SISTEMAS COMPLEMENTARIOS DE UNA CALDERA

1.- FLUJO DE VAPOR EN TUBERIAS

En la tabla siguiente se tiene el valor del flujo de vapor en tuberías sch 40

Selección del tamaño de tuberías

La siguiente grafica es usada para seleccionar el tamaño de la tubería en relación con el flujo de vapor, volumen especifico, longitud total o equivalente de tubería y caída de presion

SELECCIÓN DEL TAMAÑO DE TUBERÍAS DE VAPOR

2.- LONGITUD EQUIVALENTE DE TUBERÍA (LET) (PIES)A continuación se tiene las tablas para calcular la perdida de presión expresada en pies de codos, uniones, uniones y válvulas para ser añadidas a tramos rectos de tubería

Diámetro de tubería

Codo estándar T estándar Válvula compuerta totalmente abierta

Válvula de globo totalmente abierta

Válvula de ángulo totalmente abierta

1 ½ 4 9 0.9 41 212 5 11 1.2 54 272 ½ 6 13 1.4 64 323 8 16 1.6 80 403 ½ 9 18 2 91 454 11 21 2.2 110 555 13 26 2.8 140 706 16 32 3.4 155 818 20 42 4.5 210 11010 25 55 5.5 270 14012 30 65 6.5 320 16014 35 75 8 370 190

3.- CALCULO DE SUPERFICIES DE TRANSFERENCIA DE CALOR

El área de superficie requerida de un serpentín para un tanque de calentamiento puede ser determinada a partir de la siguiente ecuación:

A=Q x 8,33(t 2−t1)

U x tm

Dónde:A= Área del serpentín en pies2

Q= Cantidad de agua calentada, en galones por hora.t2= Temperatura (°F) del agua caliente a la salida del tanque.t1= Temperatura (°F) del agua fría de suministro al tanque.U= Coeficiente de transmisión de calor. Btu/hr-pie2 - °F (°F, media logarítmica de la diferencia de temperatura)-Para serpentines de bronce o cobre.U=240 (vapor) y 100 (agua caliente).-Para serpentines de fierroU= 160 (vapor) y 67 (agua caliente)Tm= media logarítmica de la diferencia entre la temperatura del medio de calentamiento y la temperatura promedio del agua, siendo aproximadamente.

tm=ts−(t 2+ t1)2

ts= Temperatura del medio calentamiento, °F

Ejemplo:

Qué área de superficie de transferencia de cobre será necesaria para calentar 70 gln/ hr de agua a partir de 40° a 180° F con agua que proviene de una caldera a 220° F.

Solución:

tm=[220− (180+40 )2 ]

tm= 110 °F

A=70 x 8,33 (180−40 )

100 x100 A = 7,42 Pies2

Nota.- Para calentadores de agua caliente instantáneos, la superficie de calentamiento requerida dependerá de:

1. La velocidad del agua en los tubos.2. Temperatura del agua o del vapor de la caldera.3. Temperatura del agua de alimentación.4. Temperatura final del agua.5. Limpieza de las líneas de la superficie serpentín.

4.- COMBUSTIÓN

Industrialmente hablando se entiende por combustión la combinación violenta con desprendimiento de calor sensible y luz, del oxígeno del aire con el C, H y S, que constituyen los elementos activos de los combustibles S, L y G.En los productos de los gases se tienen CO2 , CO, H2 O, SO2 , otrosEl hollín.- es combustible no quemado, resultado de una combustión incompleta, se presenta en dos formas: volátil y coquizado o escoriaPara que el combustible se queme completamente y sin humos en la caldera es necesario utilizar quemadores especiales que atomicen el combustible (líquidos)El control de aire.- al haber un exceso de aire el rendimiento es menor ya que calienta una cantidad de aire innecesario que no interviene en la combustión y escapa por la chimenea a T elevada; por otro lado evitar la falta de aire, ya que se forma CO; tener presente que el CO 2 es inversamente proporcional a la cantidad de exceso de aire utilizado.Para verificar la combustión hay que tener presente que los gases quemados el O2 deberá ser como máximo de 1% a 2% y no debería existir COA continuación se muestran rangos del CO2 en % en los gases, de acuerdo al tipo de combustible y rango(A= excelente, B= bueno, C= regular, D= pobre)

Rango G.N. Diesel N°2 Diesel N°6A 10% 12.8% 13.8%

B 9% 11.5% 11.5%C 8.5% 10% 13%D 8% 0 menos 9% o menos 12% o menos

Temperatura de los gase en la chimenea.- si la T de los gases es mayor en 83°C de la del vapor; es demasiado alta, entonces limpiar el flue y ajustar el quemador, o revisar la selección del quemador, implica diseño deficiente. Alta Tg significa desperdicio de calor

5.- LA EFICIENCIA DE UNA CALDERA

La eficiencia de una caldera es la relación entre el calor aprovechado por el fluido (líquido y vapor) y el calor que suministra el combustible al mismo en una hora.La eficiencia de la caldera en la planta es determinada por dos factores:

1) Diseño de la caldera y limpieza de las superficies de calefacción.2) Diseño de quemador y habilidad de éste para ser ajustado y sostener la relación aire-

combustible.

los diferentes tipos de eficienciaSon tres tipos de eficiencia:

1. Eficiencia de combustión2. Eficiencia térmica3. Eficiencia total de la caldera

Eficiencia de CombustiónEs la efectividad exclusiva del quemador y está relacionada con su habilidad para quemar totalmente el combustible. La caldera propiamente tiene poca relación, sobre la eficiencia de combustión.Con un 15 a 20% de exceso de aire, un buen quemador deberá tener una eficiencia de combustión de 94% a 97%.

