caldera pirotubular horizontal
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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL EJERCITO SEDE
LATACUNGA
FACULTAD DE INGENIERIA DE EJECUCION EN
ELECTROMECANICA
TESIS PREVIA DE LÑA OBSERVACION DEL TITULO DE
INGENIERO DE EJHECUCION EN ELECTROMECANICA
TEMA: DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNA CALDERA
PIROTUBULAR HORIZONTAL DE TRES PASOS 50 BHP
POR: FRANCISCO XAVIER CAJAMARCA CORRAL
LATACUNGA – ECUADOR
DICIEMBRE 2001
DEDICATORIA
Este trabajo es dedicado al esfuerzo de mis padres
CERTIFICACION
Certificamos que el presente trabajo fue realizado en su totalidad por el Sr.
Francisco Xavier Corral, bajo nuestra dirección.
………………………………. ……………………………….
ING. William Ramirez Ing. Juan Castro.
DIRECTOR CODIRECTOR
PREFACIO
El presente proyecto pretende ofrecer una alternativa mas económica a las
industrias que utilizan el vapor dentro de sus procesos de producción ,mediante la
fabricación local de una caldera.
Por tratarse de una máquina sometida a grandes presiones y a severas
condiciones de trabajo, deberá ser construida bajo estrictas normas de seguridad y
deberá estar equipada con elementos que garanticen un buen funcionamiento ,además
del bienestar del personal que trabaja alrededor de la misma.
Este proyecto comprende diseño y construcción de una caldera. Para el diseño
se tomará en cuenta las recomendaciones más importantes de los fabricantes
internacionales de calderas.
Las ventajas que nos ofrece este proyecto son las siguientes: menor tiempo en la
entrega de la máquina , un precio mas económico, fácil mantenimiento y la mas
importante que puede ser fabricada localmente.
I.- INTRODUCCION
1.1.- ANTECEDENTES
Al considerarse al vapor como la principal fuente de energía térmica y las mas
económica en la mayoría de los procesos industriales a nivel mundial, estaríamos
hablando directamente de su máquina generadora conocida como Caldera.
Debido al elevado costo de una maquina generadora de vapor importada ,este se
convierte en un obstáculo para las empresas nuevas que necesitan una caldera para sus
procesos industriales, y que no están en la capacidad económica de realizar tal
inversión.
Bajo este concepto la empresa MICROEMPAQUES S.A. ha tomado la decisión
de apoyar e invertir en este proyecto de diseño y construcción de una caldera que
satisfaga las necesidades para la producción de cartón corrugado.
1.2.- OBJETIVOS GENERALES
Diseñar y construir una caldera que satisfaga con la demanda de vapor para la
producción de la compañía MICROEMPAQUES S.A.
Reducir el costo de esta maquina generadora de vapor con relación a una semejante
pero importada.
Mantener todas las normas de seguridad y protección durante todo el proceso de
construcción y de operación una vez entregada la máquina.
1.3.- OBJETIVO ESPECIFICO
Entregar la cantidad de vapor necesaria para la preparación del cartón
microcorrugado, y la preparación de la goma que se usa en este proceso industrial
en este caso particular 700 Kg. de vapor por hora a una presión máxima de 125 psi.
estos parámetros fueron entregados por la compañía comercializadora de la
maquinaría y equipos en los Estados Unidos
1.4.- ALCANCE
1.4.1.- PARTE TEORICA
Se empieza con una visión general de los diferentes tipos de calderas,
conceptuando a las calderas mas opcionadas para esta necesidad ,el procedimiento para
el diseño térmico y los materiales utilizados en la fabricación. También se indican las
propiedades más importantes del combustible que se utilizara en este caso el diesel.
1.4.2. - DISEÑO
Para la fabricación de la caldera se tomarán en cuenta los siguientes aspectos:
un prediseño térmico, un diseño térmico corregido para que cumpla con los parámetros
de diseño establecidos, y un diseño mecánico analizando y comparando con
parámetros establecidos por fabricantes internacionales de calderas.
1.4.3. - CONSTRUCCION
Esta caldera será construida en su totalidad en talleres ecuatorianos
especializados en este tipo de trabajos ,bajo permanente supervisión durante todas las
etapas de fabricación.
1.4.4.- MANUAL DE MANTENIMIENTO
Estará incluido un manual de operación en el que se indicará la manera
general de manejar la caldera desde su encendido ,además se entregarán los
procedimientos para mantener a la caldera en perfectas condiciones de
funcionamiento mediante un programa de mantenimiento.
II.- GENERALIDADES SOBRE LAS CALDERAS
DE TUBOS DE FUEGO
2.1.- CALDERAS PIROTUBULARES
Estas calderas también son conocidas como " calderas de tubos de humo "o
como" calderas pirotubulares"
Su nombre se deriva del hecho que en las calderas de este tipo todo el trabajo o
la mayor parte del mismo es realizado por transferencia de calor desde los productos de
combustible caliente ,los cuales fluyen por el interior de los tubos, mientras que el agua
se encuentra rodeando a dichos tubos.
En estas calderas el agua y el vapor se encuentran contenidos en una carcaza o
envolvente ,incluyendo los elementos para producir vapor. Aunque la forma ideal para
resistir presiones internas es un esfera ,sin embargo por consideraciones practicas se ha
optado por construirlas básicamente en carcazas cilíndricas.
Secciones no cilíndricas y ciertas superficies planas han sido añadidas con el fin
de proporcionar resistencia a presiones internas por varios métodos tales como :tirantes
diagonales, pernos continuos, o tubos tirantes.
Estas calderas presentan limitaciones en su resistencia estructural para altas
presiones, pues en el caso contrario se tendrían que diseñar calderas pirotubulares de
diámetros muy grandes y espesores también excesivos, lo cual sería antieconómico
comparado con la producción de vapor que se generaría. Tiene sin embargo ,la ventaja
de su gran volumen de almacenamiento de agua, además de su peculiaridad de
compensar los efectos de las grandes y repentinas fluctuaciones en la demanda de
vapor. Debido a su gran volumen de agua ,el tiempo que necesita para alcanzar su
presión de trabajo , partiendo de un arranque en frío, es considerablemente mayor que
el requerido por una caldera acuotubular.
2.1.1.- CARACTERISTICAS
Las calderas pirotubulares se usan principalmente para sistemas de calefacción
para la producción de vapor requerido en los procesos industriales o como
calderas portátiles.
Se construyen en tamaños de hasta unos 6.800 Kg. (15.000 lb) de vapor por
hora. La caldera de baja presión esta limitada a 1.05 Kg/cm2 (15 lb/plg
2 )de
presión de vapor, y la caldera de vapor para generación de fuerza , puede operar
a una presión de 17.6 Kg/cm2 ( 250 lb/plg
2 ).
La caldera pirotubular se usa generalmente en donde la demanda de vapor es
relativamente reducida, comparada con la demanda de las grandes centrales
termoeléctricas.
No se utiliza para el accionamiento de turbinas , porque no es convenientemente
adaptable a la instalación de supercalentadores.
Su posibilidad de sobrecalentamiento es limitada y depende del tipo de la
caldera ; con el aumento de la demanda de vapor, la temperatura de los gases se
eleva rápidamente.
El costo de una caldera pirotubular instalada, es relativamente bajo y
considerablemente menor que la correspondiente caldera acuotubular de domo.
Y como ofrece condiciones favorables con respecto a sus costos de fabricación ,
es perfectamente adaptable a la producción estandarizada.
El diseño de la caldera de tubos de humo se basa principalmente en el hogar y en
los pasos de los gases a través de los tubos.
Se han desarrollado muchos dispositivos .Los tubos han sido colocados
horizontalmente, inclinados y en posición vertical, con uno o más retornos.
La caldera recibe la denominación de caldera de tubos continuos o de tubos de
retorno, de acuerdo con la dirección del flujo de los gases. Puede tener un hogar
interno , o estar dotada de fogón externo.
El hogar interno puede ser del tipo de tubo recto, localizado dentro del cuerpo
cilíndrico y rodeado por paredes de agua, o puede ser del tipo de caja , con el
fogón rodeado de una superficie enfriada por agua, que recibe el nombre de
paredes de agua, con excepción de la parte de abajo (piso).
2.2.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS CALDERAS
PIROTUBULARES
- VENTAJAS –
Menor costo de fabricación
Se construyen en tamaños relativamente pequeños para su manejo e instalación
Son portátiles
Fácil mantenimiento
Almacenan gran volumen de agua
Soportan fluctuaciones en la demanda de vapor
- DESVENTAJAS –
Presentan limitaciones para altas presiones
Producción de vapor relativamente reducida
Espacio limitado para la instalación de equipos auxiliares como supercalentadores.
2.3.- FORMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA
CALDERA
Llevar el calor desde el hogar donde se quema el combustible, hasta el agua que
se encuentra dentro de la caldera presenta el problema de la transferencia de calor.
El calor puede transferirse de un punto a otro por tres métodos distintos :
radiación , convección y conducción. Las calderas están diseñadas de manera que
utilicen perfectamente los tres métodos.
2.3.1.- RADIACIÓN
Es el fenómeno de transferir el calor en forma de ondas similares a las ondas de
radio y de la luz. Así como la luz estas ondas pasan libremente por el aire y otras
materias transparentes sin efecto aparente en ellas .
Las llamas del combustible ardiendo dentro del hogar en todas direcciones, de
este calor radiante un gran porcentaje pasa directamente de la llama a la superficie de
calefacción de la caldera, donde es absorbido.
2.3.2. - CONVECCIÓN
La transferencia de calor por convección se debe al movimiento del fluido. El
fluido frío adyacente a superficies calientes recibe calor que luego transfiere al resto
del fluido frío mezclándose con él. La convección libre o natural ocurre cuando el
movimiento del fluido no se complementa por agitación mecánica . Pero cuando el
fluido se agita mecánicamente , el calor se transfiere por convección forzada.
2.3.3. - CONDUCCIÓN
Se efectúa cuando se transmite energía por contacto directo entre las moléculas
de 2 o más cuerpos que se encuentran en buen contacto térmico entre sí ; o sea que las
moléculas calentadas comunican su energía a las otras que se encuentran
inmediatamente adyacentes a ellas.
En general , los sólidos conducen calor mejor que los líquidos y los líquidos
mejor que los gases. Esto se explica debido a la diferencia de estructura molecular ,
puesto que las moléculas de un gas al encontrarse muy separadas, la transferencia de
calor de molécula a molécula se torna más difícil.
2.4. - CLASIFICACION DE LAS CALDERAS
PIROTUBULARES
Las calderas pirotubulares se pueden clasificar bajo diferentes aspectos entre los
más importantes tendríamos según su posición, según el fondo de la parte posterior,
según el número de pasos; se podría considerar también por el tipo de combustible
quemado sobre todo cuando la diferencia esta entre un combustible sólido y un
combustible líquido.
2.4.1. - SEGUN SU POSICION
Las calderas de tubos de fuego se las puede encontrar según su posición en
horizontales y verticales, siendo las comunes y utilizadas las de posición horizontal.
FIG. 1: Clasificación de las calderas pirotubulares por la posición en que se encuentran
2.4.2. - SEGUN EL FONDO DE LA PARTE POSTERIOR
La parte posterior de la cámara de combustión en una caldera puede ser de dos
tipos de fondo seco y de fondo húmedo es decir que la cámara se encuentra enfriada
por agua.
FIG. 2: Clasificación según el fondo de la parte posterior de la cámara.
2.4.3. - SEGUN EL NUMERO DE PASOS O RETORNOS
Bajo este parámetro podemos encontrar calderas de dos pasos (fondo seco), tres
pasos (con o sin enfriamiento de agua), cuatro pasos (fondo seco).
FIG. 3: Clasificación según el número de pasos.
2.4.4. - SEGUN EL COMBUSTIBLE QUEMADO
Este parámetro dependerá de la factibilidad de quemar los diferentes tipos de
combustibles líquidos, sólidos y gaseosos, dentro de los mas utilizados estarían el
Diesel, el Búnker, el Gas (glp), la madera, el carbón etc.
2.5. - CALDERAS PIROTUBULARES HORIZONTALES
La mayor parte de las calderas tanto de aplicación industrial como de aplicación
marina que son usadas actualmente son del tipo horizontal.
Las características de este tipo de calderas son bastante parecidas, a
continuación detallaremos sus partes principales:
2.5.1. - EL CUERPO O CASCO
El cuerpo de la caldera esta compuesto básicamente por un cilindro de plancha
de acero en el cual se encuentra formando parte integral el hogar y los tubos de fuego.
La línea del nivel de agua se fija generalmente en un punto localizado a no
menos de 5 cm. Arriba del borde de la hilera superior de los tubos de fuego, o de la
placa de la corona. El espacio comprendido arriba del nivel de agua es llamado cámara
de vapor.
El casco de una caldera de tubos horizontales con piernas de agua, comprende
una placa de extensión de la envolvente, prolongada por las placas que forman la caja
de fuego o el hogar.
FIG. 4: Cuerpo o casco de una caldera pirotubular horizontal.
2.5.2. - EL HOGAR
El hogar constituye la parte de la caldera donde se realiza la combustión de la
mezcla aire, suministrado por un ventilador, y el combustible pulverizado a través de
un quemador.
El hogar en las calderas pirotubulares va localizado según el tipo de fabricante,
este puede ser centralizado en unos casos y un poco desplazado hacia la base o parte
inferior de la caldera en otros.
El hogar de las calderas pirotubulares lleva ladrillos refractarios los cuales van
pegados entre sí con cemento refractario, todos estos materiales deben ser resistentes a
las altas temperaturas que normalmente se producen en el hogar de toda caldera por
causa de la combustión.
Este material refractario constituye un recubrimiento interior del hogar, para
evitar que estas altas temperaturas alcancen y destruyan la cubierta o carcaza de la
caldera.
FIG. 5: Hogar de una caldera pirotubular horizontal.
2.5.3. - LA CAMARA DE COMBUSTION
En las calderas pirotubulares modernas se considera que esta forma una sola
parte con el hogar, sin embargo en las calderas Scotch, se denomina así la parte
posterior del hogar. Es decir en otras palabras al fondo posterior del hogar y en lo que a
esta parte concierne existen ciertas diferencias en el diseño de algunas calderas.
Es así que se denominan "calderas de fondo húmedo" a aquellas que tienen su
parte posterior enfriada por la misma agua de la caldera; en este grupo encontramos a
las calderas Scotch, Kewanee y a las Distral.
Por otra parte, se denominan "calderas de fondo seco" a aquellas que tienen su
parte trasera o posterior en contacto con los gases provenientes de la combustión
realizada en el hogar, en este grupo encontramos a las calderas York Shipley y Cleaver
Brooks.
Del esquema se puede observar que los tubos de las calderas con fondo seco son
todos de la misma longitud, no así los tubos de la caldera con fondo húmedo que son
de dos longitudes diferentes. Por otra parte cabe notar que la tapa de registro de la
caldera de fondo seco ubicada en la parte trasera es de mayor dimensión que la caldera
de fondo húmedo, lo cual facilita su acceso para inspección o limpieza. ( Fig. 2 )
2.5.4. - TUBOS DE FUEGO Y SU NUMERO DE PASOS
Los tubos de fuego son construidos de acero de bajo porcentaje de carbono. La
forma como se encuentren estos distribuidos definirá él numero de pasos o retornos de
gases circulando por el interior de los mismos.
Todos los tubos se encuentran soportados y unidos en sus extremos a placas o
espejos, en los cuales van expandidos, biselados y pestañeados; o soldados según sea el
tipo y marca de la caldera.
Los tubos de fuego son regularmente de 51 mm a 102 mm (2"a 4") de diámetro,
y su selección depende de la perdida de tiro y del tipo de combustible a usar.
Frecuentemente se aumenta el diámetro en 25 mm por cada 1.22 m de aumento en la
longitud de los tubos. Esta relación es variable. Las calderas portátiles con chimeneas
cortas, requieren diámetros grandes en los tubos; las que van dotadas de ventiladores
de tiro, pueden llevar tubos de menor diámetro.
