor calculado basado en el esfuerzo de tracción.

𝐹. 𝑆 =0.474

0.0135

𝐹. 𝑆 = 35.11

Imagen. 12 Cabezal diseñado

Fuente: Elaboración propia

6.2.1 Selección de las bridas: La selección de la brida será consecuente al diámetro externo de la tubería y a la presión, ya que por esta última se clasifican las bridas; por esto, se buscaron opciones con estas especificaciones, (D.I = 4,5 in y presión de 150 lbs). La brida que seleccionada es tipo Brida Slip-on ANSI/ASME B16.5 Class 150 lbs de 4”.

Imagen. 13 Brida Slip on

Fuente: KLINGER Saider Mexico. Bridas y accesorios de tubería. [0]. Disponible en: http://klingersaidi.mx/en/products]. [Consultado el May 15, 2.018].

80

7. SIMULACIÓN En el desarrollo de este capítulo se expone la simulación térmica de un tubo del ultimo nivel de paso del agua, ya que en este nivel es cuando los tubos están expuestos a mayor temperatura de los gases. Esta simulación se realizó en el software ANSYS en cual se podrá evidenciar el cambio de temperatura del agua que fluye dentro del tubo. 7.1 PARAMETROS DE SIMULACIÓN La simulación se realiza con los datos expuestos en el diseño y con el apoyo de las propiedades de los fluidos que se encuentran en la biblioteca del software. La temperatura de entrada del fluido caliente es de 400°F (477.6°K) La temperatura con la cual ingresa el fluido por los tubos es de 90°F (305.4°K), la cual va a ser la referencia para poder obtener cual es el aumento de temperatura en este.

Imagen. 14 Parametrización del agua con apoyo de la biblioteca de ANSYS

Fuente: Elaboración propia

81

Imagen. 15 Parametrización de los gases de combustión según su caracterización

Fuente: Elaboración propia

Imagen. 16 Condiciones de frontera del flujo de gas

Fuente: Elaboración propia

82

El flujo másico del agua corresponde a ¼ del flujo total, ya en el diseño se considera que el flujo de total será repartido entre cuatro serpentines que conforman el economizador. 7.2 SIMULACIÓN TERMICA Después de ingresar los datos al software se procede a realizar el enmallado de 5mm. Imagen. 17 Enmallado para la simulación

Fuente: Elaboración propia

83

Al realizar la simulación se obtiene que; El incremento de temperatura en el agua que fluye por la tubería expuesta en el punto donde el gas tiene mayor temperatura al momento de encontrarse con el economizador es de 22.3°K, equivalentes a 40.1°F. En la Grafica 6 se observa el comportamiento de la temperatura del agua a medida que fluye dentro del tubo.

Imagen. 18 Resultados de la simulación

Fuente: Elaboración propia

Grafica. 6 Curva de incremento de temperatura

Fuente: Elaboración propia

90

95

100

105

110

115

120

125

-1 -0,5 0 0,5 1

Tem

pera

tura

(°F)

Desplazamiento

T (°f)

FLUJO

84

7.3 COMPORTAMIENTO DE LOS GASES SOBRE LA TUBERÍA Las imágenes que se muestran a continuación fueron las resultantes del proceso de simulación del fluido caliente que pasa sobre el tubo. Para esta simulación se tuvo en cuenta el coeficiente de transferencia de calor corregido por las aletas, ℎ′ , ya que de esta depende el Reynolds y también se podrán observar resultados de transferencia de calor en las aletas.

Imagen. 19 Resultado de simulación del gas sobre el tubo.

Fuente: Elaboración propia

85

Imagen. 20 Temperatura en las aletas

Fuente: Elaboración propia

Se observa que la temperatura máxima en las aletas alcanza a ser casi igual a la temperatura media del gas que fluye, por lo cual se concluye que: las aletas, al ser superficies extendidas obtienen gran cantidad de calor que porta el gas, la cual se observa que es distribuida hacia el tubo y así poder calentar del agua que fluye a través de este.