Eficiencia TérmicaEs la efectividad de la transmisión de calor en un intercambiador. Esta no toma en cuenta las perdidas por radiación y convección (como por ejemplo: del cuerpo de la caldera, de la columna de agua, de la puerta trasera, etc.) u otras pérdidas varias, tales como: la variación en el poder calorífico, precisión de medida del combustible, vapor y agua, o masa de los accesorios.Las pérdidas por radiación, convección y varias pueden ser el 1% a 3% de la capacidad desarrollada por la caldera y su valor depende del tamaño de esta.

Eficiencia Total de la CalderaEste es un término general y significa la eficiencia térmica total. La eficiencia total de una caldera es la relación entre el calor aprovechado por el fluido (líquido y vapor) y el calor que suministra el combustible al mismo, en una hora.Algebraicamente la eficiencia de una caldera o generador de vapor se puede expresar así:

n= calor aprovechadocalor suministrado

=m(Hv−Hl)Pc xmc

n = Eficiencia del generador de vaporm = masa del vapor producido por horaHv = Entalpía del vapor a la salidaHl = Entalpia del agua a la entradaPc = Poder calorífico del combustiblemc = Cantidad del combustible en masa, quemado por hora

Esta expresión también puede indicarse de la siguiente manera:

n= calor suministrado−calor perdidocalor suministrado

(B )n=Qs−QpQs

=1−QpQs

Dónde:Qs = Calor suministradoQp = Calor perdido

ESTIMACIÓN DE PERDIDAS DE CALOR POR RADIACIÓN, CONVECCIÓN Y VARIAS AL 100% DE CAPACIDAD

Estimación de pérdidas de calor por radiación, convección y varias a 100% de capacidad

EL RENDIMIENTO DE UNA CALDERA

Es la relación entre la capacidad desarrollada bajo cualquier circunstancia o condición de trabajo y la capacidad que debería desarrollar esta misma unidad en condiciones óptimas de operación.Este concepto es independiente y hace caso omiso de la eficiencia térmica.

Rendimiento deunacaldera=

Producciónde vaporen condiciónrealde trabajo

Producciónde vapor encondiciónóptimade operación ,(según fabricante)

n=WrWn

Wr = Producción de vapor realWn = Producción de vapor nominal

6.- COMO SELECCIONAR UNA CALDERA

La compra de una caldera, es una de las inversiones más durables. El promedio de vida de una buena caldera es de alrededor de 25 años y durante este tiempo, es de gran importancia el costo de funcionamiento de la misma. Para realizar una compra adecuada en lo que se refiera a calderas es necesario considerar una serie de factores bastante importantes, que son:Calculo preciso de la demanda de vapor que se está requiriendo.- Esto es de gran importancia ya que al final, este cálculo nos determinará la capacidad de la o las calderas que será necesario adquirir. No es recomendable pagar por una capacidad que nunca se va a utilizar completamente, esto es a todas vistas antieconómico, así también es de importancia la determinación la presión que el vapor debe tener para el buen desarrollo de un proceso determinado.Una caldera es seleccionada correctamente cuando proporciona un servicio eficiente, y no propicia desperdicios de combustible.

Otros factores importantes que debe tomarse en consideración:-El agua de alimentación disponible: Factor que debe considerarse primordial antes de obtener una caldera, ya que el agua determinará también la duración y buen funcionamiento de la caldera.

-Tiempo de operación diaria de la caldera: es de gran influencia en la cantidad de vapor que se requiera, así como la elección del combustible a utilizar, y consecuentemente en la selección de la caldera apropiada.

-Tipo de caldera a utilizar y número de unidades: Íntimamente ligado a esto, está la demanda de vapor que se tenga, generalmente es recomendable utilizar calderas de tubos de humo en capacidades desde 5 CC, hasta 800CC, o sean necesidades de vapor desde 78,25 kg/hr hasta 12520 kg/hr. Para capacidades mayores es recomendable usar calderas de tubo de agua

-La selección del combustible: es una consideración fundamental en la elección de una caldera. Su elección de gas, diésel o petróleo pesado, estará basada en el costo total, limpieza y facilidad de obtención, de almacenamiento y de operación.

La determinación de costos de operación, está dentro de las siguientes consideraciones:a) El combustible propiamente dichob) Facilidad de almacenamientoc) Mantenimiento de quemador de combustible y el equipo de manejo del mismo.d) Así como también la labor de operación de este equipo.