FIG. 6: Disposición de los tubos para una caldera de tres pasos.
Cabe indicar que en las calderas de tres pasos, se obtiene la máxima
transferencia de calor en el segundo y tercer paso osea en los tubos de fuego, ya que
los mismos representan la superficie de calentamiento principal de esta máquina
térmica.
En las calderas de cuatro pasos , el 40% del calor es transferido en el hogar y el 60% es
transferido en los otros tres pasos de los gases a través de los tubos.
En lo referente a la superficie de calefacción de las calderas pirotubulares , se
puede decir en general que todas se encuentran diseñadas tomando como base de 4 a 5
pies cuadrados de calefacción por caballo caldera (bhp). Esto significaría que una
caldera que tenga 750 pies cuadrados de superficie de calefacción tendrá
aproximadamente 150 caballos caldera de potencia calorífica.
2.5.5. - PUERTAS O TAPAS DE REGISTRO
Las puertas de acceso a los tubos se encuentran localizadas frente a los mismos;
las puertas para la limpieza se encuentran en las cajas de humo y otras partes
convenientes. Estas puertas son necesarias para remover el hollín y para el cambio de
tubos.
Para el acceso se cuenta con registros de hombre, (Manhole) y para la limpieza,
desfogue de sedimentos y lodos, así como para la inspección de las partes en contacto
con el agua, se dispone de registros de mano (Handhole) y orificios con tapones
roscados.
Los grifos de drenaje colocados en las partes inferiores, se conocen como grifos
de purga. El vapor o agua caliente se descarga de la parte superior de la caldera por una
o varias boquillas o conexiones roscada.
2.5.6. - CHIMENEA
La chimenea es el ducto que conduce por medio de un tiro los gases producto
de la combustión hacia afuera de la caldera.
El tiro natural se crea cuando la presión barométrica en un punto determinado es
inferior al que existe en la región adyacente, en otras palabras se entiende por tiro
natural, la diferencia de presiones originada por la altura de la chimenea y la mayor
temperatura de los gases de combustión con respecto al medio ambiente, dando como
resultado una corriente de aire desde el hogar hacia el exterior de la caldera.
En cambio el tiro forzado significa introducir aire a presión al hogar. Utilizando
ventiladores y el tiro inducido por su parte significa succionar los gases de combustión
a través de ventiladores instalados en la chimenea, para sacarlos hacia el exterior.
FIG. 8: Chimenea y cubierta para una chimenea.
III.- COMBUSTION
En este capitulo se realiza un análisis del proceso de combustión a efectuarse en
el hogar de la caldera; esto es la determinación de los productos de combustión y de la
temperatura de la llama, considerada como la temperatura inicial.
Por otro lado se selecciona el combustible y se incluyen las propiedades y
características que presenta en el país.
3.1. - ELEMENTOS DE LA COMBUSTION
La combustión es un proceso químico que se produce por la unión de
substancias combustibles con él oxigeno.
Los combustibles comerciales presentan básicamente tres elementos
susceptibles de oxidarse: carbono, hidrógeno y azufre. El oxigeno mantiene la
combustión y el nitrógeno no reacciona, sin embargo a elevadas temperaturas, el efecto
de la disociación puede hacer que reaccione y forme óxidos los cuales dan lugar a
problemas de contaminación.
El azufre produce normalmente ácidos los cuales son contaminantes y provocan
corrosión en los metales. Adicionalmente se puede decir que existe agua en los
reactantes debido a la humedad del aire y del combustible.
3.2. - REQUISITOS PARA LA COMBUSTION.
Los requisitos específicos para obtener una combustión adecuada son
particularmente para cada combustible. Es posible sin embargo, delimitar ciertas
consideraciones generales y a partir de ellas formar las bases del diseño para la
combustión. Estos requisitos son:
El suministro de aire debe ser tal que asegure suficiente oxigeno para una
combustión completa.
Puesto que la combustión completa no necesariamente es combustión eficiente, se
debe asegurar que el exceso de aire introducido sea solo el necesario, ya que este
produce una baja temperatura en los gases.
El suministro de aire debe ser de tal manera que entre en libre e intimo contacto con
las substancias combustibles.
Para la combustión, el aire y el combustible deben mantenerse a una temperatura
mayor o igual a su punto de ignición hasta que la combustión se complete.
3.3. - COMBUSTION EN LAS CALDERAS
La calidad de la combustión en las calderas es importante, pues esta tiene
influencia directa sobre:
La eficiencia
El mantenimiento, y
La seguridad de funcionamiento.
Los depósitos de combustible no quemado combinado con impurezas afectan la
transferencia de calor al agua en las calderas y al vapor en los recalentadores; por otra
parte, la normal dosificación de combustible al iniciarse un ciclo de operación puede
originar explosiones en el lado de fuego de las calderas.
Por lo tanto, una adecuada combustión evitará todas las anomalías arriba
mencionadas.
Para que se produzca la combustión es necesario la presencia de los siguientes
elementos:
Un elemento combustible: diesel oíl, fuel oíl, etc.
Un elemento comburente: el aire
Un elemento de ignición: chispa.
El carbono, hidrógeno, y oxígeno son algunos de los elementos que contiene el
combustible, los cuales se queman al combinarse con el aire suministrando calor,
mientras los demás componentes reducen la cantidad efectiva de calor liberado.
3.4. - ELECCION DEL COMBUSTIBLE
En general en calderas se puede utilizar combustibles sólidos, líquidos o
gaseosos. Dentro de los sólidos se emplean carbón, madera o desechos combustibles
provenientes de cualquier proceso. Los combustibles líquidos empleados son Diesel y
Búnker y los gaseosos generalmente son subproductos provenientes de la explotación
del petróleo.
La selección de un tipo de combustible, dependerá de los criterios del diseñador
y de la facilidad con que tenga acceso a ellos.
Un factor predominante para la selección del combustible es el aspecto
económico, que debe involucrar análisis de costos, no solo del combustible sino de las
instalaciones necesarias para su almacenamiento, transporte y dosificación. Un
ejemplo clásico se da entre el diesel y el búnker, aunque el segundo tiene menor costo
por galón, requiere intercambiadores de calor para su fluidización, así como
instalaciones mixtas con diesel para encendido y apagado de la caldera.
En lo referente a los combustibles gaseosos, en comparación a los líquidos estos
presentan inconvenientes para su almacenaje, transporte y suministro.
3.4.1. - TABLAS DE CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES
MAS COMUNES
Por ser el Diesel # 2 y Fuel oíl # 6 (búnker) los combustibles mas utilizados en
este tipo de calderas tabularemos las características más importantes de cada uno de
ellos, de acuerdo a datos experimentales tomados de la tesis de la Universidad Central
del Ecuador, determinación del poder calórico de combustibles medios y pesados
producidos en el Ecuador
Tabla 1: Propiedades aproximadas del Diesel # 2 para consumo nacional (fuente: Calderas
Industriales y marinas del Ing.Angel Vargas.)
PROPIEDADES DEL DIESEL
Viscosidad SSU a 100° F 36 a 45
Gravedad especifica 0,849 a 0,86
Grados API 33 a 35
Punto de inflamación ( °F ) 180
Poder calórico superior ( Kcal / Kg ) 10.700
Contenido de azufre % 0,49
Contenido de vanadio ( ppm ) 1,5
Tabla 2:Propiedades aproximadas del Bunker para consumo nacional ( Fuente : Calderas
Industriales y marinas del Ing.Angel Vargas.)
PROPIEDADES DEL BUNKER
Viscosidad SSU a 100° F 3714 a 3805
Gravedad especifica 0,950 a 0,953
Grados API 16,9 a 17,4
Punto de inflamación ( °F ) 285
Poder calórico superior ( Kcal / Kg ) 10.900
Contenido de azufre % 1,5
Contenido de vanadio ( ppm ) 120
Contenido de cenizas % 0,04 a 0,15
3.4.2. - CARACTERISTICAS GENERALES DEL DIESEL
Fácil almacenaje y manejo en bombas, tuberías y controles.
Fácil regulación de la combustión
Puesta en servicio rápida y fácil
Presenta pequeñas porciones de ceniza, dando lugar a menores pérdidas de calor y
poca formación de escorias.
Su densidad relativa es menor que 1, por lo que su purificación es fácil.
3.4.3. - CARACTERISTICAS GENERALES DEL BUNKER.
Almacenaje bajo control de temperatura
Manejo cuidadoso en bombas , tuberías y controles
Necesita cierto tiempo para alcanzar la temperatura de servicio cuando el equipo
estuvo fuera de servicio.
Presenta grandes cantidades de cenizas e impurezas por lo que el tiempo de
limpieza de la caldera es menor.
3.5. - AIRE REQUERIDO PARA LA COMBUSTION
Para un determinado peso de un combustible normalmente se requiere un peso
preciso de oxígeno para quemar así los componentes químicos de este combustible.
Como el aire es una mezcla de oxígeno, nitrógeno y otros gases, un peso preciso
de oxígeno es equivalente a un peso de aire que es suficientemente constante para los
propósitos de la combustión.
Sin embargo en la practica la completa combustión del fuel o de cualquier
combustible no podría ser efectuada sino se suministrara algo de aire en exceso de
aquel requerido para una combustión teóricamente perfecta.
El exceso de aire se determina por la experiencia, y la cantidad óptima depende
de varios factores, entre ellos:
Garantizar la combustión completa
Tratar de asegurar turbulencia y mezcla completa del aire con el combustible
pulverizado.
Del combustible a emplearse
Del método de quemado
De la disposición y proporciones de la cámara de combustión
Bajo estas consideraciones, para calderas que emplean quemadores a diesel, se
recomienda que el porcentaje de aire de exceso sea entre 5 y 20%, cantidades mayores
disminuyen la eficiencia, ya que roban inútilmente energía, refrigeran los gases de
combustión y aíslan la llama de las superficies de caldeo.
En la figura se puede observar el efecto del porcentaje de aire teórico sobre al
eficiencia de la caldera.
FIG. 9: Efecto del porcentaje de aire teórico en la eficiencia de la caldera
En la gráfica se observa que entre el 100 y 120% de aire se obtienen los valores
máximos de eficiencia caracterizándose por ser una zona con alto contenido de C02 y
prácticamente ausencia de CO; una comprobación visual de esta condición es que la
llama presenta un color dorado y los gases de escape son transparentes. Cuando los
humos aparecen de color negro es un indicador de que existe insuficiencia de aire,
mientras que los humos blancos revelan un exceso de aire.
3.6. - EFICIENCIA DE LA COMBUSTION
La eficiencia de la combustión representa la cantidad de calor neto que el
combustible puede entregar a los gases. La disminución de calor útil se debe por un
lado, a que en el fenómeno de la explosión se pierde algo del calor de combustión por
conducción y radiación;
Además existen pérdidas provenientes del quemador dadas por muchos
factores, entre los que pueden mencionarse:
falta de atomización , goteo
carbonización del combustible en las boquillas
fallas en el suministro de aire, etc.
Estas pérdidas se han estimado en un 5% del poder calórico neto, y son
consideradas como irreversibles.
3.7. - EFECTOS QUE PRODUCE LA INSUFICIENCIA DE
AIRE
La experiencia ha demostrado que la mayor perdida de eficiencia en una
caldera, y en general de toda la planta de poder, proviene de una combustión
inadecuada en las calderas, la que es debida en gran parte a un mal manejo y control
sobre los ventiladores de tiraje, los que proporcionarán aire en exceso o en cantidad
insuficiente.
La ecuación química (3.1) (3.2). REF. 1 explica el efecto de la insuficiencia
de aire, el carbono contenido en el petróleo, puede oxidarse hasta formar dióxido de
carbono, con la cantidad apropiada de aire, la oxidación completa del carbono hasta
dióxido de carbono esta indicada por la ecuación:
C + O2 = CO2 + 14.500 Btu ( 3.1 )
Con una cantidad insuficiente de aire, la reacción sería:
C + ½ O2 = CO + 4.440 Btu ( 3.2 )
Al comparar las dos ecuaciones puede observarse que en la combustión
incompleta del carbono en el combustible hay una reducción de 10.100 Btu por libra
de carbono.
Esto demuestra la perdida de calor útil debida a que el suministro de aire al
hogar es inadecuado. Una perdida mayor de calor se producirá si la cantidad de
aire suministrado es disminuida en tal forma que el oxígeno no alcance a oxidar al
carbono hasta monóxido de carbono.
Felizmente esta última condición es fácilmente reconocida, porque el carbono
no quemado abandona la caldera junto con los gases, por la chimenea, como humo
negro denso. El aspecto de la llama en el hogar es indicativo de la calidad de la
combustión.
La llama aparece de un color rojizo obscuro cuando todo el carbono no alcanza
a quemarse para formar monóxido de carbono. Cuando todo el carbono se quema hasta
formar monóxido de carbono la llama es de color anaranjado.
Si todo el carbono se quema hasta formar bióxido de carbono, la llama del
hogar aparecerá de un color amarillo dorado, cuando la cantidad de aire sea la correcta.
En estas condiciones por la chimenea saldrá una neblina de color café claro,
semitransparente, que es indicativa de combustión correcta, se le llama " punto de
humo " y debe ser conocida por todos los operadores de calderas para obtener las
mejores condiciones de eficiencia.
3.8. - EFECTO DEL EXCESO DE AIRE
La combustión completa del petróleo no asegura el logro de la condición más
eficiente, se necesitan 13,52 lb. de aire para quemar en condiciones ideales cada libra
de carbono hasta la formación de bióxido de carbono, dato tomado del libro Caderas
industriales y marinas del Ing.A.Vargas, 1984,pp170.
Bajo las condiciones reales del hogar, se hace necesario proporcionar mas de
13,52 lb. de aire para la oxidación completa de cada lb de carbono; perdidas inevitables
hacen imposible la combustión perfecta y será necesario un 110 a 115% de la cantidad
ideal del aire, para quemar totalmente el petróleo. Esto representa un 15% de exceso de
aire.
El exceso de aire se define como la cantidad extra de aire necesario sobre la
cantidad ideal, para la combustión completa del petróleo en el hogar. A parte de la
pequeña cantidad que se aporta para asegurar la combustión completa, el exceso de
aire no cumple otra función útil en el hogar. Una vez que el carbono se ha oxidado por
completo con 2,667 libras de oxígeno, el resto del aire queda inactivo.
Como el exceso de aire incrementa el volumen de nitrógeno y otros gases no
combustibles que absorben el calor, en realidad reduce el calor útil que se obtiene del
petróleo.
La presencia de un exceso de aire mayor que el necesario, se reconoce en el
hogar por la llama blanca, opaca o brillante, según sea su cantidad.
La apariencia de los gases en la chimenea también son indicativos de la
proporción de exceso de aire. Cuando los gases son incoloros o de color blanco, el
exceso de aire suministrado a la caldera es mayor que el necesario.
Cuando en la chimenea aparece humo blanco (no transparente), el aire que pasa
por los registros ha alcanzado tal velocidad, que arrastra al exterior partículas de
petróleo que no han terminado de quemarse.
Estas partículas oxidadas parcialmente, dan al humo un color blanco.
3.9. - REQUISITOS PARA UNA COMBUSTION EFICIENTE
Los requisitos para obtener una combustión eficiente del combustible pueden
ser resumidos básicamente en los siguientes puntos:
El combustible debe ser atomizado eficientemente en el rango o alcance requerido
de salida desde el quemador
El suministro de aire debe ser inyectado de tal forma que se mezcle íntimamente
con el combustible atomizado.
El tiempo disponible para la combustión de la gotita más grande debe ser suficiente
para que la combustión sea completa antes que la gotita entre en
contacto con una superficie fría o por radiación.
La temperatura del hogar deberá estar relacionada con el tiempo disponible arriba
indicado.
3.10. - TEMPERATURA DE LA LLAMA
La temperatura que alcanza la combustión depende de factores como:
Poder calórico del combustible
Exceso de aire
Radiación de calor de la llama a las paredes del hogar.