86

8. MANUALES El contenido de este capítulo se refiere al proceso necesario para tener el equipo en óptimas condiciones de uso, y con esto garantizar la eficiencia para que a lo largo del tiempo se mantenga en operación el economizador. 8.1 MANUAL DE OPERACIÓN Es importante tener en cuenta los procedimientos previos y posteriores a la operación y puesta en marcha del equipo economizador los cuales se describen a continuación estando comprendidos desde la descarga y proceso de instalación hasta el punto total de operación. 8.1.1 Descarga del equipo: Las condiciones adecuadas para este punto hacen necesario contar con máquinas o herramientas para hacer el descargue del transporte como lo puede ser un montacargas, dando un tiempo posterior a esto, es decir que es importante dar el tiempo de inspeccionar el intercambiador puesto que cualquier anomalía que se encuentre en el mismo debe ser informada de inmediato al fabricante de esta puesto que puede ser un defecto de calidad.

Imagen. 21 Descarga del equipo

Fuente: TRUCK.1EU. Carretillas elevadoras cuatro ruedas [0]. Disponible en: http://klingersaidi.mx/en/products. [Consultado el May 15, 2.018].

8.1.2 Instalación del equipo: La instalación del equipo se ve involucrada con la disposición de espacio que se encuentre en el punto de montaje, por esta razón se asume la posición con la cual se hace más compacta y segura la instalación desde el punto superior de la caldera.

87

Para esto, se va a soportar sobre una mesa que se encuentra ubicada sobre la caldera teniendo en cuenta que el peso total del equipo cargado con agua es de 32958 lbf. Es necesario anclar la mesa al piso calculando que esta debe tener una altura superior a la de la caldera como se observa en la imagen. La instalación de la bomba del agua de alimentación con la tubería correspondiente se debe hacer adecuadamente para evitar cualquier pérdida de presión o agua en la circulación de esta. El uso de juntas de expansión es fundamental para evitar cualquier tipo de fuerzas externas dadas por el cambio de temperaturas que pueden provocar continuas dilataciones al material con el cual está construido el equipo justo en las uniones con la chimenea.

Imagen. 22 Ajuste de tubería

Fuente: CALISMAN. Servicio de mantenimiento de calderas de gasoleo [0. Disponible en: http://www.calisman.com/]. [Consultado el May 15, 2.018]

El uso de agua desgasificada para cualquier tipo de economizador garantiza prevenir elementos corrosivos en el agua de alimentación.

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Imagen. 23 Ubicación del economizador

Fuente:CLEAVER-BROOKS. Manual de operación economizadores [0. Disponible en: http://cleaverbrooks.com/products-and-solutions/heat-recovery]. [Consultado el May 15, 2.018]

Las sujeciones que unen las láminas del equipo se encuentran soldadas, esto a razón de evitar cualquier tipo de fuga de gas, con el cual se va a hacer la transferencia de calor. Para cuestiones de mantenimiento se van a sujetar las láminas mediante tornillería simple con la cual se puede dar paso al mantenimiento de las láminas que van a contar con este tipo de sujeción. Compuestas por dos cajas o compartimientos que integran el intercambiador y guardan el aislante en su interior, por esta razón en las tapas laterales de la caja exterior se debe tener adherido el aislante al mismo. Esto como se presenta en la siguiente imagen.

89

Imagen. 24 Desensamble economizador para hacer mantenimiento

Fuente: Elaboración propia

8.1.3 Arranque del equipo: El principal factor para tener en cuenta al momento de arrancar la caldera con el equipo economizador es el continuo flujo del agua de alimentación al interior del economizador puesto que con esto se evitará puntos con una alta acumulación de temperatura y presión a falta de un flujo continuo; la purga del sistema previo al arranque del equipo es fundamental para evitar cualquier tipo de entrada de aire o gas a la bomba de alimentación. 8.1.4 Monitoreo de desempeño: El continuo desarrollo de una bitácora de desempeño en la cual se consignen datos como temperaturas de entrada y salida del agua de alimentación y de los gases, puesto que con la obtención de estos datos se puede verificar constantemente la eficiencia y el comportamiento del equipo. El correcto funcionamiento de la bomba debe dar una adecuada presión al sistema, de no ser así se verán afectados equipos puesto que un paso por los tubos a una menor velocidad puede afectar térmicamente el intercambiador. 8.2 MANUAL DE MANTENIMIENTO El mantenimiento mecánico para este equipo no es requerido en su mayoría por los componentes del mismo, puesto que como estos son fijos no tienen ningún tipo de movimiento ni desgaste por rozamiento de piezas mecánicas, por lo tanto el desgaste de los mismos es mínimo. Es importante saber que a pesar de esto se deben hacer una serie de revisiones periódicas puesto que a pesar de estar quemando uno de los combustibles más limpios y con una menor cantidad de material particulado sí existe un factor de incrustación a lo largo de las tuberías del intercambiador.