REQUERIMIENTOS DE AGUA CALIENTE

El método más usual para el calentamiento de agua, es mediante la utilización de vapor y un tanque de agua caliente.Siendo recomendable en la mayoría de los casos, contar con un tanque de agua caliente grande, y una caldera de vapor relativamente pequeña.Para calcular las necesidades de agua caliente para diferentes servicios, es necesario considerar los siguientes factores:

1. Obtención de la demanda total en litros.2. Elevación de la temperatura del agua.3. Determinación de la capacidad de almacenamiento del tanque de agua caliente.4. Selección del equipo de calentamiento necesario (caldera).

Explicación de términos usados:*Posible demanda máxima.- Cantidad total de agua requerida en cualquier periodo normal.*Probable demanda máxima.- Cantidad máxima de agua caliente que probablemente va a ser requerida en un momento dado.*Duración de la probable demanda máxima.- Periodo de duración, de la máxima demanda probable.*Elevación de la temperatura.- Es la diferencia de temperatura entre el agua fría proporcionada, y la temperatura a la que se desea tener.*La obtención de la demanda máxima, puede ser hecha, usando las tablas de requerimientos de agua caliente, o también a través de mediciones reales de la totalidad de instalaciones.*La elevación de la temperatura puede ser determinada por la mínima diferencia entre la temperatura del agua de suministro, y la temperatura necesaria para los diferentes servicios.*La selección de la caldera requerida, es establecida en términos de habilidad para calentar una fracción o porcentaje de la demanda total de agua caliente, y así determinar la capacidad de la misma. Es decir la selección de la caldera, se hace de acuerdo a la probable demanda máxima.

Para calcular los requerimientos de agua caliente en instalaciones comunes se puede:

1. método para el cálculo por número de cuartos.- La tabla N°1 da una estimación de los requerimientos de agua caliente/ 24 hr

Tabla N°1.- calculo por número de cuartos, agua caliente (lt/día) en 24 hrs

N° cuartos N° de baños por cuarto

APARTAMENTOS YCASASPRIVADAS

HOTELES

OFICINAS

HOSPITALES

1 2 3 4 51 2262 2643 3044 340 4555 375 5306 455 605 7607 530 680 8308 605 760 910 9509 680 830 990 104010 760 910 1070 113011 990 1130 128012 1070 1230 1440 170013 1130 1320 1580 189014 1420 1740 208015 1510 1890 227016 2040 246017 2190 265018 2340 284019 303020 3210Cuarto con sanitario 38Cuarto con baño (transitorio) 190Cuarto con baño (residente) 2302 cuartos con baño 3053 cuartos con baño 375Regadera publica 760Sanitarios públicos 570

Empleados de confianza c/u 10Empleados 15Limpieza por 1000 m2 114

Por cama 300 a 380

2. Dos métodos para la estimación de los requerimientos de agua caliente de un edificio: 2.1. Por el número de personas 2.2. Por el número de equipos instalados

Donde el número de personas que van a utilizar el servicio, pueden ser razonablemente estimadas, con los datos de la tabla N°2.

TABLA N° 2- METODO PARA EL CALCULO POR NUMERO DE PERSONAS

Casas, dptos. HotelesOficinasFabricasRestaurantesrestaurante 3 comidas/díaRestaurante 1 comida/día

Agua caliente requerida por persona lts/día a 60°C

Máxima demanda por hora

Duración de la máxima demanda- hr

Capacidad de almacenamiento

Capacidad de calentamiento

100

38180

1/7

1/51/3

1/10

1/5

4

21

8

2

1/5

1/52/51/101/5

2/5

1/7

1/61/81/101/10

1/6

Ejemplo. – determinar la capacidad de calentamiento de la caldera y la capacidad de almacenamiento del tanque para una residencia de 10 personas Solución.

Demanda total= 10 pers x 100 lts/ día = 1000 lts/día

Máxima demanda por hora = 1000 x 1/7 = 142.85 lits /hr

Capacidad de almacenamiento del tanque = 1000 x 1/5 = 200 lts

Capacidad de calentamiento = 142.85 lts/hr

La tabla N° 3 puede ser usada para determinar el tamaño del equipo de calentamiento de agua a partir del número de equipos. Para obtener la máxima demanda probable, multiplique la cantidad total de demanda por factor de demanda; la caldera o equipo de calentamiento deberá tener una capacidad de calentamiento de agua igual a esta demanda máxima posible y el tanque de almacenamiento deberá tener una capacidad igual a la demanda máxima probable multiplicada por el factor de capacidad de almacenamiento

Albercas.- La temperatura de agua en las albercas debe estar entre 25 y 27 °C. El método más usual para calentar el agua es usando vapor y un intercambiador de calor, aunque algunas veces se prefiere circular directamente el agua de la alberca por una caldera de agua caliente. Como método práctico y económico, se debe considerar que el tiempo para elevar la temperatura del agua debe de ser de 8 a 12 horas.