A continuación en la tabla 3.1 se presenta temperaturas de llama productos de
la combustión de diesel nacional para porcentajes de aire entre 100 y 120%.
Tabla 3.1: Temperaturas de llama de los productos de combustión para distintos porcentajes de
exceso de aire. ( Fuente: Tesis Escuela Politécnica Nacional, A.Vaca, 1983)
% aire teórico
TEMPERATURAS
( ° K ) ( ° C )
Adiab. Llama Adiab. Llama
100
105
110
115
120
2400
2377,1
2303,8
2235,8
2172,4
2358,6
2283,1
2213,2
2148,2
2087,7
2126,8
2103,9
2030,6
1962,6
1899,2
2085,4
2009,9
1940,1
1875,1
1814,5
IV.- DISEÑO TERMICO
4.1. - PARAMETROS DE DISEÑO
Para iniciar el diseño térmico de esta caldera fueron necesarios los siguientes
requerimientos industriales de la empresa MICROEMPAQUES S.A., los cuales a su
vez fueron entregados por los fabricantes de las maquinas en los Estados Unidos, las
cuales serían implementadas en esta nueva planta de procesamiento de cartón
corrugado.
Estos requerimientos son los siguientes:
Cantidad de vapor por hora ( flujo másico ) :
1.543 lb vapor / hora = 700 Kg vapor / hora
Presión máxima de operación :
125 Psi = 8,78 Kg/cm2
Para el diseño térmico de esta caldera se tomará el procedimiento de cálculo
para intercambiadores de calor del libro de DONALD KERN.
4.2. - CALCULO DE LA POTENCIA DE LA CALDERA
La potencia en HP de caldera, tal como fue establecida en 1889 por la ASME,
estaba basada en una máquina de vapor que empleaba 13,62 kg de vapor por HP hora a
una presión relativa de 4,9 kg/cm2 y con agua de alimentación a 38,5
oC. Esto
corresponde a la vaporización de 15,66 kg de agua por hora a 100oC, lo cual significa
la conversión de 15,66 kg de agua por hora a 100oC en vapor seco a 100
oC, a la presión
atmosférica normal ( 1,033 kg/cm2 ).
En estas condiciones cada kg. de vapor producido requiere la entalpia de vaporización
a la presión atmosférica normal, la cual vale 543,4 Kcal. Por consiguiente la capacidad
de una caldera podrá expresarse de la siguiente manera:
REF. 2
( h - hf )
HPCALDERA = ( 4.1 )
543,4 x 15,66
= Flujo másico de vapor producido por la caldera (Kg./h)
h = Entalpia del vapor en condiciones de salida (Kcal/Kg.)
hf = Entalpía del agua en condiciones de entrada (Kcal/Kg.)
Entonces :
= 700 Kg./h
h = 666,93 Kcal/Kg. ( vapor saturado y seco a 8,78 Kg/cm2 )
hf = 70,49 Kcal/Kg. ( líquido comprimido a 8,78 Kg/cm2 y 70
oC )
Para optimizar el consumo de combustible toda caldera debería alimentarse con
agua caliente, así nos indica el Ing. Angel Vargas autor del libro “ Calderas
Industriales y Marinas “ siendo una temperatura promedio la de 70º C, con este valor
sería más fácil alcanzar una temperatura de ebullición del agua y a la presión de trabajo
que estuviere operando la caldera.
700 ( 666,93 - 70,49 )
HPCALDERA = ( 4.2 )
543,4 x 15,66
HPCALDERA = 49,06 BHP.
4.3. - PLANTEAMIENTO Y SELECCION DE
ALTERNATIVAS
4.3.1. - ALTERNATIVAS POR LA POSICION RELATIVA DE LOS GASES
Y DEL AGUA
4.3.1.1. - Alternativa 1: Caldera pirotubular
En este tipo de calderas los gases de la combustión viajan por el interior del
tubo y el agua se encuentra rodeando a los tubos de fuego.
VENTAJAS DESVENTAJAS
Se construyen en tamaños pequeños y
medianos
Buena producción de vapor
Vida útil considerable
Costo relativamente bajo
Son portátiles
Menor tiempo de construcción
Tiene limitaciones para altas presiones
Tienen limitación para grandes demandas de
vapor
4.3.1.2. - Alternativa 2: Caldera acuotubular
En este tipo de calderas el agua circula por el interior de los tubos mientras que
los gases calientes de la combustión rodean a los tubos.
VENTAJAS DESVENTAJAS
Trabajan a grandes presiones
Tienen excelente rendimiento
Posibilidad de instalar equipos para
obtener vapor de mejor calidad (
sobrecalentadores )
Para su instalación necesitan una área
extensa
Mayor tiempo para su construcción
Costo elevado
Mayor consumo de combustible
4.3.2. - ALTERNATIVAS POR LA POSICION DE LOS TUBOS
4.3.2.1. - Alternativa 3: Caldera pirotubular vertical
VENTAJAS DESVENTAJAS
Tienen una producción de vapor regular
Construcción rápida
Fácil mantenimiento
Costo relativamente bajo
Ocupa un área reducida para su instalación
Transferencia de calor regular por ser de un solo
paso
Cámara de combustión pequeña
Cámara de vapor relativamente pequeña
4.3.2.2. - Alternativa 4: Caldera pirotubular horizontal
VENTAJAS DESVENTAJAS
Buena producción de vapor
Buena transferencia de calor
Fácil mantenimiento
Variedad de tamaños y diseños
Tiempo de construcción reducido
Mayor cantidad de accesorios
Costo relativamente elevado
Mayor complejidad en su construcción
4.4. - SELECCION DE ALTERNATIVAS
Para realizar una selección de la caldera mas adecuada que cumpla con las
características que la empresa MICROOEMPAQUES S.A. necesita se ha utilizado el
método de ordenamiento y ponderación de factores, con una escala de calificación de
1 a 10.
4.4.1. - POR LA POSICION RELATIVA DE LOS GASES Y DEL AGUA
Alternativa 1 : Caldera pirotubular
Alternativa 2 : Caldera acuotubular
CARACTERISTICA VALOR IDEAL ALT.1 ALT.2
Rendimiento térmico 10 8 9
Seguridad 10 9 8
Durabilidad 8 8 7
Costo 8 6 4
Facilidad Mantenimiento 6 5 4
Facilidad operación 6 5 3
Facilidad instalación 6 5 3
TOTAL 54 46 38
PORCENTAJE 100 % 85,18% 70,37%
4.4.2. - POR LA POSICION DE LOS TUBOS
Alternativa 3 : Caldera vertical
Alternativa 4 : Caldera horizontal
CARACTERISTICA VALOR IDEAL ALT.1 ALT.2
Transferencia de calor 10 7 9
Producción de vapor 8 6 7
Costo 8 7 6
Facilidad de limpieza 8 6 7
Facilidad de reposición de tubos 6 4 5
Facilidad unión con espejos 6 3 5
TOTAL 46 33 39
PORCENTAJE 100 % 71,7 % 84, 7 %
4.4.3. - SELECCION DE ALTERNATIVAS ESCOGIDAS
El tipo de caldera que se diseñará y se fabricará para la producción de vapor es
una caldera pirotubular de tres pasos (4.4.1 : 85.18 % ) , y con la posición de los tubos
horizontales ( 4.4.2 : 84,7 % ) .
La alternativa global seleccionada ofrece facilidad de transporte y ubicación del
equipo en el espacio destinado, además por la facilidad de manejo y rapidez en la
instalación de las líneas de combustible se utilizará Diesel # 2.
4.4.4. - EQUIVALANCIA CALDERA YORK SHIPLEY.
El valor obtenido en el cálculo de la potencia de la caldera de 49,06 BHP no
consta como un valor establecido o normalizado a nivel internacional por los
fabricantes de calderas, por lo que recurrimos al manual guía de YORK SHIPLEY
REF.3 y elegimos el valor más cercano al resultado obtenido, de preferencia se
tomará por seguridad un valor superior, siendo este valor el de 50 BHP ( 490 Kw ).
4.4.5. - ESQUEMA.
Fig.10.- Esquema general de una caldera pirotubular horizontal.
4.4.6. - DATOS PRINCIPALES DE YORK SHIPLEY.
4.4.7. - RESUMEN DE DATOS PRINCIPALES DE YORK SHIPLEY PARA
UNA CALDERA DE 50 BHP
SERIE 542
Apox. Boiler HP ( KW ) 50 490
Vapor Lb / h ( Kg / h ) 1.725 784
M.BTU ( 1000 Kcal ) salida por hora 2.092 527,1
Area Calentamiento Pie2 ( m
2 ) 250 23,23
Cap.Válvula Seg. Min. Lbs/h ( Kg/h ) 2.000 909
Peso seco Lbs ( Kg ) 4.640 1.841
Peso húmedo Lbs ( Kg ) 7.840 3.400
Capacidad de agua Gal. ( Lt ) 342 1.294
DATOS DEL QUEMADOR
Consumo de combustible GPH ( LPH ) 15 56,78
Motor bomba comb. Hp ( Kw ) ¼ 0,186
Motor ventilador Hp ( Kw ) 1 – 1 ½ 0,746 – 1,12
Ventilador tiro forzado CFM ( CMM ) 500 14,16
4.4.8.- PARAMETROS DE OPERACION
4.4.8.1.- Parámetros para el agua en condiciones estables
La temperatura de operación mínima recomendada para el agua de alimentación a las
calderas es 70°C , cuando se utiliza agua a temperaturas menores se producen choques
térmicos y se fatiga prematuramente al material , acortando la vida útil de la caldera .
Para determinar la temperatura de salida del agua en esta caso sería la del vapor
de agua , recurrimos a una tabla de propiedades termodinámicas del mismo ,
conociendo como dato la presión de salida máxima que tendrá la caldera que son 125
psi , obtenemos interpolando entre los valores de 120 y 130 psi , dando como resultado
un valor de 173°C. ( ANEXO 1 )
Conocemos también como requerimiento base para el diseño la cantidad de
vapor que esta empresa necesita para su proceso de producción que son 700 Kg de
vapor por hora , obteniendo el siguiente cuadro de datos :
Tabla 4: Parámetros para el agua en condiciones estables.
Temperatura entrada agua 158°F 70°C
Temperatura salida agua 343,4°F 173°C
Flujo másico de agua 1543,5 lb/h 700 Kg/h
4.4.8.2.- Caudal de gases
Para conocer el caudal total de gases generados dentro de la caldera aplicamos la
ecuación general ( 4.3 ) REF. 4
Caudal de gases = Caudal de aire + caudal combustible ( 4.3 )
Caudal de combustible: comb
Tomamos como dato obtenido del texto “Calderas Industriales y Marinas” del
Ing.A.Vargas Z. , la cantidad de combustible en galones por hora que se consume por
cada Caballo Caldera . REF. 5
1 BHP 0,295 gal/h
Entonces :
50 BHP 14,75 gal/h
Densidad del diesel = 33,7 o API REF. 6
Las densidades específicas y las densidades API se relacionan entre sí mediante
la ecuación ( 4.4 ). REF. 7
141,5
Peso especifico = ( 4.4
)
131,5 + oAPI
141,5
Peso especifico = = 0,856
131,5 + 33,7
El peso específico o gravedad específica ( SG ) de un líquido es la relación de
su densidad ( ) a cierta temperatura , con respecto a la del agua a una temperatura
normalizada Ec ( 4.5 ) . Como la presión tiene un efecto insignificante sobre la
densidad de los líquidos , la temperatura es la única variable que debe ser tenida en
cuenta al sentar las bases para la gravedad específica.
Densidad sustancia
SG = ( 4.5 )
Densidad agua a 60oF
Densidad de sustancia
0,856 =
1 gr/cc
Densidad de la sustancia = 0,856 gr/cc
Transformamos el caudal de combustible que originalmente se encontraba en
galones por hora a Kilogramos por segundo. REF. 5
= 14,75 gal/h x 3785 cc/gal
= 55828,75 cc/h x 0,856 gr/cc
= 47789,41 gr/h
= 47,8 Kg./h
Caudal de aire:
La cantidad de aire requerido para quemar el combustible y los productos
resultantes de la combustión pueden ser obtenidos de la siguiente tabla extraída del
libro “ Calderas Industriales y Marinas del Ing.A.Vargas Z.:
Tabla 5: Cantidad de aire requerido para quemar el combustible
ELEMENTO EN EL COMBUSTIBLE Lb AIRE / Lb ELEMENTO
CARBONO C 11,5
HIDROGENO H 34,2
AZUFRE S 4,31
Tabla 6: Composición porcentual de diesel # 2
ELEMENTO EN EL DIESEL # 2 PORCENTAJE %
CARBONO C 86,3
HIDROGENO H 12,3
AZUFRE S 1,5
Entonces la cantidad de aire requerida por libra de combustible será igual a :
0,863 x 11,5 + 0,123 x 34,2 + 0,015 x 4,3 = 14,20 Lb aire.
Conocemos que 1 BHP consume 0,295 galones de combustible , lo que para esta
caldera de 50 BHP consumiría 14,75 galones de diesel # 2 , el peso promedio de un
galón es de 7,6 Lb medido experimentalmente , por lo que tendríamos un peso total de
112,1 Lb de combustible.
Entonces se tendría :
112,1 Lb combustible x 14,20 Lb aire = 1591,9 Lb aire
Transformamos esta 1591,9 Lb de aire a pies cúbicos dividiendo para 0,08071
lbs. que tiene un pie cúbico , así tenemos un valor de 19722,71 pies cúbicos en una
hora , pero el valor que necesitamos conocer será en minutos por lo dividimos para 60
min. Obteniendo un valor de 328,71 pies cúbicos por minuto ( CFM ).
Esto es el valor mínimo que será considerado a nivel del mar por lo que para
una altura superior a 2.800 metros S.N.M. se considera y 30% y con un aire de exceso
del 15% explicado en él capitulo III , tendríamos un volumen de aire de 443,76 CFM. ,
comparando con la tabla de datos de YORK SHIPLEY podemos observar que se
recomienda utilzar 500 CFM para esta cantidad de BHP , por lo que adoptamos este
valor para el siguiente cálculo.
V = 500 CFM ( pie3/min )
V = 0,236 m3/s
Es una practica muy usada unificar el fluido de referencia ( agua a 15,6 o
C ),
para establecer los pesos específicos de los fluidos que participan en el diseño . La
ecuación de los gases ideales Ec. ( 4.5 ) nos ayudará a encontrar el caudal de aire
que ingresa : REF 9
p V = R T ( 4.5 )
De donde:
p = presión absoluta
V = volumen de aire
= masa de aire total
R = constante ( 0,287 KJ/Kg oK )
T = temperatura liquido de referencia ( agua a 15.6 OC , 288
O K )
Entonces:
p = 32,22 cm agua ( 0,45 psi , SEVERNS W.H.)
p = 1.000 Kg/m2 x 9,8 m/s
2 x 0,3222 m
p = 3.158 Pa
pabs = pman + patm (
4.6 )
pabs = 3.158 Pa + 73.000 Pa
pabs = 76.158 Pa
pabs = 76,16 Kpa
De donde:
pabs = Presión absoluta
pman = Presión manométrica
patm = Presión atmosférica
Despejando m de la formula ( 4.5 ) obtenemos:
p V
= (
4.7 )
R T
( 76,16 KPa ) ( 0,236 m3/s )
=
( 0,287 KJ/Kg.oK ) ( 288
oK )
= 0,2174 Kg./s
= 783 Kg./h
Caudal de gases = Caudal de combustible + Caudal de aire
* Caudal de gases = 47,8 Kg./h + 783 Kg./h ( 4.8 )
* Caudal de gases = 830,8 Kg./h
gas = 830,8 Kg / h
Resumen:
Temperatura entrada gases = 1.940oC = 3524
oF TABLA 3
Caudal de gases = 831 Kg./h = 1.833 Lb/h
Parámetros complementarios
Según VARGAS A. : REF.10 se entiende por caballo caldera , la producción
de 15,65 Kg/h de vapor saturado a 100 o C , utilizando agua de alimentación a la
misma temperatura. La equivalencia del caballo caldera es:
1 BHP = 33.472 BTU/h
50 BHP = 1'673.600 BTU/h
La cantidad de energía que entregan los gases de combustión será igual a la
cantidad de energía que entrega el agua y será igual a la cantidad de energía por cada
caballo caldera. REF. 11
Qgas = Qagua = BHPcaldera (
4.9 )
De donde:
Qgas = Energía de los gases de combustión
Qagua = Energía que entrega el agua
BHPcaldera = Energía producida por Caballo caldera
* Energía de los gases de combustión:
Qgas = gas Cpgas ( Te - Ts ) ( 4.10 )
De donde:
gas = Caudal de gases = 1.833 lb/h
Cpgas = Calor específico del gas = 0.320 BTU/lb.oF
Te = Temperatura de entrada de los gases = 3.524 o F
Ts = Temperatura de salida de los gases
Para obtener el valor del Cpgas , tomamos como temperaturas bases los
siguientes valores , 1.940ºC a la entrada y 300
ºC a la salida dándonos como resultado
un promedio de 1.120ºC , con este valor consultamos la tabla de las propiedades de los
gases de combustión tomado de la Tesis de la ESPE del Ing. W.Ramirez.T. e
interpolamos con estos valores, obteniendo el valor de 0,320 Btu/lb oF
Entonces:
Qgas = Qagua = BHPcaldera
Qgas = 1'673.600 = 1.833 x 0.320 (3.524 -Ts ) ( 4.11 )
Despejando de la fórmula ( 4.11 ) obtenemos la temperatura de salida de los gases Ts,
que es igual a:
Ts = 689oF = 365
oC
4.4.9.- SUPOSICIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE
CALOR UD
Para el prediseño térmico es necesario suponer en primera instancia un
coeficiente total de transferencia de calor .