90

Por lo anterior, se deben programar la revisiones y limpiezas dependiendo el factor de uso que se le esté dando a la caldera, las cuales se pueden programar cada seis meses, o en dado caso que la caldera no esté contemplada para un uso de 24/7 se puede hacer cada año. Esto se hace tanto para las limpiezas al interior del economizador, como también se debe hacer una toma de datos consignados en una bitácora (Imagen. 20) los cuales deben ser la temperatura de salida de los flujos de los gases quemados y el agua de alimentación a la caldera. Es crucial tener un parámetro de comportamiento del equipo puesto que un flujo más lento causado por una obstrucción o una pérdida de presión puede detonar en deformaciones al material por altas temperaturas; esto puede ser causado por un mal funcionamiento de la bomba o perdidas a lo largo del circuito hidráulico. Para evitar este tipo de fallas es importante revisar el circuito completo y el buen funcionamiento de la bomba de alimentación periódicamente. La limpieza para el intercambiador se debe hacer para evitar cualquier tipo de obstrucción por incrustaciones a lo largo de la tubería del agua de alimentación, la cual debe ser limpiada con agua a alta presión y una sonda que pase por todo el circuito hidráulico del intercambiador y para hacer la limpieza de los tubos y las aletas se requiere pasar un cepillo por todo el exterior de los tubos y las aletas para posteriormente lavar con agua a presión los mismos, con eso se eliminarán cual residuos de la combustión expulsados por la chimenea de la caldera.

Imagen. 25 Control de temperaturas

Fuente: PRESUPUESTALIA. [0]. Disponible en: https://presupuestalia.es. [Consultado el May 15, 2.018]

91

Imagen. 26 Incrustaciones en las aletas

Fuente: TUBO TECH [0]. Disponible en: https://www.tubetech.com. [Consultado el May 15, 2.018]

A continuación, se presenta la tabla con la cual se deben desarrollar los correspondientes mantenimientos a los componentes del equipo economizador esto estará dado dependiendo las condiciones de uso y aplicación que tiene cada compuesto dentro del equipo. Tabla 25 . Manteniemiento correspondiente a los componentes del equipo Componente Frecuencia Lo que se debe hacer Tubería Aleteada 6 meses Esta tubería debe pasar

por un profundo proceso de limpieza utilizando en el mismo cepillo y agua a presión con motivo de eliminar todo tipo de compuesto que esté afectando la transferencia de calor.

Cabezales 6 meses Es importante verificar cada una de las uniones soldadas que son las tuberías de alimentación al economizador y los tapones del cabezal, esto para evitar cualquier tipo de perdida de fluido, de llegar a suceder se debe hacer un cordón de soldadura.

92

Continuación Tabla 26. Manteniemiento correspondiente a los componentes del equipo Componente Frecuencia Lo que se debe hacer Laminas 6 meses Estas láminas deben

tener una pintura térmica la cual proteja de cualquier tipo de contaminante que genere corrosión en la misma.

Aislante térmico 150 meses El aislante térmico tiene una vida útil de 25 años; a pesar de esto se recomienda hacer revisiones y cambios del mismo dependiendo el desgaste generado en el mismo puesto que al contar con placas desmontables se puede generar un desgaste en el mismo.

Campanas 60 meses Las campanas tienen un desgaste mínimo, a pesar de esto se deben asegurar que todas las uniones soldadas se encuentren en perfectas condiciones.