Q=W Cp△ Tt

W = Volumen de la alberca en litros.Cp = Calor específico del agua = 1t = Tiempo disponible para calentar el agua (8 a 12 Hrs)ΔT = Tf – TiTi = Temperatura promedio del agua antes de calentarse, °C.Tf = Temperatura deseada del agua en la alberca, °C.Q = Calor total necesario por hora.

Nota.- Como cálculo práctico y rápido: cada 10m3 equivale a un C.C. (1 BHP)

SERPENTINES DE VAPOR EN TANQUE DE ALMACENAMIENTO

Con frecuencia es necesario especificar las dimensiones y capacidad del serpentín de vapor requerido en tanques de almacenamiento.La tabla muestra la habilidad de calentamiento de una serie de serpentines de diferentes materiales, considerando agua de alimentación de 5 °C. (41 °F).

Pie2 de superficie por pie lineal con tubería de bronce y cobre.

ESTIMACIÓN DE REQUERIMIENTOS DE VAPOR DE DIFERENTES PROCESOS Y EQUIPOS

BAÑOS: Se requiere una presión de vapor de 0.35 a 0.7 Kg/cm2 (5 a 10 Ibs/pulg2), la temperatura usual es de 43 °C (110 °F) y por cada caballo de vapor se puede calentar 9,3 m 2 (100 pies2) de superficie de radiación. Para una utilización continua y severa de Regaderas estime 1 caballo caldera por regadera.CEMENTERAS: El polvo de cemento contiene 5% de humedad, la cual se seca con vapor de 7 a 10,5 kg/cm2 (100 a 150 Ibs/pulg2). Para calcular el requerimiento de vapor, ver tabla

TEMPERATURA DE LOS INGREDIENTES

CONCRETO PREFABRICADO.- Después de 2 horas de curado se meten los blocks a los hornos, donde se da un calentamiento rápido con vapor a 8,8 kg/cm2, para calentar el horno entre 60 a 70 °C, en 3 horas, a continuación se mantiene el horno a esa temperatura durante otras 3 horas, a continuación se mantiene el horno a esa temperatura durante otras 3 horas. Se debe tener cuidado en que la elevación de la temperatura no sea mayor de 15 °C/hr.Nota.- Como dato práctico: por cada tonelada de blocks, se requiere un CC en ciclos de 3 horas.

CREMERÍAS.- Las bateas con chaquetas de vapor para la fabricación de crema y quesos requieren una presión de vapor de: 7 Kg/cm2 100Ibs/pulg2, y de 15,6 a 40,5 °C, de calentamiento.

Datos prácticos para:630 Kg de crema se requieren 3,2 Caballos Caldera.1820 Kg de crema se requieren 6,3 Caballos Caldera.3400 Kg de crema se requieren 12,0 Caballos Caldera.4220 Kg de crema se requieren 14,5 Caballos Caldera.6350 Kg de crema se requieren 21,0 Caballos Caldera.

ENLATADORAS.- Equipos de 1,83 a 6,2 mts de largo por 1,22 a 1,83 mts de ancho requieren de 15 a 25 CC, las retortas de cocimiento están en el mismo rango, para otros equipos son menores.

7.- SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN DE AGUA A CALDERAS

Uno de los factores principales para la operación óptima de una caldera es el de contar con un sistema de suministro de agua el cual sea adecuado para cada caso en particular. Esto es debido a que es indispensable mantener un nivel de agua constante en el interior de la caldera para que no ocurra un siniestro o falla de algunas de sus partes.Todo sistema efectivo de alimentación de agua a calderas debe contar con:a) Reserva mínima de agua (tanque de almacenamiento)b) Equipo de bombeo.c) Control de sistema.

a. RESERVA MÍNIMA.- La cantidad de agua que se alimenta a una caldera es prácticamente la cantidad de vapor que se produce, por lo tanto la reserva de agua necesaria va en proporción a la capacidad de la caldera. Un criterio recomendable para obtener la cantidad del agua de reserva y la capacidad del tanque es el de almacenar una cantidad mínima de agua suficiente para sostener la evaporación en la caldera por lo menos durante 20 minutos.

b. EQUIPO DE BOMBEO Y CONTROL DEL SISTEMA

Existen 5 criterios de diseño que deben ser considerados antes de que una bomba de alimentación de agua sea seleccionada:1.- Operación continua o intermitente.2.- Temperatura del agua manejada inicialmente.3.- Capacidad.4.- Presión de descarga.

5.- Carga neta de succión positiva (NPSH) requerida.