En el libro de Procesos de transferencia de calor de DONALD KERN se
presenta la siguiente información que nos ayudará en este diseño:
FLUIDO CALIENTE FLUIDO FRIO UD ( BTU/h.pie2°F )
Gases
Vapor de agua
Agua
Sustancia Orgánica pesada
2 – 50
6 - 60
En el caso de una caldera el intercambio de calor se da entre los gases de la
combustión y el agua , por lo escogemos el parámetro Gases - Agua en el rango de 2 -
50
Como suposición inicial elegimos un valor intermedio, basado en
recomendaciones anteriores , el cual nos dará la pauta para empezar este diseño .
Suponemos entonces:
UD = 25 BTU/h.pie
2 oF
4.4.10.- DIFERENCIA VERDADERA DE TEMPERATURA
La diferencia de temperatura verdadera o efectiva para ser utilizada en cualquier
tipo de intercambiador de calor , se expresa de la siguiente manera:
= FT . MLDT ( 4.12 )
De donde:
MLDT : Media logarítmica de la diferencia de temperaturas
FT : Factor adimensional de diferencia de temperatura
Aun cuando dos fluidos puedan transferir calor en un aparato de tubos
concéntricos ya sea en contracorriente o flujo paralelo , la dirección relativa de los dos
fluidos influye en el valor de la diferencia de temperatura. Este punto no podrá ser
suficientemente puntualizado . Cualquier trayectoria de flujos formados por dos fluidos
debe identificarse con sus diferencias de temperaturas: REF.12
Te = Temperatura de entrada de los gases = 1.940 o C
Tf = Temperatura de salida de los gases = 365 o C
Ti = Temperatura del agua = 173 o C
Ti1 , Ti2 = Temperatura intermedia de los gases
Tmax - Tmin
MLDT = (
4.13 )
Tmax
ln
Tmin
De donde:
Tmax : Diferencia de temperatura en la terminal caliente
Tmin : Diferencia de temperatura en la terminal fría
Tmax = Te - Ti
Tmax = 1.940 - 173 = 1.767 °C
Tmin = Tf - Ti
Tmin = 365 - 173 = 192 °C
Entonces:
1.767 - 192
MLDT =
1.767
ln
192
MLDT = 711 oC ( 1312 °F )
4.4.11.- CALCULO DE LA SUPERFICIE DE CALENTAMIENTO
La ecuación de Fourier que considera los depósitos de lodos y suciedades en los
tubos es:
Q = UD . A . MLTD ( 4.14 )
De donde:
Q
A = ( 4.15 )
UD . MLTD
1'673.600 BTU/h
A =
25 BTU/h.oF.pie
2 x 1312
oF
A = 51,94 pie2
4.4.12.- SELECCION Y ARREGLO DE TUBOS
Los tubos de fuego según el libro de CALDERAS de CARL SHIELD , son
regularmente de 2” a 4” de diámetro y frecuentemente se aumenta el diámetro en 1”
por cada 1,22 m de aumento en la longitud de los tubos. Esta relación es variable . Las
calderas portátiles con chimeneas cortas , requieren diámetros grandes en los tubos ;
las que van dotadas de ventiladores de tiro , pueden llevar tubos de fuego de menor
diámetro. REF.13
Para determinar la longitud de los tubos nos basamos en el manual guía de
DONLEE TECHNOLOGIES inc. , observando las medidas principales que tenemos
en estos gráficos . ANEXO 8 esta medida por lo tanto es igual a 2,25 m.
Utilizaremos tubería de acero sin costura para calderas ASTM A192 ( Fig.11 ),
ya que esta es la única tubería disponible en el mercado nacional , tiene superficies
bastantes lisas y excelentes propiedades de transferencia de calor.
Fig.11.- Tubería para calderas ASTM A192 de ø 2”
La disposición de los tubos de fuego se lo ha realizado en forma triangular
(Fig.12 ) puesto que se desarrollan coeficientes de transferencia de calor superiores en
el lado de la coraza y por lo tanto en el agua. De acuerdo a ASME PG-53 , el paso
entre tubos ( PT) no debe ser menor que 1.00 veces el diámetro exterior del tubo.
Fig.12.- Arreglo triangular de los tubos, según ASME PG-53
4.4.13.- NÚMERO DE TUBOS
A = Superficie de calentamiento
L = Longitud de los tubos ( pie/tubo )
DE . = Superficie ( exterior ) por pie lineal ( pie2/pie )
A
N = ( 4.15 )
L ( DE . )
52 pie2
N =
7,38 pie ( 2 / 12 . )
N = 13,45 tubos.
N corregidos = 14 tubos.
4.4.14.- CORRECCIÓN DE PARÁMETROS
Area de transferencia de calor:
Acorregida = Ncorregidos x L x ( DE . ) = 14 x 7,38 x 0,5236
Acorregida = 54,09 pies2
Coeficiente total de transferencia de calor:
UDcorregida = Q / ( Acorregida . MLDT ) = 1´673.600 / ( 54,09 x 1.312 )
UDcorregida = 23,42 BTU/h.oF.pie
2
4.4.15.- COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
CALCULADO. UC
Para calcular el coeficiente total de transferencia de calor referido a la superficie
externa del tubo o coeficiente total limpio ( Uc ) , podemos utilizar la ecuación
( 4.16 ) REF.15
1
Uc = ( 4.16 )
1 DE DE 1
+ ln +
ho 2 ktubo DI hio
4.4.15.1.- Tubos : Fluido caliente ( Gases de combustión )
* Propiedades de los gases: ANEXO 2
Temperatura promedio = 1.153oC = 2.107
oF
kt = 0,05033 BTU/h.pie.oF
ct = 0,3238 BTU/lb.oF
t = 0,04898 Cpoises
t = 0,04898 x 2,42 = 0,1185 lb/pie.h
Para el cálculo de los siguientes parámetros utilizaremos el procedimiento
utilizado por Donald Kern.
* Area de flujo: ( at )
Ntubos x aunitaria
at = ( 4.17 )
N pasos
14 x 1,9052
at =
4 2
at = 17,10 pulg2 = 0,1187 pie
2
* Masa-Velocidad : ( Gt )
Flujo másico de gases
Gt = ( 4.18 )
Area de flujo
1.833 lb/h
Gt =
0,1187 pie2
Gt = 15.442 lb/h.pie2
* Número de Reynolds: ( Ret )
DI x Gt
Ret = (4.19 )
t
( 1,905 / 12 ) (15.442 lb/h.pie2 )
Ret =
0,1185 lb/h.pie
Ret = 20.687
* Número de Prandtl: ( Prt )
ct x t
Prt = ( 4.20 )
kt
0,3238 x 0,1185
Prt =
0,05033
Prt = 0,7623
* Número de Nusselt : Nut
Se debe aclarar que las tuberías como la utilizada en la coraza son mas rugosas
que los tubos y producen mas turbulencia para los mismos números de Reynolds. Los
números de Nusselt calculados de correlaciones para tubos son menores y mas seguros
que los cálculos correspondientes basados en datos de tuberías. La ecuación ( 4.21 ) se
utiliza para tubos lisos.
Nut = 0,027 Ret0,8
Prt1/3
t ( 4.21 )
Nut = 0,027 ( 20.678 )0,8
( 0,7623 )1/3
t
Nut = 69,92 . t
Coeficiente de transferencia de calor interior. ( hi )
hi x DI
Nut = ( 4.22 )
kt
hi x 0,185
69,92 t =
0,05033
hi
= 19,02 BTU/h.oF.pie
2 ( 4.23 )
t
Coeficiente de transferencia de calor interior referido a la superficie exterior
del tubo ( hio ).
DI
hio = hi ( 4.24
)
DE
hio hi DI
= ( 4.25
)
t t DE
hi
= 19,02 BTU/h.oF.pie
2
t
hio / t = 19,02 x ( 1,905 / 2 )
hio / t = 18,11 BTU/h.oF.pie
2
t = ( t / wt )
De donde : Propiedades de los gases
t = 0,04898 Cpoises
wt = 0,04884 Cpoises
t = ( 0,04898 / 0,04884 ) = 1,002
Entonces t 1
Por lo tanto:
hio = 18,11 BTU/h.oF.pie
2
4.4.15.2.- Coraza : Fluido frío ( Agua )
* Propiedades del agua [ ANEXO 3,4,5 ]
A : temperatura promedio = 173oC = 343,4
oF
ks = 0,477 BTU/h.oF.pie
cs = 1,1 BTU/lb.oF
s = 0,1 Cpoises
s = 0,1 x 2,42 = 0,242 lb/pie.h
Según el Manual del Ingeniero Mecánico de MARKS , en el caso de calderas
el flujo es laminar ya que la convección es libre y el agua esta en estado de
ebullición , para lo cual tendremos los siguientes factores: REF.18
q
= 230.000 BTU/h.pie.oF a T = 882
oF (
4.27 )
A
T = Temperatura de pared - Temperatura del agua.
1.940 + 365
+ 173
2
T = - 173 ( 4.28 )
2
T = 882oF
q 230.000
ho = = (
4.29 )
A T 882
ho = 261 BTU/h.pie2.oF
1
Uc =
1 DE DE 1
+ ln +
261 2 ktubo DI 18,11
Características del tubo :
ktubo = 21 BTU/h.pie2.oF
T tubo = 631oC = 1.167
oF
Uc = 16,87 BTU/h.pie2.o
F
Podemos observar que el valor del UD = 25 BTU/h.pie2.°F y el valor del UC =
16,87 BTU/h.pie2.°F , no son iguales , por lo que necesario realizar otras suposiciones
hasta conseguir una igualdad entre estos dos factores.
4.4.16.- SEGUNDA SUPOSICIÓN
Después de realizar este cálculo un cierto número veces hasta lograr
aproximarnos a una igualdad entre estos dos factores podemos entonces suponer el
siguiente factor UD :
Entonces suponemos Ud = 5,1 BTU/h.pie2o
F.
4.4.17.- CALCULO DE LA SUPERFICIE DE CALENTAMIENTO
Q = UD . A . MLTD
Q
A =
UD . MLTD
1'673.600 BTU/h
A = A = 250.11 pie2
5,1 BTU/h.oF.pie
2 x 1.312
oF
4.4.18.- NÚMERO DE TUBOS
A
N =
L ( DE . )
250 pie2
N =
7,38 pie ( 2 / 12 . )
N = 64,60 tubos.
Por razones de espacio en los espejos y para realizar una distribución
simétrica escogemos N = 60 tubos.
Fig.13: Distribución de los tubos en los espejos. D = 1220 mm
4.4.19.- CORRECCIÓN DE PARÁMETROS
Realizaremos los cálculos siguiendo el modelo establecido por Donald Kern
pero esta vez lo haremos para el valor de 60 tubos.
Acorregida = 275,32 pies2
UDcorregida = 4,63 BTU/h.oF.pie
2
4.4.20.- COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
CALCULADO. UC
1
Uc =
1 DE DE 1
+ ln +
ho 2 ktubo DI hio
Lado Tubos : Gases
Propiedades
Temperatura promedio = 1.153oC = 2.107
oF
kt = 0,05033 BTU/h.pie.oF
ct = 0,3238 BTU/lb.oF
t = 0,04898 Cpoises
t = 0,04898 x 2,42 = 0,1185 lb/pie.h
Area de flujo: ( at )
Ntubos x aunitaria
at =
N pasos
60 x 1,9052 x
at = 4 x 2
at = 85,50 pulg2 = 0,593 pie
2
Masa-Velocidad : ( Gt )
Flujo másico de gases
Gt =
Area de flujo
1.833 lb/h
Gt =
0,593 pie2
Gt = 3.091 lb/h.pie2
Número de Reynolds: ( Ret )
DI x Gt
Ret =
t
( 1,905 / 12 pie ) ( 3.091 lb/h.pie2 )
Ret =
0,1185 lb/h.pie
Ret = 4.140
Número de Prandtl: ( Prt )
ct x t
Prt =
kt
0,3238 x 0,1185
Prt =
0,05033
Prt = 0,7623
Número de Nusselt : Nut
Nut = 0,027 Ret0,8
Prt1/3
Ýt
Nut = 0,027 ( 4.140 )0,8
( 0,7623 )1/3
t
Nut = 19,30 t
Coeficiente de transferencia de calor interior. ( hi )
hi x DI
Nut =
kt
hi x 0,185
19,30 t =
0,05033
hi
= 5,25 BTU/h.oF.pie
2
t
Coeficiente de transferencia de calor interior referido a la superficie
exterior del tubo( hio )
DI
hio = hi
DE
hio hi DI
=
t t DE
t 1
hio = 5 BTU/h.oF.pie2
Lado Coraza : Agua
Propiedades del agua :
Agua temperatura promedio = 173oC = 343,4
oF
ks = 0,477 BTU/h.oF.pie
cs = 1,1 BTU/lb.oF
s = 0,1 Cpoises
s = 0,1 x 2,42 = 0,242 lb/pie.h
Para flujo laminar :
q
= 230.000 BTU/h.pie.oF a T = 882
oF
A
T = Temperatura de pared - Temperatura del agua.
1.940 + 365
+ 173
2
T = - 173
2
T = 882oF
q 230.000
ho = =
A T 882
ho = 260 BTU/h.pie2.OF
1
Uc =
1 DE DE 1
+ ln +
260 2 ktubo DI 5
Uc = 4,90 BTU/h.pie2.o
F
Observamos que el valor de 4,90 BTU/h.pie2.o
F ,es aproximadamente igual al
segundo valor escogido de 5,1 BTU/h.pie2.o
F , entonces finalmente podemos
aceptar estos valores como los adecuados para el diseño de nuestra caldera.
Qconv = Uc x A x MLDT
Qconv = 4,90 x 275,32 x 1.312 = 1'769.977 BTU/h
La cantidad de energía total que entregan 50BHP son 1´673.600 BTU/h , y la
cantidad de energía calculada por convección Qconv = 1´769.977 BTU/h , según
W.H.SEVERNS , nos indica que la potencia nominal “ no “ expresa las limitaciones de
capacidad de las calderas de hoy día, ya que la mayoría de las calderas pueden
desarrollar del 400 al 600% de su potencia nominal y algunas de ellas trabajan durante
largos periodos al 300% . El rendimiento de las calderas puede diminuir cuando
desarrollan mas de su potencia nominal ; esta disminución de rendimiento no suele ser
apreciable hasta que la caldera desarrolla el 200% o mas de su potencia normal , y es
debida a la inaptitud de la caldera a absorber el calor adicional liberado por el fuego en
estas condiciones de trabajo. REF.20
4.4.21.- CALCULO DEL DIAMETRO DEL HOGAR
Para el cálculo del diámetro mínimo del hogar tomaremos como guía el
procedimiento utilizado en el texto de GUNN D. y HORTON R. REF.21 .