93

9. EVALUACIÓN FINANCIERA La evaluación financiera que se desarrollará para este proyecto tiene como objetivo principal tener una relación del costo total del equipo con el beneficio que va a presentar el mismo, siendo manejado desde el ahorro de combustible; puesto que con este se pagará el costo del equipo. El desarrollo de este, se hace teniendo en cuenta que los equipos están a disposición de la fabricación de la empresa y por esta razón no es necesario desarrollar ningún tipo de financiación para este proyecto puesto que se encuentra la representación de este mediante la viabilidad que se presenta a los clientes de la empresa dándoles una relación de costo versus el ahorro de combustible que desarrolla en las calderas de este tipo. Esta relación se presenta para dos opciones de venta o post venta para calderas de la empresa puesto que se da paso a la venta e instalación del economizador posterior a la venta de la caldera, como también a la venta de la caldera con el economizador ya incluido, el costo inicial de la caldera es de $700.000.000 COP Se contemplarán los costos de diseño y fabricación de la máquina como también los de combustibles, operación y ahorros correspondientes generados con la implementación de este en la empresa. Al final de esta evaluación se espera determinar la viabilidad del proyecto y la oportunidad de inversión en este, demostrando así el beneficio de adquisición que brindaría un equipo de estas características para la actividad en la empresa. 9.1 COSTOS DISEÑO Y FABRICACIÓN DEL INTERCAMBIADOR Este estudio se realizará a partir de información de costos de mano de obra para la fabricación de la máquina, de la materia prima para su construcción, y los costos de ingeniería que intervienen a lo largo del proceso. 9.2 COSTOS DE MATERIALES En este numeral se enlistan todos los materiales y elementos necesarios para la fabricación del intercambiador como se observa en la siguiente tabla.

94

Tabla 26. Costos de materiales

COSTOS DE MATERIALES

ITEM FUENTE

FINANCIERA

UNIDAD DE

MEDIDA CANTIDAD

VALOR UNITARIO

VALOR TOTAL

TUBERIA ALETEADA

PROYECTISTAS Und 32 $

450.000 $

14.400.000 ACCESORIOS PARA UNIONES EN U

PROYECTISTAS Und 28 $

8.539 $

239.092

CABEZALES PROYECTISTAS Und 2 $

76.549 $

153.098 TAPONES PARA CABEZALES

PROYECTISTAS Und 2 $

7.826 $

15.652

BRIDAS PROYECTISTAS Und 2 $

38.959 $

77.918 LÁMINAS CAJAS

PROYECTISTAS ft 214,02 $

14.356 $

3.072.471

PERFILERIA PROYECTISTAS Und 1228 $

2.000 $

2.456.000

AISLANTE PROYECTISTAS ft 80,66 $

7.230 $

583.172

TOTAL $ 20.997.403

9.3 COSTOS DE MANO DE OBRA En este numeral se enlistan todos los procesos involucrados en el armado, ensamblaje e instalación del equipo una vez obtenidos los materiales, como se observa en la siguiente tabla. Tabla 27. Costo mano de obra

COSTOS MANO DE

OBRA

ITEM FUENTE

FINANCIERA UNIDAD DE

MEDIDA CANTIDAD

VALOR UNITARIO

VALOR TOTAL

CORTES LÁMINAS EN LÁSER

PROYECTISTAS Gl 1 $

649.740 $

649.740

DOBLADURA DE TUBOS

PROYECTISTAS Und 28 $

2.500 $

70.000

SOLDADURAS PROYECTISTAS Gl 1 $

450.000 $

450.000 ARMADO E INSTALACION

PROYECTISTAS Gl 1 $

3.150.000 $

3.150.000

TOTAL $

4.319.740

9.4 COSTOS INGENIERILES Los costos de ingeniería de proyecto se reflejan en las actividades llevadas a cabo por los autores para el diseño del proyecto. En estos se encuentran los correspondientes al talento humano, el software y los equipos de cómputo y

95

finalmente los gastos fungibles. En la Tabla 29 tal se discrimina, se discriminan estos costos por categoría. 9.5 COSTOS TOTALES DE INVERSIÓN Los costos totales resultan de la sumatoria tanto de los materiales para la fabricación del intercambiador, la mano de obra y la ingeniería del proyecto como de los costos correspondientes al AIU (Administración, Imprevistos y Utilidad) del mismo. En la tabla 30 se reflejan a continuación dichos valores. 9.6 COSTOS DE COMBUSTIBLE El consumo de combustible que desarrolla la caldera se calcula teniendo el economizador como equipo auxiliar, para el cual se estima un valor de gas de $ 1.600 / m³ y a su vez, este mismo se multiplica por el consumo de combustible de la caldera por hora que corresponde a 557,95m³, es decir, en dinero cuesta $ 892.720. Este valor está contemplado por las horas del día y la cantidad de días al año.