TÍPICO ARREGLO DE TANQUE DE CONDENSADOS CON TAPAS PLANAS Y BOMBA DE AGUA DE ALIMENTACIÓN

ARREGLO DE TANQUE DE CONDENSADOS CON TAPAS ABOMBADAS Y BOMBA DE AGUA DE ALIMENTACIÓN

CÁLCULO DE LA LINEA DE COMBUSTIBLE PETROLEO PESADO

Las dimensiones de las líneas de combustible son de gran importancia para el buen funcionamiento de una caldera. Se debe tener particular cuidado en las dimensiones de la línea de

8.- COMBUSTIBLES

A.- CALCULO DE LA LINEA DE COMBUSTIBLE PETROLEO PESADOTener cuidado en dimensionar la tubería de succión desde el tanque de almacenamiento a la bomba; la ubicación adecuada de la bomba de combustible, así como la determinación de un vacío de succión (pulgadas de mercurio), dentro de límites aceptables.La succión que será impuesta a la bomba es causada por:1.- La elevación vertical del tanque en la bomba.2.- La caída de presión a través de las válvulas, coladeras, conexiones, etc en línea de succión.3.- Las pérdidas por fricción debidas al flujo del combustible a través de la tubería de succión. Estas pérdidas varía de acuerdo a:a) La temperatura de bombeo de combustible, el cual determina la viscosidad del mismo.b) La cantidad de combustible (GPH) Bombeado.c) La longitud total de la línea de succión (pies).d) Diámetro de la línea de succión.

Dos sugerencias importantes:1.- La succión impuesta a la bomba debe ser de 17 pulgadas de mercurio o menos a la línea central de la bomba de combustible (cuando la bomba está integrada a la caldera).2.- La viscosidad del combustible deberá ser de 4000 S.S.U. o menos.

Si bien, ciertos tipos de bombas para aceite pesado son capaces de desarrollar grandes vacíos, no es práctico que operen por encima de 17 pulgadas de mercurio. Si el vacío es mayor, el combustible puede vaporizarse y causar problemas de bombeo. El punto al cual esto ocurre, depende de las características particulares del combustible. Un vacío máximo de mercurio propiciará también:

a) Desgaste de la bomba. El cual deberá ser considerado cuando bombea aceite pesado.b) La posibilidad de la disminución de la temperatura de bombeo de la que resultará un

incremento en la viscosidad (mayor que 4000 S.S.U.)c) Algunas fallas en los filtros de succión.

Los combustibles más pesados, deberán ser calentados hasta alcanzar una condición de ser trasvasados.El grado más pesado, él combustible N° 6, deberá ser calentado a 115 °F, para que alcance una viscosidad de 4000 S.S.U.

Para sistemas con condiciones diferentes a 10 pies de elevación y 100 pies de línea de succión, usar el siguiente procedimiento:

1. ALTURA DE SUCCIÓN.- Para obtener la altura de succión es necesario: Determinar la distancia vertical (pies) desde el fondo de la tubería de succión al centro de la bomba (bomba remota no integrada a la caldera). Y a partir de la gráfica N° 3 obtener la elevación en pulgadas de mercurio equivalente.

2. CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE VÁLVULAS, FILTROS, CONEXIONES, ETC .- Esta es una conexión variable para cada sistema. Una consideración segura es de fijar 2 pulgadas de mercurio debidas a estas pérdidas. Para obtener la elevación de succión total sume la altura de succión obtenida en el inciso 1, y la altura considerada por estas pérdidas. Reste el valor de la elevación total al valor de la altura de succión permisible para estos casos (17 pulgadas de mercurio). Siendo el resultado obtenido de esta diferencia el dato utilizable para determinar las dimensiones de la línea de succión.

3. CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE LA LÍNEA DE SUCCIÓN.- A partir de la tabla N° 1, y de acuerdo a la capacidad de la caldera (CC) obtenga la capacidad de la bomba (GPH). (Si existen dos calderas con una línea de succión común determine el total de GPH a través de la línea).Finalmente, de acuerdo a la gráfica N° 4 determine la dimensión de la línea de succión, la cual deberá resultar con una caída de presión (pulgadas de mercurio), igual a, o menor que el valor final obtenido en el inciso II.

GRÁFICA N° 3

GRÁFICA N°4

TABLA N°1

TABLA N° 2

B.- CÁLCULO DE LA LÍNEA DE COMBUSTIBLE LIGERO (DIESEL)

Las dimensiones de las líneas Diesel son de gran importancia para el buen funcionamiento de una caldera. Se debe tener particular cuidado en las dimensiones de la línea de succión desde el tanque de almacenamiento hasta la bomba; la ubicación adecuada de la bomba de combustible, así como también la determinación de un vacío de succión (pulgadas de mercurio) que éste dentro de límites aceptables.La succión que será impuesta a la bomba es causada por:1.-La elevación vertical desde el tanque a la bomba.2.- La caída de presión a través de las válvulas, filtros, conexiones, etc, en la línea de succión.3.- Las pérdidas por fricción debidas al flujo del combustible a través de la tubería de succión. Estas pérdidas varían de acuerdo a:a) Temperatura de bombeo del combustible, la cual determina la viscosidad del mismo.b) La cantidad del combustible bombeado (GPH)c) La longitud total de la línea de succión (pies)d) Diámetro de la línea de succión.