Datos:
Calor latente del vapor a 125 psi = 2.036 KJ/Kg.
Temperatura de saturación = 173oC
Calor sensible a 173oC = 734 KJ/Kg.
Temperatura de agua alimentación = 70oC
Calor sensible a 70oC = 289 KJ/Kg.
4.4.21.1.- Calor sensible a ser añadido:
Qa = Calor sensible a 173oC - calor sensible a 60
oC ( 3.30 )
Qa = 734 KJ/Kg. - 289 KJ/Kg.
Qa = 445 KJ/Kg.
4.4.21.2.- Calor total requerido:
Qt = Calor sensible añadido + calor latente
Qt = 445 KJ/Kg. + 2.036 KJ/Kg.
Qt = 2.481 KJ/Kg.
4.4.21.3.- Cantidad de vapor:
Cv = Producción de vapor/hora x Calor total ( 4.31 )
Cv = 700 Kg./h x 2.481 KJ/Kg.
Cv = 1,74 x 106 KJ/h
1,74 x 106
= 2,09 x 106 KJ/h ( 4.32 )
0,83
Cv = 2,09 x 106 KJ/Kg. = 0,59 MW.
Con este valor nos trasladamos a la figura ( 13 ) y determinamos el valor
mínimo del diámetro para el hogar de la caldera , utilizando como datos la cantidad de
vapor en MW ( 0,59 MW ) , en el eje “X” , proyectándonos hacia el eje “Y” con
intersección en la línea ( aceite , gas o combustible pulverizado ) teniendo finalmente
un valor aproximado de 350 mm.
Fig.13.- Dimensión mínima del hogar.(Fuente>INDUSTRIAL BOILER,D Gunn-R
Norton,1989,pp 238)
4.4.22.- RESUMEN DEL DISEÑO TERMICO
Coeficiente de trasferencia de calor = 4,90 Btu/hoFpie
2
Superficie de calentamiento = 275,32 pie2
MLTD = 1.312ºF
Número de tubos = 60 tubos
Número de Reynolds ( Ret ) = 4.140
Número de Prandtl ( Prt ) = 0,7623
Número de Nusselt ( Nut ) = 19,30
Cantidad de energía entregada = 1´769.977 Btu/h
Diámetro mínimo del hogar = 350 mm
Flujo másico = 1.543 lb vapor / hora
Presión máxima de operación = 125 psi
Hp caldera = 49,06 BHP
Temperatura entrada agua = 70oC
Volumen de aire = 500 CFM
Temperatura salida gases = 365oC
V.- DISEÑO MECANICO
Para el diseño mecánico de la caldera se utilizarán las recomendaciones del
código ASME ( American Society of Mechanical Engineers ) . Por tratarse de un
recipiente sometido a presión por el lado de agua , se aplicarán especialmente las
sugerencias de la sección VIII , división 1 de este código , Boiler and Pressure Vessel
Code, y del Manual de Recipientes a Presión de Eugene F.Megyesy.
Las juntas por soldadura que se aplicarán durante todo el proceso de
construcción se seleccionan del mismo código ASME , párrafo UW-12 ,y estan
detallados en los planos anexos. Para la construcción se han desarrollado ciertas
prácticas estándares que han demostrado tener ventajas en el diseño y en la fabricación
de los recipientes sujetos a presión, esta especificación comprende dichas prácticas que
se han convertido en las de mas aceptación y ejecución. Los estándares
mencionados son en parte referencias a alternativas seleccionadas que permiten las
normas ASME y en parte describen los métodos de diseño y construcción que no
cubren estas normas.
5.1.- SELECCIÓN DE MATERIALES
La especificación de materiales que se utilizará es la utilizada en el código
ASME para recipientes a presión . Para la construcción en si se emplearán materiales
que se puedan encontrar en el mercado nacional , con características similares a los
materiales utilizados en la construcción de calderas . El hogar o tubo central serán
construidos en tubería comercial de acero al carbono.
Todas las láminas que se utilizaran para fabricar las tapas , la chimenea , la base
y demás partes complementarias también serán construidas en acero al carbono.
Los tubos de fuego que llevará la caldera serán exclusivamente del material
establecido por el código ( SA-106-B ) , para nuestro caso se utilizarán tubos
disponibles localmente y cuyo equivalente es tubo para caldera ASTM A-192 .
La lámina recomendada por el código para la construcción del casco y de los
espejos de la caldera es ( SA-285 C ) , por no existir esta lámina a nivel local y
nacional se ha tomado la decisión de construir estas partes en una lámina que cumpla
con algunas características técnicas similares a la recomendada llamada plancha naval
( ASTM A36 - C ) , con la siguiente composición química:
Tabla 7: Propiedades de la placa SA-285 C . Tomados normas ASME, secciones II y VIII.
PROPIEDADES DE LA PLACA SA-285 C
Composición
Nominal
Especificación Resistencia a la
tensión. 1000 lb/pulg
2
Punto de cedencia
1000 lb/pulg2
Número Grado
C SA-515 60 60.0 32.0
APLICACIONES
Construcción de calderas para servicio estacionario y otros recipientes a presión.
Tabla 8: Propiedades de la placa ASTM – A36- C . Tomados del Manual del Ing. Mecánico MARKS.
PROPIEDADES DE LA PLACA ASTM A36-C
Composición
Nominal
Especificación Resistencia a la
tensión. 1000 lb/pulg
2
Punto de cedencia
1000 lb/pulg2
Número Grado
C A36 C 58.0 36.0
APLICACIONES
Construcción de puentes , edificios y recipientes a presión.
5.2.- CONDICIONES DE DISEÑO MECANICO
La presión y temperatura de diseño de una caldera para generar vapor deben ser
especificadas para las condiciones mas severas de operación a las que podría
someterse, con esto garantizaremos un trabajo seguro y confiable de esta máquina
térmica, complementada con los equipos mas modernos de seguridad y alarma.
A fin de simplificar el diseño mecánico , se han seleccionado temperaturas de
diseño globales para los componentes , dependiendo de las condiciones a las cuales
van ha trabajar.
La presión de diseño será el valor máximo con el que operará la caldera y que
ha sido preestablecida por la empresa auspiciante , en este caso este valor será de 125
PSI , realizándose la prueba hidrostática bajo los requerimientos del código ASME ,
Sección VIII , UG-99., que indica que debe ser 1,5 veces la presión máxima de trabajo.
5.3.- DISEÑO DE LAS PARTES SOMETIDAS A PRESION
Para este diseño se han utilizado los procedimientos y fórmulas de las normas
de ASME Code for Pressure Vessels, sección VIII., resumidas en la manual de
recipientes a presión de Eugene Megyesy. REF.22
5.3.1.- CALCULO DEL ESPESOR DEL CASCO ASME UG-27 ]
PR
t = ( 5.1 )
SE + 0,4 P
De donde:
P = Presión de diseño o presión máxima de diseño,lb/pulg2
S = Valor del esfuerzo del material, lb/pulg2
E = Eficiencia de la junta
R = Radio exterior, pulgadas
t = Espesor pared, pulgadas
C.A.= Margen por corrosión, pulgadas
Datos:
P = 125 lb/pulg2
S = 12.000 lb/pulg2 ANEXO 6
E = 0,70 ANEXO 7
R = 24 pulgadas
t = ?
C.A. = 0,125 pulgadas . Margen por corrosión .
Material : SA-515-60
Los recipientes o partes de los mismos que estén sujetos a corrosión , erosión o
abrasión mecánica deben tener un margen de espesor para lograr la vida deseada ,
aumentando convenientemente el espesor del material respecto al determinado por las
fórmulas de diseño , o utilizando algún método adecuado de protección .
( Norma UG-25 b ) REF.23
125 lb/pulg2 x 24 pulg
t = + 0,125 ( 5.2 )
12.000 lb/pulg2 x 0,70 + 0,4 x 125 lb/pulg
2
t = 0,48 pulg
Entonces para la construcción del casco de la caldera utilizaremos plancha de
0,50 pulg. de espesor , ya que este es el único espesor que se encuentra en el mercado
local.
5.3.2.- CALCULO DEL ESPESOR DEL HOGAR [ ASME UG-28 ]
PR
t =
SE + 0,4 P
De donde:
P = Presión de diseño o presión máxima de diseño,lb/pulg2
S = Valor del esfuerzo del material, lb/pulg2
E = Eficiencia de la junta
R = Radio exterior, pulgadas
t = Espesor pared, pulgadas
C.A. = Margen por corrosión, pulgadas.
Datos:
P = 125 lb/pulg2
S = 12.000 lb/pulg2
ANEXO 6
E = 0,70 ANEXO 7
R = 10 pulgadas
t = ?
C.A. = 0,125 pulgadas
Material : SA-515-60
125 lb/pulg2 x 10 pulg
t = + 0,125
12.000 lb/pulg2 x 0,70 + 0,4 x 125 lb/pulg
2
t = 0,28 pulg.
Para la construcción del hogar utilizaremos la misma plancha utilizada en el
casco
es decir de 0,50 pulg .de espesor , esto para utilizar el material sobrante del casco y por
la misma razón indicada anteriormente.
5.3.3.- ESPESOR DE LOS ESPEJOS [ ASME UG-34 ]
t = d x C P / S E
De donde :
E = Eficiencia de la junta
P = Presión de diseño , lb / pulg2
d = Diámetro interior del casco, pulg.
S = Valor máximo del esfuerzo permitido del material , lb / pulg2
t = Espesor mínimo requerido de la placa, pulg
C = Coeficiente mínimo establecido en ASME UG-34 = 0,020
t = 48 x 0,02 x 125 / 15.000 x 0,7
t = 0,74 pulg.
Entonces utilizaremos una placa de espesor 0,75 pulg, de espesor, la cual se
puede encontrar en le mercado local sin mayor dificultad.
5.3.4.- PESO TOTAL DE LA CALDERA
N° Nombre Cant. Peso Unitario ( Kg) Peso total ( Kg )
1 Hogar 1 388,18 388,18
2 Tubos de fuego 60 6,92 415,38
3 Coraza 1 1.078,08 1 .078,08
4 Espejo 2 178,15 178,15
5 Tapa posterior 1 59,80 59,80
6 Cámara refractaria 1 562,34 562,34
7 Coupling 2 0,18 0,36
8 Coupling 2 0,12 0,24
9 Coupling 2 0,12 0,24
10 Coupling 4 0,06 0,24
11 Chimenea 1 1,52 1,52
12 Tapa frontal 2 29,69 29,69
13 Manhole 1 11,58 11,58
14 Handhole 1 2,07 2,07
15 Base 1 101,20 101,20
16 Soportes 7 20,79 20,79
17 Visor 1 0,38 0,38
18 Pernos 43 0,30 12,90
19 Empaques 4 0,12 0,50
20 Pernos 2 0,85 1,70
21 Aislamiento térmico 2 1,25 2,50
22 Forro metálico 4 1,42 5,70
23 Distanciadores aislamiento 2 0,90 1,80
24 Empaque handhole 5 0,06 0,30
25 Empaque manhole 1 0,26 0,26
PESO TOTAL DE PARTES 2.875,90
+ 6% De Soldadura [REF.26] 172,55
PESO TOTAL 3.048,45
Tabla 9: Peso total de las partes de la caldera.
5.3.6.- DISEÑO DE ELEMENTOS COMPLEMENTARIOS
Los elementos complementarios considerados para este equipo son : la
chimenea para descarga de los gases, los accesorios de izaje , y el aislamiento térmico.
5.3.6.1.- Chimenea
Para el cálculo de la chimenea tomaremos como dato inicial la recomendación
dada por DONLEE [REF.14] , con relación al diámetro de la salida de los gases de
combustión ( chimenea ) , lo cual nos facilitará el calculo de la altura mínima de la
misma.
Diámetro especificado : 8” ( 203,2 mm )
Para determinar la altura de la chimenea aplicaremos la fórmula ( 5.4 ) en la
cual existen relaciones empíricas dadas por la experiencia.[REF.27].
d 1
= ( 5.4 )
H 25
De donde:
d = diámetro de la chimenea
H = altura de la chimenea
Entonces:
203,2 1
=
H 25
H = 5.080 mm.
5.3.6.2.- Accesorios para izaje
Para determinar los parámetros mas importantes como medidas y espesores de
los accesorios para el izaje de la caldera seguimos las recomendaciones del manual de
recipientes a presión de Megyesy E.[REF.28]., que nos indica lo siguiente:
Fig.14.- Dimensiones mínimas de las orejas para levantar.
P
t = ( 5.5 )
2S ( R - D1 / 2 )
De donde:
t = espesor requerido de la oreja, pulg.
P = carga , lb
S = esfuerzo cortante permitido, lb/pulg2
Datos:
P = 6.721 lb. neto, mas peso por equipos , accesorios y margen de seguridad + 15%
PT = 7.729 lb.
R = 1,5” [ ANEXO 9 ]
D1 = 1,125” [ ANEXO 9 ]
S = 12.700 [ ANEXO 6 ]
7.729
t =
2 ( 12.700 ) ( 1.5 - 0,4375 )
t = 0,29” ( 7,4 mm )
Entonces para la construcción de las orejas para izaje de la caldera usaremos
una placa de 5/16”de espesor .
Para calcular la longitud de la oreja aplicamos las siguientes fórmulas
W
w = ( 5.6 )
f
De donde:
w = Dimensión de soldadura de filete , 3/16”
W = Carga sobre la soldadura de filete, kilolibras por pulg.lineal de soldadura
f = Carga permitida en la soldadura , 9,6 klb por pulg2 de área
Entonces:
W = ( 0,1875 ) ( 9,6 )
W = 1,8 klb/pulg
P
W = ( 5.7 )
Aw
De donde:
Aw = Longitud de la soldadura
P = Carga axial permitida
Entonces:
Aw = ( 7,729 ) / ( 1,8 )
Aw = 4,29 pulg ( 109 mm )
VI.- CONSTRUCCION
La caldera tiene que fabricarse para que satisfaga los estándares razonables de
seguridad, resistencia y durabilidad necesarios. Para asegurar una operación continua y
satisfactoria , todos los elementos de la unidad deben asegurarse contra
desplazamiento, distorsión, flexiones y otros deterioros; y los soportes deben colocarse
en tal forma , que mantengan una relación correcta entre los componentes esenciales ,
dentro de condiciones racionales de operación y manejo. Aquellos elementos que no
estén fijos en forma permanente , deben diseñarse en tal forma , que no puedan ser
incorrectamente montados o erróneamente colocados, cuando se quitan y se vuelven a
ensamblar, durante las maniobras de limpieza u otra clase de servicios.
La construcción y montaje general deben ser de un acabado limpio y un trabajo
bien hecho, con todas las partes componentes bien armadas y todos los tornillos o
pernos u otros medios de fijación perfectamente apretados, para proporcionar la debida
rigidez del conjunto.
Para la fabricación de los principales elementos de la caldera se utilizan
recomendaciones del código ASME PW ( Rules for construction of power Boiler ) y
del manual de recipientes a presión ( Megyesy ) . Bajo estos parámetros se explicarán
algunas partes importantes en el proceso de fabricación.
6.1.- FORMACION DEL CASCO Y DEL HOGAR
Luego de realizar el diseño respectivo de los espesores para el casco y el hogar ,
así como sus dimensiones , se procede a la compra de las planchas necesarias para la
formación de esto elementos , luego se comprueba la cuadratura de la plancha
midiendo las diagonales de la misma.
Una vez trazadas las planchas se procede al corte de las mismas mediante el
método de " OXICORTE ", luego de lo cual se revisan nuevamente las medidas para
su certificación , esto nos garantizará un trabajo de rolado totalmente cilíndrico.