𝑐𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙= (valor combustible por hora) ∗ (horas al día en operacion)∗ (días al año trabajados)

𝑐𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 = 892.720 ∗ 8 ∗ 288

𝑐𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 = $ 214 513.756

El valor de combustible que se presentó anteriormente está relacionado con el consumo que tendría la caldera con el equipo economizador, el ahorro de combustible se evidencia con el consumo de combustible que tiene la calera sin el equipo que es de $ 235.041.337, teniendo en cuenta estos dos valores se tiene que anualmente se obtendrá un ahorro de combustible que se encuentra en el orden del $ 20.527.581. Con esto se puede evidenciar que mediante este ahorro de combustible anual se podrá pagar el equipo en un tiempo de 1,9 años aproximadamente teniendo en cuenta que el uso del equipo puede tener una variación en este periodo de tiempo. 9.7 RELACIÓN BENEFICIO/COSTO DEL PROYECTO A continuación, se presentará una relación de beneficio costo fundamentada en el consumo de combustible que se va a ahorrar en un periodo de tres años puesto que es un tiempo el cual se recupera la inversión que se tiene al adquirir el equipo y dar

96

un tiempo para tener un periodo en donde el ahorro de combustible se tome como una ganancia a largo plazo, siendo así en estos tres años se obtendrá un valor de $ 61.582.743 en ahorro de combustible.

Esta relación compara de forma directa los beneficios y los costos del proyecto. Para calcularla, se suman de los beneficios descontados (Ingresos o ahorros de combustible VPAC), y se divide sobre la suma de los costes también descontados (Inversión total del capital ITC y los costos de operación y mantenimiento VPOM). RCB= VPAC /CTI RCB= $ 61.582.743 / 45’642.937 RCB= 1,35 Por tanto, la relación beneficio/costo del proyecto es de 1,35 es decir el proyecto debe ser considerado porque los beneficios superan a los costos.