Dos sugerencias importantes:1.- La succión empleada sobre la bomba deberá ser:a) 10 pulgadas de mercurio o menos en el bloque de la conexión de combustible cuando la bomba está integrada a la caldera.b) 12 pulgadas de mercurio o menos en la bomba, cuando ésta no esté integrada a la caldera.

2.-La más baja temperatura de bombeo que podríamos encontrar sería algo así como 40 °F (4,4 °C) a esta temperatura la viscosidad del combustible sería de 68 S.S.U.Si bombas de tipo engranes (las cuales son usadas en sistemas de combustible ligero) son capaces de desarrollar grandes vacíos (hasta de 28 pulgadas de mercurio aproximadamente), no es práctico operarlas arriba de 12 pulgadas de mercurio.Si el vacío es mucho mayor, el combustible puede vaporizarse y causar problemas de bombeo.El punto en el cual esto ocurrirá, depende de las características particulares de cada combustible. El uso del vacío máximo de 12 pulgadas de mercurio también propicia:a) La posibilidad de bombear a una temperatura a bajo de 40 °F, de la cual resultaría un

incremento de viscosidad.b) Algunas fallas en los filtros de succión.Puede ser usado para la mayoría de los sistemas, las dimensiones de las líneas de succión recomendadas en la tabla N° 2.Para sistemas con condiciones excedidas de: 10 pies de elevación y 100 pies de línea de succión, use el siguiente procedimiento:

I. ELEVACIÓN EN LA SUCCIÓN

Determine la distancia vertical (pies) desde el fondo de la tubería de la succión al centro de la bomba (Bomba no integrada a la caldera) o a la conexión del block de combustible en la caldera (con la bomba integrada a la caldera). A partir de la gráfica N° 3, determine la elevación en pulgadas de mercurio.

II. CAÍDAS DE PRESIÓN A TRAVÉS DE VÁLVULAS, ACCESORIOS, FILTROS, ETC

Estas son variables para cada sistema, una apreciación segura es considerar 2 pulgadas de mercurio por pérdidas a través de todas las válvulas, accesorios, filtros, etc.Estas 2 pulgadas de mercurio, deben sumarse a la elevación determinada en el inciso I, obteniéndose el total.Reste este total al valor de la altura total permisible (10 pulgadas de mercurio para bomba integrada a la caldera y 12 pulgadas de mercurio para bomba separada de ella). El resto es usado para dimensionar la línea de succión.

III. CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE LA LÍNEA DE SUCCIÓN

Con referencia a la tabla N° 1, obtenga los GPH bombeados según la capacidad de la caldera que va a ser usada (HP).(Si existen dos calderas con una línea de succión común, determine el total de GPH a través de la línea).De acuerdo a la gráfica N° 4 o N° 5, determine la línea de succión, la cual debe tener una caída de presión (pulgadas de mercurio) igual o menor que la diferencia resultante en el inciso II.

GRÁFICA N° 3

GRÁFICA N° 4

TABLA N° 1

GRÁFICA N° 5

C.- SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN DE GAS

Recomendaciones:Un regulador de presión de gas debe ser instalado en la tubería de cada caldera. Las siguientes recomendaciones deben ser consideradas en la selección de un regulador.a) El regulador debe tener un rango de presión equivalente al sistema de distribución.b) Capacidad.- La capacidad del regulador debe ser 15% más de la cantidad de gas que puede quemar la caldera para que de una regulación adecuada.c) Ajuste del resorte.- El resorte deberá ser apropiado para ajustarse en un rango del 50 % abajo y 50% arriba de la presión de regulación seleccionada.d) Precisión en cierre instantáneo.- El regulador debe incluir como característica de fabricación el conservar la presión regulada entre la caldera y éste, y no permitir que se eleve en lo más mínimo la presión cuando se interrumpe el flujo de gas.

Como una observación en la presión de salida (entre el regulador y la caldera) por la elevación cuando no hay flujo de gas.e) Regulador en paralelo.- Este tipo de instalación podrá ser usada si los requerimientos del volumen de gas son muy grandes y si la caída de presión deberá ser reducida a un mínimo.f) Regulador en serie.- Este tipo de instalación podrá ser usada si la presión de gas disponible es de 5,10 o 20 Ibs/pulg2 man., dependiendo de las características del regulador. Un regulador reducirá la presión a 2 o 3 Ibs/pulg2 man, y el segundo regulador reducirá la presión necesaria del quemador.g) Ubicación del regulador.- Por ambos lados del regulador deberá haber tubería recta para asegurar una regulación adecuada.Esto es particularmente importante en los reguladores del piloto.El regulador puede ser localizado cerca de la conexión de gas, pero con 2 o 3 pies de tubería recta del lado de alta presión.

CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE UNA LÍNEA DE GAS

1.- Determinación de los siguientes datos a partir de la capacidad (CC) de la caldera seleccionada.a) Flujo CFH.- A partir de la tabla N° 3.b) Presión requerida a la entrada del tren de gas sobre la caldera (pulgadas de agua), de la tabla N° 4.c) Densidad de gas (proporcionada por el distribuidor).d) Presión garantizada, (pulgadas columna de agua) a la salida del medidor, del distribuidor de gas.