Después de cortadas las planchas se procedió al rolado para el conformado del
casco y del hogar de la caldera de acuerdo a las siguientes medidas :
MEDIDAS DEL CASCO.
- Diámetro interior = 1220 mm
- Longitud total = 2750 mm
Fig.15.- Medidas principales del casco.
MEDIDAS DEL HOGAR.
- Diámetro exterior = 500 mm
- Longitud total = 2520 mm
Fig.16.- Medidas principales del hogar.
6.2.- TRAZADO Y PERFORACION DE LOS ESPEJOS.
[ASME UG-53]
Al igual que en el paso anterior , luego de realizar el cálculo respectivo y
adquirir la plancha necesaria, se procede al trazo de los espejos tanto en la medida del
diámetro , medida del hogar , tensores y en la distribución de los agujeros realizada
previamente y tomando en cuenta la resistencia de los puentes entre los mismos.
El trabajo de maquinado de los agujeros se lo realizó en un taladro radial y con
una broca de 51 mm, para la perforación se unieron los dos espejos con puntos de
soldadura provisionales, de modo de asegurar una correcta alineación de los orificios;
además se perforaron 4 agujeros de 1" que sirven como tensores para bloquear la
fuerza ejercida en este punto del espejo.
Fig.18.- Medidas principales para el trazo de los espejos.
6.3.- ARMADO DEL CUERPO DE LA CALDERA.
[ASME PG-53]
Una vez que ya se tienen conformados el casco, el hogar y los espejos, los
cuales formarán el cuerpo de la caldera, se procede a su ensamblaje concéntrico
mediante el proceso de soldadura por arco, cuyas recomendaciones serán descritas
posteriormente.
Terminado el trabajo de armado del cuerpo de la caldera se procedió a la
perforación de los agujeros para las diferentes tomas de servicio,[ASME UG-46]
manhole y handhole, y a la colocación de los neplos para el armado de los accesorios.
6.4.- ARMADO DE LA BASE DE LA CALDERA
Como parte complementaria de este equipo se procedió al armado de la base de
acuerdo a las medidas programadas , y cuya altura esta en función de permitir un fácil
acceso para cualquier tipo de mantenimiento en la parte inferior de la misma , y
además evitar emposamientos ya sea de agua o de combustible, que pueden traer
consecuencias posteriores para el equipo.
6.5.- COLOCACION Y AJUSTE DE LOS TUBOS DE FUEGO.
[ASME FT-12]
Como siguiente paso se procedió a la colocación de los tubos de fuego ( 60
tubos, Diam. 2" ) , los cuales deben estar perfectamente alineados y rectos, de lo
contrario se tendrá problemas al ensamblarlos.
Se debe cortar el tubo a una longitud de modo que sobresalga 1/4" a 3/8" en
cada extremo, se asienta el tubo con un expansor lo preciso para tener junta hermética
con una presión hidrostática igual a 1,5 veces la presión de diseño ( 150 PSI ), o
cuando menos la graduación de la válvula de seguridad.
Una valiosa guía es la medición del diámetro interior del tubo , conforme
avanza la rectificación o ajuste del tubo, el metal de la pared cortada tiende a fluir y
separarse del interior de la placa de tubos . Se forma un borde extruido. Por ningún
motivo deje
que el borde extruido o engrosamiento sobresalga mas de 1/32". El diámetro interior
después de ajustar el diámetro interior que queda no debe ser mayor que el diámetro
interno original del tubo mas la holgura del agujero y mas la mitad del espesor del
tubo.
Fig.19.- Dimensiones mínimas y tolerancias para el ajuste de tubos.
6.6.- RECOMENDACIONES DE SOLDADURA
Las soldaduras de los diferentes elementos se han realizado en base a las
recomendaciones del código ASME ( Boiler & Pressure Vessel Code ) y del Manual
de Recipientes a Presión de Megyesy E. Con este procedimiento se garantiza una muy
buena unión de los elementos al utilizar uniones normalizadas, estos detalles de
soldadura estan especificados en los planos anexos.
En general toda la escoria o fundente que quede sobre el cordón de soldadura ha
de quitarse antes de poner la siguiente capa, cualquier porosidad que aparezca en la
superficie del cordón deberá ser corregida e eliminada mediante esmerilado antes de
colocar sobre este el próximo cordón de soldadura. La preparación de los extremos de
las piezas a unir ( t, f , de la fig 20 ) viene dada básicamente en función del espesor
de la placa ( t ) y del tipo de electrodo a utilizar.
Fig.20.- Preparación de los extremos de las partes principales a ser unidas.
Se utilizará el proceso de soldadura de arco manual con electrodo revestido ,
( SMAW ) para este caso utilizaremos como base ( raíz ) electrodos que garanticen
una penetración profunda como el AWS E6010 ( D.C. ) de diámetro 1/8” , y un
electrodo AWS E7018 ( D.C ) de diámetro 5/32” para relleno y acabado.
Para unir las partes que no estan sometidas a presión se utilizará un electrodo
que garantice una buena unión con el AWS E6011 ( A.C.) de diámetro 1/8”.
6.7.- PRUEBA HIDROSTATICA. [ASME UG-99]
Una caldera ya sea nueva, de segunda mano o reinstalada, se somete a una
prueba hidrostática cuando se ha terminado su instalación.
Cuando hay alguna duda respecto a la magnitud de un defecto encontrado en la
caldera , se realizará la practica de una prueba hidrostática para determinar con mas
exactitud la seriedad de la falla . La prueba hidrostática tiene por objeto la
comprobación de la hermeticidad , así como el de averiguar la resistencia mínima de la
unidad.
Si se prueba una caldera contra fugas , la presión hidrostática aplicada no debe
ser menor que la máxima presión a la que reacciona la válvula de seguridad , pero no
debe ser mayor que la de la prueba requerida para la comprobación de resistencia.
La experiencia ha demostrado que un cordón de soldadura en una caldera ,
puede resistir una presión determinada en una prueba , para fallar posteriormente bajo
una presión igual o ligeramente menor. Por otra parte , la falla es muy improbable a
una presión de trabajo no mayor de las dos terceras partes de la presión de prueba ,
salvo que haya un punto de concentración de esfuerzos , por ejemplo una soldadura
mellada o defectuosa , que sufrirá fatiga prematura como consecuencia de los
esfuerzos repetidos.
La prueba hidrostática puede servir para el alivio de tensiones en una
proporción limitada , mejorando el factor de seguridad de las costuras de soldadura,
contra golpes de ariete o esfuerzos a baja temperatura.
La hermeticidad es muy importante en la construcción de calderas. Las fugas se
descubren por observación, o son indicadas por la pérdida de presión en una caldera
cerrada.
Cuando se emplea aceite o agua para aplicar presión, habrá pocas dificultades
para localizar las fugas en la parte exterior de las soldaduras hechas a tope, si estas
están
limpias. Las soldaduras de los chaflanes interiores y exteriores de una junta de solapa
pueden tener pequeñas fugas, en cuyo caso, el agua no será perceptible durante
muchos días o quizá semanas. Aplicando presión con aire o gas generalmente
aparecerán las fugas de inmediato.
Uno de los mejores métodos para comprobar la hermeticidad consiste en
observar la pérdida de presión sobre un período determinado de tiempo. Si se emplea
agua o aceite para la prueba , eliminando el contenido de aire o de gas de la caldera, la
pérdida de presión será muy rápida, para cualquier fuga pequeña. Un manómetro
ordinario es un medio satisfactorio para señalar la pérdida de presión.
6.7.1.- PROCEDIMIENTO
La caldera fue preparada para su prueba, sellando todos los orificios y
aberturas, mediante tapones o tapas con empaques , excepto una entrada en la que se
instaló la bomba de presión manual , el único aparato que se utilizó para esta prueba
fue el manómetro de la caldera y el de la bomba .
Antes de conectar la bomba manual se procedió al llenado total de la caldera
con agua . Luego de esto se comenzó a inyectar presión hasta llegar a 180 psi ,
observando que no exista deformación de los componentes , ni fugas especialmente
por los tubos de fuego , una vez observado estos parámetros se mantuvo esta presión
durante 48 horas seguidas , luego de lo cual se quitó la presión y se desalojó toda el
agua de la caldera , dando por terminada la prueba hidrostática con resultados positivos
en la construcción.
6.8.- ESTUDIO ECONOMICO
Para la ejecución del proyecto la empresa MICROEMPAQUES S.A. asignó
una cantidad de USD 24,000 ( veinticuatro mil dólares americanos ) , esta inversión
se justifica básicamente por la reducción en el tiempo de entrega , reducción de
impuestos , y una reducción en el costo de la máquina , comparándola con una similar
importada.
6.8.1.- INVERSION FIJA
La caldera fue construida en su totalidad en un taller particular , por lo tanto los
gastos por equipos para maquinado y armado , mano de obra para el ensamblaje , y
accesorios de control y seguridad se indican detalladamente a continuación:
Cuerpo de la caldera.
DESCRIPCION COSTO USD
Casco 612.08
Hogar 234.54
Espejos 199.53
Tubos de fuego 1.440.00
Base 56.56
Concreto refractario 517.04
Tapas 189.67
SUBTOTAL 1 3,249.42
Equipos y accesorios complementarios
DESCRIPCION COSTO USD
Quemador cap. 15 gph. ( CARLIN ) 4,200.00
Compresor ( MARATHON ) 1,250.00
Microprocesador ( HONEYWELL ) 1,000.00
Tablero de control 985.00
Manómetro 0-300 psi 120.00
Presostatos ( HONEYWELL ) 110.00
Válvula de seguridad ( TECVAL ) 264.80
Manhole 64.90
Handhole 27.80
Aislamiento ( lana de vidrio ) ( FIGERGLASS ) 149.28
Forro galvanizado 52.68
Pernos para tapas 93.70
Accesorios para instalación 270.00
Aranceles por servicios y mano de obra
Para la construcción y ensamblado de
La caldera. 10,962.42
10% imprevistos 1,200.00
SUBTOTAL 2 20,750.58
COSTO TOTAL = SUBTOTAL 1 + SUBTOTAL 2
COSTO TOTAL = USD 24,000.00
6.8.2.- RENDIMIENTO REAL DE LA CALDERA.
Una vez instalada la caldera se procedió a tomar datos reales de los parámetros
mas importantes a plena carga como son : consumo de combustible , presión de vapor
, presión de aire , temperatura de salida de los gases de combustión , los cuales
comparados con los cálculos realizados en el diseño térmico nos darán un criterio
acerca de la construcción de esta maquina térmica.
CONSUMO DE COMBUSTIBLE.
Para la medición del consumo de combustible señalamos en el visor del tanque
diario la altura del diesel antes de prender la caldera , después de un periodo de tiempo
que en este caso fueron ocho horas continuas de trabajo a plena carga medimos la
altura del combustible y transformamos esta medida a CC y luego a galones.
CONSUMO DE COMBUSTIBLE DIESEL # 2
VALOR IDEAL : 14,75 gal / hora
Medición # Consumo gal / hora / día
1 13,50
2 14,00
3 14,75
4 13,00
5 12,75
Promedio = 13,60 gal / hora
PRESION MAXIMA DE TRABAJO.
Para la medición de la presión máxima de trabajo se utilizaron básicamente dos
elementos de medición y control que son primero el manómetro 0-300 psi y segundo el
presostato de trabajo , cuyo Set Point estubo en 125 psi Máximo. Una vez que la
caldera arrancó se fue aumentando carga paulatinamente hasta llegar a su máxima
capacidad y en este momento se tomaron las mediciones respectivas , en periodos de
dos horas durante cinco días de trabajo , obteniendo los siguientes resultados
promedio:
PRESION MAXIMA DE TRABAJO
VALOR IDEAL : 125 PSI
Medición # PSI
1 125
2 100
3 115
4 120
Promedio = 115 PSI
PRESION DE AIRE.
Para la medición de la presión de aire se utilizó un manómetro a la entrada del tubo
que lleva el aire de atomización hacia la boquilla , las mediciones se tomaron en un
periodo de ocho horas de trabajo a plena carga., durante cinco días.
PRESION DE AIRE
VALOR IDEAL : 8 PSI
Medición # PSI
1 7
2 7,5
3 8
4 7
5 7
Promedio = 7,3 PSI
TEMPERATURA DE SALIDA DE LOS GASES.
Para la medición de la temperatura de los gases de salida , se instaló termómetro
de rango 0-1000ºC en la chimenea y se tomaron al inicio y al final de la jornada de
trabajo de la caldera durante cinco días , obteniendo los siguientes resultados:
TEMPERATURA GASES
VALOR IDEAL : 365 ° C
Medición # ° C
1 335
2 340
3 340
4 345
5 350
Promedio = 342 ° C
6.8.2.1.- DATOS COMPARATIVOS ENTRE VALORES PREVISTOS Y
VALORES REALES.
Valores previstos Valores Reales % Diferencia
Combustible 14,95 gal/h 13,60 gal/h 9,03 %
Presión Vapor 125 PSI 115 PSI 8,00 %
Presión Aire 9 PSI 7,3 PSI 8,75 %
oT Gases 365
oC 342
oC 6,03 %
Comparando los valores obtenidos en las mediciones realizadas durante 5 días
de funcionamiento de la caldera a plena carga con los valores previstos en el diseño de
la caldera , observamos que estos valores estan dentro de un margen de error de +/-
10%, lo cual nos indica que la caldera esta funcionando adecuadamente y dentro de los
parámetros establecidos .
VII.- ACCESORIOS PARA LA CALDERA
7.1.- GENERALIDADES
El equipo auxiliar de las calderas son aparatos o dispositivos , accesorios o
armaduras , que están íntimamente ligados, ya sea con la caldera misma , o con su
operación , control o mantenimiento.
Son indispensables para la seguridad , para la economía y para la comodidad.
Las armaduras externas incluyen los indicadores de nivel y grifos de prueba,
drenes y válvulas de purga ( de la superficie y del fondo ) , válvulas de seguridad o de
alivio , grifos de ventilación ( purga de aire ) y trampas de vapor , conexiones para
muestras de agua , válvulas de retención ( protección contra retroceso ).
Entre los accesorios de medición para el control de las condiciones de operación
de la caldera , están incluidos los manómetros, indicadores de nivel de agua ,
termómetros , y aparatos de alarma.
También esta comprendido el equipo de control para la combustión y
dispositivos de medición correspondientes. Los aparatos de seguridad protegen la
caldera contra bajo nivel de agua , altas temperaturas y alta presión.
7.1.2.- VÁLVULAS DE SEGURIDAD Y DE ALIVIO
Es absolutamente necesario dotar a la caldera de un dispositivo de protección
que prevenga el aumento de presión mas allá de la presión de diseño. Entre los
dispositivos propios de las calderas automáticas quedan comprendidos los siguientes:
Válvulas de seguridad de disparador.
Cuando la presión alcanza un punto predeterminado , la válvula se dispara,
quedando completamente abierta y permaneciendo así hasta que baje nuevamente la
presión. Estas válvulas generalmente son del tipo de resorte de carga directa.
Fig. 16: Válvula de seguridad.
El código ASME secciones I y VIII recomienda:
* Número de válvulas. Referencia Código ASME sección I párrafo 67.2:
Calderas con superficie de intercambio de calor inferior a 500 pies cuadrados:
1 Válvula mínimo.
Calderas con superficie de intercambio de calor superior a 500 pies cuadrados:
2 Válvulas o mas.
* Capacidad total de descarga: BHP x 35= lb vapor/hora
50 x 35 = 1750 lb/hora.
Presión de apertura: Presión de operación + 10%
* Presión de trabajo : 125 PSI
* Producción de vapor: 1725 lb de vapor/ hora.
Válvula seleccionada según tabla del fabricante: TECVAL.
* Boquilla : F
* Modelo: VSGR - 1-1/4" x 1-1/4".
7.1.3.- CONTROL DE NIVEL DE AGUA
Todas las calderas de operación automática deben estar equipadas con un
interruptor de bajo nivel de agua , el cual impida el funcionamiento del quemador ,
mientras no exista suficiente agua en la caldera, por otra parte otro interruptor deberá
controlar la alimentación de agua.