97

Tabla 28. Costos de ingeniera

COSTOS INGENIERILES

ITEM FUENTE

FINANCIERA UNIDAD DE

MEDIDA CANTIDAD

VALOR UNITARIO

VALOR TOTAL

1. TALENTO HUMANO

PROYECTISTAS PROYECTISTAS Horas 672 $ 10.000 $ 6.720.000

ORIENTADOR UNIVERSIDAD Horas 32 $ 15.000 $ 480.000

2. SOFTWARE Y EQUIPO CÓMPUTO

LICENCIA ANSYS

PROYECTISTAS Horas 96 $ 3.556 $ 341.376

LICENCIA NX 11.0

UNIVERSIDAD Horas 32 $ 2.831 $ 90.592

COMPUTADOR PROYECTISTAS Und 1 $ 1.500.000 $ 1.500.000

3. FUNGIBLES

FOTOCOPIAS PROYECTISTAS Und 100 $ 50 $ 5.000

PAPEL PROYECTISTAS Resma 2 $ 12.000 $ 24.000

IMPRESIONES PROYECTISTAS Und 600 $ 300 $ 180.000

IMPRESIONES PLOTTER

PROYECTISTAS Und 50 $ 2.200 $ 110.000

4. OTROS COSTOS

TRANSPORTES - Und 200 $ 10.000 $ 2.000.000

INTERNET - Horas 300 $ 1.500 $ 450.000

ALIMENTACIÓN - Und 80 $ 10.000 $ 800.000

SERVICIOS PÚBLICOS

- Horas 600 $ 2.000 $ 1.200.000

TOTAL $ 13.900.968

98

Tabla 29. Costos totales

COSTOS TOTALES

ITEM VALOR TOTAL

SUBTOTAL COSTOS $

39.218.111

IMPREVISTOS (4%) $

1.568.724

UTILIDAD (2%) $

784.362

IVA SOBRE UTILIDAD $

149.029

TOTAL $

41.720.226

99

10. EVALUACIÓN AMBIENTAL Para el desarrollo de un estudio ambiental es indispensable tener en cuenta el impacto que se tiene al implementar un nuevo equipo en una zona la cual es parte de un ecosistema, el cual por cuestiones netamente organizacionales debe estar implementado en su mayoría en una zona industrial, puesto que la capacidad de la caldera en la que se va a implementar el economizador es de un tamaño que es de manejo netamente industrial se considerara la afectación generada por este equipo en este tipo de ambiente. Por esta razón uno de los propósitos de este proyecto se encuentra en disminuir el impacto ambiental generado por el proceso de quemado de combustibles, principalmente enfocándonos en la disminución en la cantidad de gas natural necesario para cumplir con el proceso de producción de vapor desarrollado por la caldera, como también la disminución de la temperatura a la cual salen los gases luego de este proceso de combustión, puesto que a pesar de tomar el aire como un sumidero se debe tener en cuenta que se puede disminuir el impacto al mismo. En Colombia existe una normativa ambiental la cual incluye una sección especializada en los estándares de emisión admisibles de contaminantes al aire para equipos de combustión externa el cual se encuentra consignado en el tercer capítulo de la resolución 909 del 5 de julio del 2.008 desarrollada por el ministerio de medio ambiente, vivienda y desarrollo territorial, en donde se encuentra las restricciones sobre los tipos de compuestos contaminantes al medio ambiente en donde se hace una clasificación de los mismos con las cantidades admisibles de expulsión por parte de este tipo de equipos. Actualmente esta resolución hace una separación de los equipos puesto que las condiciones tecnológicas y de emisiones pueden variar, por esta razón se estipula una cantidad de contaminantes para equipos nuevos como para equipos existentes o que ya se encuentran en operación. Para el caso de los equipos ya existentes el artículo 7 del mismo capítulo estipula que se debe hacer esta revisión de contaminantes con respecto al combustible con el que opera el equipo los cuales se clasifican en sólido, líquido y gaseoso, en donde las condiciones son a una temperatura ambiente de 77 ºF a nivel del mar. En la tabla que se presenta a continuación se puede observar las cantidades admisibles para cada compuesto contaminante teniendo en cuenta que está diseñado para una operación con oxigeno del 11% de referencia.

100

Tabla 30. Cantidades admisibles de contaminantes Combustible MP 𝑆𝑂 𝑁𝑂 Sólido 0,0001997695 0,000499423 0,0003495966 Líquido 0,0001997695 0,000499423 0,0003495966 Gaseoso No aplica No aplica 0,0003495966

Estas unidades presentadas en la anterior tabla expresados en 𝑂𝑛𝑧/𝑓𝑡 . A lo largo del artículo 8 se mencionan las mismas condiciones de operación de los equipos expuestas anterior mente teniendo en cuenta que es para equipos nuevos pera los cuales se genera una variación como se presenta en la siguiente tabla. Tabla 31. Cantidades admisibles de contaminantes Combustible MP 𝑆𝑂 𝑁𝑂 Sólido 0,0000499423 0,000499423 0,0003495966 Líquido 0,0000499423 0,000499423 0,0003495966 Gaseoso No aplica No aplica 0,0003495966

Estas unidades presentadas en la anterior tabla expresados en 𝑂𝑛𝑧/𝑓𝑡 . Lo presentado anteriormente hace parte de la normativa con la cual se rige la operación de los equipos de combustión externa; como se presentó en el capítulo de caracterización de los gases de combustión, dentro de los gases expulsados por la chimenea generados proceso de la combustión no se encontró ninguno de los compuestos contaminantes regulados por la norma, teniendo en cuenta esto la normativa colombiana no acoge dentro de sus restricciones ambientales por contaminación al aire ya que el combustible suministrado a la caldera es gas natural el cual es uno de los combustibles que produce uno de los menores impactos ambientales al ser quemado. Durante el proceso de fabricación del equipo economizador se pueden evidenciar algunos pasos los cuales pueden contener procesos contaminantes de no ser bien manejados por esta razón tomamos la normativa nacional la cual comprende los siguientes procesos de construcción para la elaboración del economizador. 10.1 IDENTIFICACION DEL IMPACTO AMBIENTAL Durante el proceso de producción y desarrollo del producto se encontrarán algunos esquemas y pasos los cuales pueden ser susceptibles a una afectación ambiental bien sea por contaminación al aire, suelos o fuentes hídricas; por esta razón se debe hacer una caracterización sobre cada proceso en el cual incurre la creación e instalación de este.

101

El desarrollo de una matriz para evidenciar el impacto real sobre cada componente ambiental que se encuentra a lo largo del proceso constructivo del equipo y operativo de este, teniendo en cuenta esto se desarrolla una clasificación dependiendo el efecto del mismo, representado en la siguiente tabla. El análisis ambiental está fundamentado en la tesis “DISEÑO DE UN EQUIPO MÓVIL DE REFRIGERACIÓN PARA EL ALMACENAMIENTO Y TRANSPORTE LECHE CRUDA EN ZONAS RURALES” realizada por Sergio Andrés Alarcón y Jefferson Duván Cruz para la Universidad de América.