2.- Seleccione un regulador de presión de gas (para instalarlo cerca de la caldera) el cual deberá tener el rango de presión y capacidad adecuada. Consulte con un representante de los reguladores de gas, quien le proporcionará lo siguiente:a) Mínima presión requerida a la entrada del regulador para una apropiada operación (pulgadas columna de agua).b) Caída de presión a través del regulador para el flujo máximo CFH.

3.- Reste el valor obtenido en 2. -a) Del valor obtenido en 1. -d) La diferencia resultante, (pulgadas columna de agua), es la caída de presión permisible que puede ser tomada a partir del medidor a la entrada del regulador.

4.- Suponiendo que la densidad del gas (del inciso 1 –cC), es: 0,50 – 0,75Entonces las gráficas N° 8, 9, 10, 11, 12 o 13, pueden ser usadas para determinar las dimensiones correctas de la tubería. Usando el valor del flujo total de gas CFH (Inciso 1 – a), selecciona la dimensión de la tubería (de acuerdo a la gráfica 8 a 13), la cual debe resultar con una caída de presión igual o menor que el valor obtenido en el inciso III.

9.- CHIMENEAS

1. Finalidad.- es conducir los gases de combustión a un lugar seguro de descarga. Un diseño con tiro forzado, elimina la necesidad de diseñar una para crear el tiro.

2. Tiro.- a. Caída de 4 a 12 pulg de columna de agua, es tomada a través del quemador para

proveer una elevada turbulencia, una buena mezcla de aire / combustible y una elevada cantidad de CO2 , para combustión más eficiente.

b. Caída de 2 a 6 pulg c. a. se da en los cuatro pasos de la caldera, para mantener una alta velocidad de flujo de gases y consecuentemente en la transferencia de calor

3. Localización .- se pueden conectar como se muestra en las figuras siguientes4. Condensación.- la condensación variara con el tipo de combustible y con la temperatura

de los gases. Normalmente la Tg en la base de la chimenea debe ser 52°C (125°F) por encima de la T del vapor o del agua de la caldera; esto ocurre generalmente en aquellas de calefacción. Esto acelera la corrosión de la lámina de la chimenea. Si se quiere reducir al mínimo la corrosión:

i. El tamaño de la caldera deberá ser lo más cercano posible a la carga real de calentamiento. No sobredimensionarlas

ii. Las de mampostería conservan mejor el calor que las de laminaiii. Si es de lámina usar un buen aislanteiv. Usar una de conexión lateral con registro y conexión de purga para

evitar que el condensado regrese a la caldera5. Peso.- la conexión de ella permite una carga vertical de 910 kg (2000 lb)6. Construcción.- puede ser construida por arriba de varios metros del nivel del techo,

según normas, códigos vigentes7. Material.- lamina de calibre N° 12es recomendada. si estas van a quedar inaccesibles,

usar material anticorrosivo, con sombrero para minimizar la entrada de lluvia, nieve o impurezas

10.- LINEAS DE VAPOR

El flujo de vapor depende de la diferencia de presiones en la tubería, de la resistencia de la misma y de las características físicas del vapor. Independiente del costo hay que tener presente:

¿Qué caída de presión se permite en tuberías?¿Qué velocidad deberá permitírselo al vapor?¿Cuál es el tamaño comercial más adecuado?Si el vapor viene o va de una válvula reductora y evitar usar tuberías de diámetro pequeño se debe tener en cuenta:

1. La caída de presión variara al variar el flujo, lo cual ocasiona problemas en la operación del sistema

2. Por altas velocidades el vapor fácilmente erosiona las tuberías, los codos y cambios de dirección

3. La alta velocidad del vapor produce ruido infernal

En la siguiente tabla muestra las velocidades recomendadas

Características del vapor velocidad (pies/min)

Vapor de agua al alto vacío 12 000 – 18 000Vapor de agua a un vacío moderado 9000 – 12 000Vapor de escape (húmedo) 4200 – 6 000Vapor saturado seco 6 000 – 9 000Vapor sobrecalentado 9 000 – 12 000Agua líquida 4 200 – 4 800

Se pueden usar las tablas siguientes para determinar la caída de presión, teniendo en cuenta:- Mientras más baja sea la presión del vapor, mayor tamaño de tubería se requerirá, ya

que aumenta el volumen especifico- A mayor flujo (mayor velocidad) se incrementa la caída de presión para un tamaño de

tubería dado. CALCULO DE LA LÍNEA DE VAPOR

Se debe tener en cuenta: flujo de vapor, presión del flujo, caída de presión admisible, longitud total de la línea incluido accesorios y usar grafica I LV y II LV.

CAIDA DE PRESION EN LINEAS DE VAPORSe debe tener en cuenta lo siguiente: diámetro de la tubería, flujo de vapor (lb/hr), presión del flujo; es primordial el uso de los diagramas I CP y IICP. La caída de presión es para cada 100 pies de tubería; tener datos como: cedula de la tubería, flujo de vapor, presión del flujo de vapor.