Un modelo tipo de este dispositivo , es el control "McDonnell" que consiste de
un flotador , el cual actúa sobre un interruptor eléctrico, todas las unidades McDonnell
van provistas de una válvula de purga para desalojar los sedimentos.
El control McDonnell va conectado al indicador de nivel que permite la
observación visual de la cantidad de agua que contiene la caldera. Estos indicadores
están dotados de válvulas de cierre, superior e inferior. Se colocan válvulas o grifos de
prueba a tres niveles diferentes del indicador de nivel, lo que permite al operador
cerciorarse de que el nivel del agua en la caldera coincide con la indicación del tubo de
vidrio.
* CONTROL UTILIZADO:
Marca: McDONNELL & MILLER
Serie: 157
Presión: sobre 150 PSI
Utilidades: Controla arranque y parada de la bomba de agua, apaga por bajo nivel
de agua y alarma, visor de columna de agua.
Fig.17: Control de nivel de agua ( McDonnell # 157 )
7.1.4.- VÁLVULA PRINCIPAL DE VAPOR
Es la que esta conectada al tubo secador , permitiendo el paso o salida del vapor
generado por la caldera , para que este se dirija luego al sistema de vapor general.
7.1.5- VÁLVULAS DE PASO Y RETENCIÓN DEL AGUA DE
ALIMENTACIÓN.
La válvula de paso y de retención del agua de alimentación generalmente van
instaladas en la misma tubería que se utiliza para introducir el agua a la caldera. La
válvula de paso como su nombre lo indica es una válvula cuyo propósito es permitir el
paso del agua hacia la caldera , en cambio que el propósito de la válvula de retención
es de evitar el retorno del agua cuando se detiene el funcionamiento de la bomba de
alimentación.
7.1.6.- VÁLVULA DE EXTRACCIÓN DE FONDO
Esta válvula va instalada con su conexión al fondo de la caldera, con el
propósito de extraer los sólidos que se depositan en el fondo de la misma.
7.1.7.- MANÓMETRO
Son instrumentos que indican la presión de trabajo de la caldera y van
instalados en la parte superior de esta. Los manómetros son generalmente del tipo "
Burdon ".
Fig.18: Manómetro de tubo burdón.
7.1.8.- PRESOSTATOS
Los presostatos conocidos en inglés como "Presuretrol controllers", son
dispositivos de control de presión con fines de protección en la seguridad operacional
de las calderas, que limitan excesos de las presiones, son limites actuando en
combinación con el circuito eléctrico que está a su vez conectado con el motor del
quemador.
PRESURETROL UTILIZADO:
Modelo: L404C
Rango: 10 a 150 psi
Fig.19: Presostato de mercurio
Otros tipos de presostatos usados en calderas es el denominado " presostato de
control proporcional " o de modulación que como su nombre lo indica consiste en un
control modulante usado para máximos limites de operación como un controlador
directo para el motor proporcional que opera un quemador automático.
PRESURETROL UTILIZADO:
Modelo: L91D
Rango: 5 a 150 psi
Fig.20: Presostato de modulación
7.1.9.- TRANSFORMADOR PARA LA IGNICCIÓN
Provee una chispa de alto voltaje para la ignición o encendido del piloto de gas
o de diesel oíl.
Marca: WEBSTER
Voltaje primario : 120 voltios
Voltaje secundario : 6.000 voltios.
7.1.10.- MOTOR MODULADOR DEL REGISTRO DE AIRE
El motor modulador mueve el registro rotativo de aire y modula las válvulas de
combustible por medio de levas y un sistema articulado para asegurar la proporción
correcta de aire - combustible bajo toda condición de carga.
Una parte integral de este motor es el interruptor de baja combustión el cual
tiene que estar cerrado para que se encienda el quemador en posición de baja
combustión , este dispositivo evita el encendido del quemador a menos que el motor
modulador haya vuelto a colocar el registro rotativo del aire y la válvula reguladora del
combustible también a la posición de baja combustión.
MODUTROL UTILIZADO:
Modelo: M9484
Características: * Control proporcional reversible
* Actúa sobre válvulas, dampers y equipos auxiliares.
* Rango de operación 90o - 160
o
* Torque: 150 lb-in
Fig.21: Motor modulador de registro de aire.
7.1.11.- INTERRUPTOR DEL QUEMADOR
Este interruptor opera manualmente para iniciar y parar la operación del
quemador por medio de una conexión directa.
7.1.12.- INTERRUPTOR MANUAL - AUTOMÁTICO
Este interruptor puede ser accionado en las posiciones manual o automático. En
la posición automática toda operación queda bajo el control modulador que gobierna la
posición del motor modulador según la demanda de la carga.
En la posición manual el motor modulador por medio del control manual de la
llama, puede ser ajustado para la asignación apropiada de la combustión.
Este control manual se lleva a cabo por medio de un potenciometro , el mismo
que permite establecer la asignación de la combustión en el quemador a través del
motor modulador.
7.1.13.- DETECTOR DE LLAMA
Ante una falla en la llama , el sistema de protección debe actuar inmediatamente
a través de detectores excitando el circuito eléctrico de enclavamiento previsto en la
instalación para que el conjunto caiga en seguridad, y evite la entrada de combustible
sin quemarlo, eliminando así el peligro de su eventual encendido y explosión
subsiguiente.
Los detectores de llama basan su principio de funcionamiento en varias
características de la llama, tales como: calor, ionización y radiación.
Los detectores infrarrojos pueden ser usados con llama de gas, fuel-oil, carbón o
combinación de estos combustibles.
Alrededor de un 90% de la radiación total de una llama es infrarroja, estos
detectores reciben una amplia radiación de alta intensidad, y estos pueden detectar aun
llamas muy débiles.
La célula de sulfuro de plomo usada en el detector no puede distinguir entre los
rayos infrarrojos emitidos por un refractario caliente y la radiación infrarroja de una
llama. Por lo tanto, el sistema de detección infrarroja incluye un amplificador el cual
responde únicamente a la radiación desde una llama y rechaza la señal constante desde
un refractario caliente. El material sensitivo usado en el detector infrarrojo es
sulfuro de plomo. La resistencia eléctrica de este material disminuye cuando es
expuesta a una radiación
La construcción de la celda puede ser alterada para variar esta
sensibilidad.
DETECTOR DE FLAMA UTILIZADO:
Marca: Honeywell
Modelo: C7015A ( sulfuro de plomo )
Amplificador: R7248A
Programador: RM7800L
Respuesta : Responde a radiación infrarroja
Longitud de onda: entre 0.75 y 1000 micras.
Temperatura ambiente: 125oF ( 52
oC ) max.
Fig.22: Detector de flama ( Fotocélula )
7.1.14.- MICROPROCESADOR PARA EL SISTEMA DE CONTROL
DEL QUEMADOR
El Honeywell RM7800L , es un microprocesador inteligente basado en el
sistema de control integrado para quemar automáticamente gas, oíl, carbón o
combinación de combustibles en aplicaciones de quemadores simples.
El principio de control y el elemento lógico es realmente grande y este es
programable para proveer niveles de seguridad, capacidad funcional, y características
mas allá de la capacidad de los controles electromecánicos convencionales o de los
controles de discreto estado sólido.
Las funciones previstas para el sistema de control del quemador del
RM7800L incluye:
Prebarrido o prepurga.
Es decir limpieza de los gases que pudieran haberse acumulado desde la última
combustión en el hogar hasta antes de cada encendido.
Encendido de la llama piloto.
Aquí el transformador para encendido y la válvula del piloto de gas reciben
energía, y al confluir el aire para la combustión y el gas en presencia de la chispa de
encendido, se establece la llama piloto.
Encendido de la llama principal.
Hay que establecer la presencia de la llama piloto dentro de un periodo de 10
seg. para que siga el ciclo de encendido. En caso que esto no ocurriere por cualquier
razón, el sistema se cerrara teniendo lugar una parada de seguridad. Una vez probado
el piloto la válvula del combustible principal recibirá energía y la llama principal será
encendida.
Parada de la instalación con enclavamiento secuencial en el que intervienen los
elementos: falla de flama, presión de aire control, alimentación eléctrica,
ventilador de aire forzado, alarma de bajo nivel en la caldera., etc.
Parada del quemador.
El quemador seguirá funcionando hasta que la presión del vapor sobrepase la
demanda de carga. Las válvulas principales de combustible quedan sin energía y se
cierran. La llama se extingue, el motor del soplador (ventilador) continua forzando aire
por la caldera en periodo de postpurga. El motor de registro vuelve a la posición de
baja combustión, al final del ciclo de operación el circuito dejando al ventilador sin
energía .
El control queda nuevamente listo para repetir el ciclo cuando la presión del
vapor baja y hace cerrar los contactos del control de operación, el quemador pasa otra
vez por las etapas normales de arranque y operación.
Fig.23: Microprocesador para el control del quemador.
7.1.15.- RESUMEN DE LOS PRINCIPALES EQUIPOS Y ACCESORIOS
INSTALADOS EN LA CALDERA.
EQUIPO MARCA/MODEL0 CARACTERISTICAS RANGO SET POINT
Válvula de seguridad
TECVAL
Mod: VSGR 1 ¼
Abren cuando sobrepasa la presión
establecida por el fabricante , no se las
puede calibrar.
P.apertura:135 psi
Caudal: 1750 lb/h *********
Control nivel agua McDonnell # 157
Controlan mecánicamente el nivel del
agua de la caldera mediante una boya y
por interruptores de mercurio.
Nivel agua : 1 pulg
**********
Manómetro Trerice C.O. Tipo BURDON 0- 500 psi *********
Presostato operación HONEYWELL
Mod: L404 C
Operación similar a la de un interruptor
ON-OFF, compuesto por una ampolla
de mercurio.
10 – 150 psi 125 psi
Difer: 2 psi
Presostato modulación HONEYWELL
Mod: L91D
Modula automáticamente la entrada de
combustible y aire según la carga de
trabajo
5 – 150 psi 125 psi
Difer: 2 psi
Transformador
ignicción WEBSTER Provee una chispa de alto voltaje para el
encendido del piloto, 6000 voltios.
Primario:120 v
Secundario : 6000 v *********
Motor modulador HONEYWELL
Mod: M9484 Regula la entrada de aire y la válvula de
combustible por medio de levas. 90º - 160º ********
Detector de llama HONEYWELL
Mod:C7015A Responde a radiación infrarroja,
compuesta por sulfuro de cromo Onda: 0,75-1000 u ********
Microprocesador HONEYWELL
Mod: RM7800L
Controla todo el proceso de
funcionamiento de la caldera , informa
sobre fallas durante el periodo de
trabajo.
************* *********
7.1.16.- ESQUEMA DE UBICACIÓN DE LOS EQUIPOS Y ACCESORIOS
DE LA CALDERA.
VIII.- SISTEMAS DE AGUA DE ALIMENTACION
El agua de alimentación de una caldera constituye la materia prima para la
producción de vapor, por lo tanto, este elemento debe ser suministrado
permanentemente a la caldera a fin de mantener una generación constante de vapor.
Si se consigue alimentar una caldera con agua caliente se utilizaría lógicamente
menos combustible , pues sería mas fácil alcanzar una temperatura de ebullición del
agua a la presión de trabajo que estuviera operando la caldera.
El sistema de agua de alimentación de una caldera se compone:
Tanque de agua de alimentación o de condensado al mismo tiempo.
Equipo de bombeo.
Válvulas de regulación del agua de alimentación
Dispositivos de control
8.1.- TANQUES DE AGUA DE ALIMENTACION
Como la generación de vapor en una caldera depende directamente de la cantidad
que se suministra a esta , es recomendable que la cantidad de agua de reserva y la
capacidad del tanque de alimentación almacene una cantidad mínima de agua
suficiente para sostener la evaporación en la caldera, por lo menos durante 20 minutos.
Generalmente se sabe que para satisfacer la demanda de agua de un caballo caldera
se requieren 0,069 galones americanos por minuto (GPM) o sea 0,261 litros por
minuto.
Por lo tanto, una caldera de 50 BHP evaporará:
50 BHP x 0,261 Lt/min BHP = 13,05 lt/min.
Si la reserva mínima de agua deberá satisfacer la evaporación en la caldera durante
20 minutos, por lo tanto la reserva mínima total será:
13,05 lt/min x 20 min = 261 litros.
Por otra parte , el tanque de almacenamiento no deberá nunca estar 100% lleno, sino
que es recomendable que éste se encuentre siempre solamente con un nivel de agua
que cubra el 70% de la capacidad del tanque. Esto significa que la reserva mínima de
agua deberá ser determinada conforme a la siguiente relación: reserva mínima de
agua/ 07 ; 261/07 = 372,86 litros.
Como teóricamente , se entiende que el tanque de almacenamiento del agua de
alimentación recibirá el retorno del condensado proveniente del vapor que ha circulado
por todo el sistema de vapor, aparentemente existiría un circuito cerrado de circulación
perfecto. Sin embargo en la realidad , esto no sucede así, pues siempre hay perdidas a
través de todo el sistema sea este de vapor, de condensado, o del agua de alimentación.
Para reponer estas perdidas precisamente es recomendable que el tanque de agua de
alimentación , o el tanque de condensado , sea provisto de alguna conexión de agua de
reposición ( make-up) proveniente de algún otro tanque de reserva.
El agua de alimentación deberá estar a la temperatura mas alta posible para evitar:
problemas de dilatación
contracciones
choques térmicos.
Todos los cuales producirían en el interior de la caldera si esta fuera inyectada a la
temperatura ambiente o relativamente fría.
De aquí la conveniencia de utilizar un mismo tanque para almacenar la reserva
mínima y a la vez recibir los retornos de condensado lográndose así elevar la
temperatura del agua de reposición que este necesitando el tanque para compensar las
perdidas que pudieran suscitarse en el sistema.
8.2.- BOMBAS DE AGUA DE ALIMENTACION
Los criterios de selección de una bomba de agua de alimentación para calderas son
básicamente los siguientes:
Operación continua o intermitente
Temperatura del agua a la succión
Capacidad
Presión de descarga
Carga neta de succión positiva requerida (NPSH)
Operación continua o intermitente.-
Este criterio depende principalmente del tipo de caldera, pirotubular o acuotubular y
del tipo de servicio de la caldera.
En la mayor parte de los casos de las bombas destinadas a calderas de tubos de
fuego, la operación es intermitente, esto se debe a que este tipo de calderas trabajan
generalmente con un flotador sobre el cual actúa un Switch, este hace que el motor que
impulsa la bomba pare o arranque entre cierto nivel.
Al seleccionar bombas de agua de alimentación se deberá considerar que a menudo
las calderas operan a 200 y 300% de su capacidad.
Temperatura del agua de succión.-
Este parámetro tiene importancia de la premisa que las bombas standard se
encuentran disponibles con rangos de temperaturas entre aproximadamente 100oC a
104oC , mientras que otras bombas son fabricadas para operar con temperaturas de
hasta 121oC o mas, pero con enfriamiento de agua externo.
Capacidad.-
La capacidad de una bomba de agua de alimentación de calderas significa el caudal
que una bomba puede proveer , pero siempre dependiendo también de la presión de
descarga y de la carga neta de succión requerida.
Los dos tipos de bombas usadas para el agua de alimentación de calderas son: el
tipo turbina y el tipo centrífuga.
Las bombas tipo turbinas tienen que ser seleccionadas para una capacidad de 1,5 a
2,0 veces la capacidad de evaporación de la caldera para la cual vaya a alimentar , es
preciso indicar que por regla general la bomba tipo turbina es frecuentemente
seleccionada para operación intermitente.
Presión de descarga.-
Si la tubería de descarga de la bomba esta conectada directamente a la caldera, sin
válvula motorizada o reguladora de agua de alimentación , solamente es necesario
considerar la presión de operación de la caldera y las perdidas a través de la tubería
para determinar la presión de descarga de la bomba.