Tabla 32. Criterios de evaluación de impacto ambiental Pauta Descripción Valor cuántico del impacto Tipificación Frecuencia del impacto

Cantidad de veces que se produce

1 2 3

Ocasional Discontinuo Fijo

Magnitud del impacto

Alcance que implica el impacto

1 2 3

Bajo Medio Alto

Duración temporal

Tiempo el cual alcanza el impacto

1 2 3

Bajo Medio Alto

Probabilidad del impacto

Posibilidad que suceda el impacto

1 2 3

Bajo Medio Alto

Por esta razón presentamos la siguiente tabla en donde se encontrará cada proceso con su respectivo residuo, o contaminante al ambiente. Tabla 33. Impacto ambiental PROCESO ACTIVIDAD MARCO

AMBIENTAL IMPORTANCIA AMBIENTAL

Corte Laminas carcaza del economizador.

Perforaciones cabezales.

Material aislante. Tubos para el

intercambiador.

Generación de residuos sólidos, ruido, consumo de energía, generación de calor, transformación de materias primas.

Contaminación de suelo, agua, generación de gases efecto invernadero.

Soldadura Unión de los tubos del intercambiador.

Unión carcaza economizador.

Unión tubería con cabezales de alimentación y de salida.

Generación de gases nocivos, atmosferas particuladas contaminantes.

Contaminación del aire.

102

Continuación Tabla 34. Impacto ambiental PROCESO ACTIVIDAD MARCO

AMBIENTAL IMPORTANCIA AMBIENTAL

Operación Proceso operativo del equipo

Transformaciones térmicas, uso de combustible (gas natural)

Agotamiento del recurso natural.

Para el desarrollo de este se efectúa un matiz con la cual se permite dar la importancia de cada impacto ambiental en donde se caracteriza y clasifica el efecto en los diferentes componentes ambientales que pueden ver afectados, a continuación, se presenta la tabla que da la claridad del mismo.

Tabla 34. Evaluación de impacto ambiental IMPACTO AMBIENTAL

FR

EC

UE

NC

IA

MA

GN

ITU

D

DU

RA

CIÓ

N

PR

OB

AB

ILID

AD

TO

TA

L

GRADO DE SIGNIFICANCIA

SOLUCIÓN Y CONTROL

Agotamiento del recurso natural

1

1

2

2

6

No significativo

El equipo diseñado tiene como objetivo disminuir el consumo de combustible en este caso GN, a pesar de esto es importante tener en cuenta que es un recurso natural y tiene como combustible al igual que el agua requerida para su funcionamiento y el cuidado y responsabilidad de los mismos partes del buen mantenimiento de los equipos.

Contaminación del aire

2

1

2

2

7

Significativo

El impacto contaminante al aire se ve afectado positivamente puesto que existe una disminución en la expulsión de gases procedentes del proceso de combustión sin embargo por el uso continuo de la caldera se van a seguir produciendo, el proceso de manufactura también producirá gases contaminantes importantes de evaluar al momento hacer la construcción y transporte del mismo los cuales están regidos únicamente por GTC-24 NTC-3853, 3971,5852, guía ministerio de ambiente.

103

Continuación Tabla 32. Evaluación de impacto ambiental IMPACTO AMBIENTAL

FR

EC

UE

NC

IA

MA

GN

ITU

D

DU

RA

CIÓ

N

PR

OB

AB

IBL

IDA

D

TO

TA

L

GRADO DE SIGNIFICACUA

SOLUCIÓN Y CONTROL

Generación gases efecto invernadero

2

1

2

3

8

Significativo

La producción de gases que desarrollan el efecto invernadero están implícitos cuando se queman combustibles fósiles en este caso el GN la disminución del consumo de mismo garantiza la disminución en la producción de gases de efecto invernadero.

Contaminación del agua

1

1

1

1

4

No significativo

El uso que se da al agua durante la operación de la caldera se no se considera la contaminación a ninguna fuente hídrica puesto que no se le agrega ningún tipo de compuesto contaminante a la misma y la temperatura de la misma se ve disminuida durante el proceso posterior para el cual se le va a dar la aplicación.

Contaminación del suelo

1

1

1

1

4

No significativo

Este proceso se ve afectado únicamente por los procesos de manufactura en donde se realizarán cortes y soldaduras las cuales pueden generar una afectación mínima al suelo, posteriormente a esto el proceso operativo no desarrollara ningún tipo de afectación, por esta razón es importante que se realicen con equipos que no desarrolle una cantidad importante de residuos.

104

11. CONCLUSIONES

El proyecto es viable ya que se puede financiar con los recursos generados por el ahorro de combustible, teniendo en cuenta que anualmente tiene un ahorro de $20.527.581 COP y el costo del equipo es de $37.912.970 COP.

Después de haber realizado el análisis de temperaturas de salida de gas vs temperatura de salida de agua del economizador se concluye que el ahorro de combustible producido por el equipo es del 8.77%

Al usar la energía calórica de los gases de combustión que salen por la chimenea

para precalentar el agua, se observa una disminución del 25,47% de temperatura de los gases después de pasar por el economizador haciendo que el sistema sea sostenible ambientalmente.

Como se evidencia en la simulación, el mayor incremento de temperatura estará

dado durante el paso del agua por el último paso del serpentín, ya que este nivel está expuesto en el punto donde el gas tiene la mayor temperatura durante el paso por el economizador. -

105

12. RECOMENDACIONES Realizar los cálculos pertinentes para el diseño de la caja donde irá ubicado el

economizador.

Realizar el análisis Isocinético a la caldera antes del montaje del economizador. Se recomienda el uso de pinturas resistentes al calor que contiene polvo de zinc

las cuales sirven para ayudar a prevenir la corrosión en las tuberías y en las láminas laterales del economizador.

Realizar un análisis para saber si la pintura produce alteraciones de

conductividad térmica en el equipo.

106

BIBLIOGRAFIA ALARCON FONSECA, Sergio, CRUZ RINCÓN, Jefferson. DISEÑO DE UN EQUIPO MÓVIL DE REFRIGERACIÓN PARA EL ALMACENAMIENTO Y TRANSPORTE DE LECHE CRUDA EN ZONAS RURALES. 2017. CENGEL,Yunus A., et al. Termodinámica. México: Mc Graw Hill, 2003. CENGEL,Yunus A., et al. Transferencia de calor y masa: un enfoque práctico. México: Mc Graw Hill, 2007. EDWIN RAMOS FAJARDO. DISEÑO Y ANALISIS FINANCIERO DE UN ECONOMIZADOR PARA LA CALDERA DISTRAL 1 DE INCAUCA S.A. [1]: FELDER,Richard,M.; COSTAS BASÍN,María Eugenia and ROUSSEAU,Ronald W. Principios elementales de los procesos químicos. Argentina: Addison - Wesley, 1991. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Documentación. Presentación de tesis, trabajo de grados y otros trabajos de investigación. NTC 1486. Sexta actualización, 1 ed. Bogotá: INCONTEC, 2008, 33 p. ______Referencias bibliográficas, contenido, forma y contenido, forma y estructura. NTC 5613. 1 ed. Bogotá: El instituto, 2008. 38 p. ______. Referencias documentales para fuentes de información electrónicas. NTC 4490. 1ed. Bogotá: Instituto, 2008. 23 p. KAKAÇ,Sadik; LIU,Hongtan andPRAMUANJAROENKIJ,Anchasa. Heat exchangers: selection, rating, and thermal desing. New York: Taylor & Francis Group, 2012. KERN,Donald Q. Procesos de transferencia de calor. New York: McGraw-Hill, 1950. SHIELD,Carl D., ESCOBEDO ORTEGA,Aaron. Calderas: tipos, características y sus funciones. México: Compañia Editorial Continental S.A., 1965. Steam: its generation and use. New York: The Babcock y Wilcox, 1992. SWIFT,Charles Donald andROSAS MENDOZA,Rene. Plantas de vapor: arranque, prueba y operación. México: Continental, 1965.

107

ANEXOS

108

ANEXO A. DATOS DE TUBOS PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR

109

ANEXO B. DATOS DE TUBERÍA DE ACERO

110

ANEXO C. CATÁLOGO DE BRIDAS WN 150LBS SCH STD

104

ANEXO D. FORMATO PARA LA SELECCIÓN DE BRIDAS

112

ANEXO E.

CÁLCULOS DEL INTERCAMBIADOR EN EXCEL

113

ANEXO F. COTIZACIÓN MATERIALES PARA EL INTERCAMBIADOR

114

ANEXO G. COTIZACIÓN LAMINAS