La selección de la presión de descarga en bombas tipo turbina es menos critica que
en bombas centrífugas, sin embargo se debe asegurar que la presión de descarga
seleccionada sea siempre mayor que la presión de operación de la caldera. Un valor de
5 a 25 PSI por encima de la presión de operación de la caldera sería un valor razonable
a adoptar.
La carga neta de succión positiva (NPSH).-
Es la altura total absoluta de succión en cm o pies, corregida al eje impulsor, menos
la presión de vapor del liquido en cm o pies absolutos.
En realidad es un análisis de las condiciones de succión de la bomba, para saber si el
agua se vaporizará o no en el punto de menor presión de la bomba.
Obviamente, debemos mantener el fluido en estado liquido para obtener un buen
funcionamiento de la bomba evitando la cavitación que afecta a la presión, capacidad y
eficiencia que podría producir incluso perforaciones en las paletas del impulsor.
8.3.- TRATAMIENTO DE LAS AGUAS DE ALIMENTACION
Se puede decir que las aguas que se toman para el abastecimiento de las calderas no
son nunca puras , y admitiendo que no arrastren materias sólidas en suspensión ,
siempre llevan disueltas diversas sales , algunas de las cuales se precipitan por la
acción del calor , como sucede con los bicarbonatos de calcio y magnesio , dando lugar
a la formación de depósitos que pueden ser poco adherentes, del tipo pulverulento , en
cuyo caso se designan con el nombre de lodos , o bien extraordinariamente adherentes,
denominándose incrustaciones , de aquí la necesidad del tratamiento y preparación de
las aguas destinadas a la alimentación de las calderas.
La formación de las incrustaciones es sumamente perjudicial y peligrosa , ya
que estas tienen una conductividad calorífica muy inferior a la del hierro , por lo que el
paso de calor desde los gases de combustión hasta el agua resulta considerablemente
disminuido , lo que representa ya un gran inconveniente del tipo económico ; pero
además existe el riesgo de explosión ya que al disminuir el paso de calor por unidad de
superficie y tiempo, ha de forzarse la combustión para mantener un nivel de
temperatura y presión en el vapor producido , lo que puede traer como consecuencia un
enrojecimiento de la chapa de la caldera que esta en contacto con los gases , a lo que a
veces va unido el resquebrajamiento de la capa de incrustaciones , con penetración del
agua a través de las grietas y repentino contacto con la chapa al rojo, la acumulación de
todos estos factores hace casi inevitable la explosión.
La formación de lodos e incrustaciones se debe a la separación de la fase sólida en
las disoluciones sobresaturadas en determinadas zonas de la caldera. En dichas
soluciones sobresaturadas algunos iones se asocian a las moléculas convirtiéndose en
núcleos de cristalización.
La precipitación espontanea de la fase sólida de las disoluciones tiene lugar en una
serie de etapas que pueden resumirse en cuatro:
a) Formación de gérmenes moleculares
b) Aumento a micro-partículas por acumulación de gérmenes
c) Coagulación de las micro-partículas en copos y formando cristales.
d) Desarrollo de los gérmenes moleculares pasando a cristales.
La tendencia formar cristales no es la misma en unas sales que en otras. El
carbonato de calcio a temperaturas superiores a 100oC forma generalmente un lodo
blando a base de cristales de aragonito. El sulfato cálcico hacia los 140oC experimenta
una disminución en su coeficiente de solubilidad por formarse un semihidrato que se
deposita en estado cristalino ; si la temperatura es de unos 200oC se deposita en forma
mas suelta, como sulfato anhidro.
La preparación del agua destinada a la alimentación de las calderas se compone de
varios procesos que podemos resumir en los siguientes:
1. Tratamiento inicial:
- filtración
- descarbonatación
- eliminación de sustancias orgánicas.
- desgasificación
2. Depuración
- desmineralización
3. Tratamiento final:
- desgasificación
La filtración tiene por objeto eliminar las materias sólidas en suspensión
realizándose por paso del agua a través de capas de arena o materiales porosos , bien
por la acción de la gravedad o bajo presión.
La descarbonatación se realiza para aguas muy duras, es decir de gran contenido en
carbonato y bicarbonato cálcico y magnésico. La operación se efectúa con agua a unos
90oC , añadiendo hidróxido cálcico y carbonato sódico. La mezcla de hidróxido
cálcico y carbonato sódico da lugar a la formación de hidróxido sódico , que precipita
los bicarbonatos al estado de carbonatos.
Finalmente, el carbonato sódico reacciona con los sulfatos formando carbonatos
insolubles. La eliminación de las sustancias orgánicas es muy difícil , prácticamente
imposible si se pretende efectuarla de una manera completa.
Las partículas orgánicas del tipo coloidal se mantienen en el agua debido a su carga
eléctrica negativa, que por repulsión las mantiene dispersas impidiendo cualquier
acumulación y precipitación.
Si se añade al agua otro coloide cuyas partículas tengan carga eléctrica del signo
opuesto , se producirá por atracción acumulados lo suficientemente pesados como para
precipitar. Los coloides que se añaden suelen ser hidróxidos metálicos, y como el
precipitado tiene forma esponjosa o floculante se conoce con el nombre de floculación.
La floculación y consiguiente clarificación del agua se realiza por adición de sulfato
de aluminio principalmente, el cual con los álcalis presentes en el agua produce un
precipitado coloidal de hidróxido de aluminio que engloba a cualquier partícula en
suspensión en el agua. La eliminación de los silicatos de calcio y de magnesio es
de la mayor importancia por ser de los principales causantes de las incrustaciones.
Los silicatos de calcio y magnesio pueden eliminarse por tratamiento del agua con
aluminio sódico coloidal, con lo que se produce una condensación de los silicatos
sobre las partículas de aluminato.
La desgasificación se conoce también con el nombre de desaireación, ya que los
gases que se trata de eliminar son los del aire disueltos en el agua. La desgasificación
se considera actualmente imprescindible para las calderas de altas y altísimas presiones
y es muy conveniente realizarla para todas aquellas que trabajen por encima de los 10
Kg/cm2.
8.3.1.- TABLA DE ELEMENTOS COMPLEMENTARIOS DE LA CALDERA.
Bomba combustible HP CAPACIDAD
1 / 4 20 Gal / hora
Bomba de agua
HP CAPACIDAD
3 7,6 GPM
Tanque de
condensado
CAPACIDAD
60 Galones
IX.- MANTENIMIENTO
9.1. - CONCEPTO
La parte más importante para el buen funcionamiento de la caldera es su programa
de mantenimiento, si se establece dicho programa usted tendrá la seguridad de que la
caldera funcionará con un mínimo de paradas costosas, será mas económico y evitará
altos costos de reparación.
Le sugerimos llevar registros del funcionamiento de los componentes del caldero
tales como presiones, temperaturas, consumo de diesel, y todas las operaciones de
limpieza del lado de fuego y agua. Mantenga siempre limpia la sala de calderas y sus
componentes.
9.2. - PROGRAMA DE MANTENIMIENTO DIARIO
1) Purge la caldera con regularidad de acuerdo con los requisitos , el número y
frecuencia de las purgas depende de la cantidad de agua de alimentación y debe ser
determinado por un especialista en el tratamiento de aguas.
2) El procedimiento correcto de la purga es el siguiente:
a. Subir el nivel de agua en el visor de cristal hasta la mitad, esta operación se
realiza colocando el interruptor de la bomba en " manual ", desconecte al
conseguir el nivel.
b. Habrá la válvula de purga de fondo, primero poco a poco y después por
completo, por el tiempo establecido por el análisis del agua, y luego cierre
rápidamente.
Importante: Cuando este purgando nunca deje que desaparezca el agua del nivel
Visible.
c. Purge la columna de agua del McDonnell dos ( 2 ) veces al día o cuando
menos una vez por turno de trabajo por el tiempo aproximado de 4
segundos, esto mantendrá las conexiones de la columna de agua libre de
lodos o sedimentos ocasionan fallas gravísimas en este control y
consecuentemente en la caldera.
Importante: Siempre señale o recuerde el nivel de agua antes de las purgas y
después de efectuadas las mismas, si el nivel queda mas arriba , baje poco a
poco con la purga de la columna; el mantener un sobre nivel de agua le resta
cámara de evaporación a la caldera.
1) Cuando arranque la caldera verifique siempre el buen funcionamiento de
todos los elementos y siempre lleve registros de presión y temperatura de los
gases , esto dará un buen indicio para proceder a la limpieza de los tubos de
fuego.
9.3. - PROGRAMA DE MANTENIMIENTO MENSUAL
1) Desconecte la energía del breaker principal y limpie con cuidado el polvo de los
controles eléctricos, además revise los contactos de los arrancadores, mantenga
siempre cerrada la puerta del gabinete de controles.
2) Limpie el filtro de diesel.
3) Limpie los filtros de agua de alimentación del tanque de condensado
4) Desmonte y limpie el conjunto quemador. ( Boquilla , Electrodo, Fotocelula , etc.)
5) Revise el hogar y el estado del refractario.
6) Revise los anclajes de los motores y bombas.
7) Compruebe el alineamiento de la bomba de alimentación de agua con su motor, si
no es así , esto causará un fuerte vibración y gastará muy pronto los cauchos del
acople.
8) Verifique el estado de las trampas de vapor en el sistema de retorno de condensado,
trampas defectuosas no solo malgastan el vapor , sino que también causan bloqueo
por vapor debido a la alta temperatura de los condensados.
9) Limpie los ventiladores
9.4. - PROGRAMA DE MANTENIMIENTO SEMESTRAL
1) Revise el lado de agua de la caldera, deje que la caldera se enfríe por completo y
descargue toda el agua por la purga de fondo, quite las tapas de inspección de
hombre ( manhole ) y las tapas de mano ( handhole ) lave bien el interior de la
caldera utilizando una manguera con agua a presión, aplique el chorro por el
manhole y después por los handholes , para hacer un barrido de los lodos a través
de la válvula de purga, empiece el lavado tan pronto se hayan quitado las placas y
tapas , en este momento las incrustaciones suaves están fofas y son fáciles de
expulsar, si de dejan secar se endurecen y son difíciles de limpiar.
2) Realice una inspección y limpieza en la boca de ingreso de agua a la caldera.
3) Retire el tapón de la cruceta de la columna de agua o McDonnell para hacer una
limpieza similar a la entrada de agua a la caldera.
4) Después de lavar la caldera, examine con cuidado las superficies de evaporación
para ver si hay indicios de corrosión, picadura o incrustación, cualquier indicio de
estas condiciones denota la necesidad de dar un mejor tratamiento al agua de la
caldera, comunicando a la compañía química encargada.
5) Al volver a colocar las tapas de inspección de mano y de hombre coloque
empaques nuevos, antes de colocarlos limpie los residuos de los empaques viejos
en las tapas y agujeros.
6) Mientras la caldera esta parada, revise todas las válvulas; si puede rectificar los
asientos y empacar nuevamente los vástagos donde sea necesario.
7) Realice la limpieza del hogar con un cepillo de alambre; verifique el buen estado
del refractario de la compuerta y de la cámara posterior.
8) Limpieza del tanque de condensado con agua a presión, sacando la brida del
flotador y el tapón de fondo.
Importante: Cerrar la llave de esfera que comunica con el filtro y bomba, después
purgar los posibles lodos por el filtro en Y de la bomba y limpiar el filtro.
9) Realice la limpieza de los tubos de fuego con el cepillo circular y sin golpear los
refractarios.
10) Limpieza del calderin del McDonnell.
a.- Aflojar los seis pernos de 3/8" que acoplan el cabezal y el calderin.
b.- Retirar con cuidado de no dañar la varilla y el flotador.
c.- Suspender con cuidado el cabezal.
d.- Limpieza mecánica del caderin.
e.- Cambiar el empaque que acopla el calderin y el cabezal del McDonnell.
f.- Colocar el cabezal en el calderin y colocar los pernos de 3/8" , ajustar en cruz.
11) Para poner en servicio nuevamente a la caldera , llene de agua a su nivel , caliente
despacio la unidad hasta 25 PSI de presión y reajuste con cuidado las tapas del
manhole y handhole , luego continúe el calentamiento.
CONCLUSIONES
1. Se ha comprobado en el diseño térmico ( Capitulo III ) que los valores y datos
proporcionados por los fabricantes de calderas se acercan a los valores calculados en
este capitulo , además el correcto uso de estos datos y valores nos permitirá ahorrar
un tiempo considerable en los cálculos para el diseño térmico de futuras
construcciones.
2. Con este capitulo se han aprendido temas que no son estudiados en la facultad, lo
cual ha enriquecido en parte los conocimientos adquiridos durante el período de
estudio.
3. En la construcción de esta caldera se han aplicado técnicas tanto en el área eléctrica
como en el área mecánica , las cuales serán medidas posteriormente una vez que el
equipo entre a funcionar , y estos resultados serán analizados y comparados con los
de otros equipos similares.
4. Por la no existencia en el país de materiales recomendados por los fabricantes
internacionales de calderas para la parte del casco, hogar y espejos se ha elegido el
material cuyas características de composición se acercan mas a las de estos
materiales, además se ha sobredimensionado en el espesor de la chapa para
compensar estas diferencias.
5. Por ser una máquina térmica en la cual intervienen diferentes parámetros de trabajo
como la presión , nivel de agua , combustión , etc. , se ha tomado especial atención
en los equipos auxiliares de seguridad , para con esto garantizar la integridad de
todo el personal que este alrededor de la misma.
6. Con este trabajo se han establecido conocimientos teóricos y prácticos que no
pretenden desarrollar nuevas teorías sobre la construcción de calderas , sino formar
una base de conocimientos , que debe convertirse en una estructura real de
desarrollo , como un paso hacia la definición de un tecnología propia.
RECOMENDACIONES
1. Las planchas que formaran el casco y el hogar de la caldera deberán ser cortadas
perfectamente a escuadra para evitar problemas y complicaciones en el momento
del rolado de las mismas.
2. La perforación de los espejos se debe hacer con la herramienta ( broca ) de la
medida exacta para que la colocación y lo mas importante que es el ajuste de los
tubos se lo realice de acuerdo a los parámetros establecidos.
3. La unión electrosoldada de las partes sometidas a presión la debe realizar solamente
personal preparado y calificado para este tipo de trabajo.
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[23] MEGYESY E., op.cit., parte I, pp 26
[24] MARKS , op.cit., cap.
[25] MEGYESY E., op.cit., parte I, pp. 57.
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Unersidad Central del Ecuador, 1983.
RAMIREZ W, Diseño y construcción de un intercambiador de calor, Tesis, Quito, Escuela Politécnica del
Ejército,
ANEXO 1 : Propiedades termodinamicas del vapor de agua.Vapor saturado seco ( Fuente:
Procesos de transferencia de calor, Donald Kern )
ANEXO 2 : Propiedades de los gases de combustión.( Fuente : Tesis ESPE,Diseño y
construcción de un intercambiador de calor, Ing.W.Ramirez)
ANEXO 3 : Conductividades térmicas de los liquidos ( Fuente : Procesos de transferencia de
calor , Donald Kern )
ANEXO 4 : Calores específicos de líquidos ( Fuente : Procesos de transferencia de calor,
Donald Kern )
ANEXO 5 : Viscocidades de líquidos ( Fuente : Procesos de transferencia de calor , Donald
Kern )
ANEXO 6 : Propiedades de los materiales ( Fuente : Manual de recipientes a presión,
Megyesy E.)
ANEXO 7 : Eficiencia de la junta de soldadura ( Fuente : Manual de recipientes a
presión, Megyesy E.)
ANEXO 8 : Dimensiones principales de YORK SHIPLEY ( Fuente: Manual de
DONLEE Inc).
ANEXO 9: Medidas principales para accesorios para izaje ( Fuente : Manual de
recipientes a presión, Megyesy E.)
ANEXO 10 : PLANOS
Caldera horizontal : Plano general
Caldera horizontal : Desarrollo de partes
Caldera horizontal : Detalles de soldadura
Caldera horizontal : Sillas
Plano eléctrico : Diagrama de control y fuerza