DRENADO DE TUBERIAS PRINCIPALES DE VAPOR

Un drenaje deficiente de condensado y un sistema de trampas de vapor inadecuado afectan a:- Control deficiente de temperatura- Formación del golpe de ariete- Corrosión en los equipos

Para un eficiente drenado es recomendable el uso de: válvulas reductoras de presión, trampas, controles de temperatura y otras válvulas automáticas de vapor y tener ciertas consideraciones como:

- Método de calentamiento de la tubería- Proporcionar los depósitos adecuados para recibir el condenso- Selección apropiada del equipo- Tener una buena instalación

Los depósitos colectores (piernas colectoras) se colocan en los puntos mas bajos del drenaje, por ejemplo:Al final de tuberías principales

Al fondo de tuberías verticalesDelante de uniones de expansiónDelante de válvulas reductoras de presión y reguladores de temperaturaSeparadores de humedad

En instalaciones con tuberías largas es recomendable colocar trampas de vapor en intervalos entre 200 y 500 piesEn toda tubería de vapor la carga de condenso más grandes ocurren durante el periodo de calentamiento. La tabla I CV muestra la cantidad de vapor necesaria para el calentamiento de tubería por cada 100 pies de diferentes diámetros y la tabla II CV muestra la carga de condenso debidas a las perdidas por convección y radiación en tuberías principales de vapor.Hay que tener en cuenta del tipo de calentamiento, si es abierto o supervisado. El supervisado se realiza en plantas que arrancan una vez al año o más, acá no se usan trampas d vapor, sino válvulas manuales; ejemplo en ingenios azucareros, plantas termoeléctricas, etcEn el calentamiento abierto, se arranca la caldera, permitiendo que las líneas y los equipos alcancen gradualmente su p y T de operación, sin ninguna ayuda material ni manual; el calentamiento de la tubería se realiza a diarioLas cargas de condensado debida a las perdidas por radiación y convección son menores a las debido al calentamiento de la tubería

Cargas de condensadoLa carga de condensado puede ser determinada se determina por consumos de vapor de equipos drenados, pero la carga real instantánea muchas veces puede ser mayor que el consumo de los equipos, esto de acuerdo al tipo de trampa ce vapor instalada.Cuando la carga de condenso normal no es conocida, la carga se puede determinar por:

a. Calentamiento de agua con vaporM (lb/cond /hr) = (gpm/2) . ∆t (°F)

b. Calentamiento de petroleo con vapor

M (lb cond/ hr) = (gpm/4) . ∆t (°F)

c. Calentamiento de aire con serpentines de vapor

M (lb cond /hr) =V (pie3 /min)/ 900. ∆t (°F)

d. Radiacion de vapor

M (lb cond/ hr) = V (pie2 EDR/ 4

e. Esterilizadores, autoclaves, retortas de calentamiento de materiales solidos

M (lb cond/ hr) = W. Cp. ∆t/ L.T, donde: w = peso del material, lbCp = calor especifico del material∆t = aumento de temperatura del material, °FL = calor latente del vapor, btu/lbT = tiempo en horasNota: la carga de condensado para calentar el equipo deberá ser agregada a la carga de condensado para el calentamiento del material.

f. Calentamiento de líquidos en marmitas y chaquetas de vapor

M (lb cond /hr) = G. S. Cp. ∆t. 8.3 / L.T; donde:

G = galones de líquido a calentarCp =calor especifico del liquido∆t = aumento de temperaturaL = calor latente del vaporT = tiempo (hr)S = densidad relativa del liquido

g. Secadores o evaporadores con chaquetas de vapor

M (lb cond / hr) = 1000 (Wi – Wf) + Wi.∆t / L; donde:

Wi = flujo másico inicial del material, lb/hrWf =flujo másico final del material, lb/hr∆t = aumento de temperatura, °FL = calor latente de vapor, btu/lb

h. Calentamiento de aire con vapor: tuberías de serpentines y radiación

M (lb cond /hr) = A. U . ∆t / L ; donde:

A = área de la superficie de calentamiento, pie2U = coeficiente de transferencia de calor (convección natural)∆t = temperatura del vapor menos la temperatura del aire, °FL = calor latente del vapor, btu/ lb

11.- CALCULO DE LAS LINEAS DE RETORNO DE CONDENSADOSCuando se descarga cierta cantidad de condensado caliente en la línea de retorno, cierta parte “flashea” y se convierte en vapor. Como el vapor tiene mayor volumen que el líquido y evitar presiones excesivas la velocidad recomendable de la mezcla debe ser 5000 pie/min aproximadamente. La grafica I RC está diseñada para cumplir dos propósitos:

- Para calcular la velocidad de un sistema existente- Para dimensionar una línea de retornoa. Par un sistema existente.- se necesita: presión de vapor, tamaño de la línea, presión en

la línea de retorno, cargas de condensado.b. Dimensionamiento de una línea de retorno de condensado.- se necesita: Presión del

vapor, carga de condensados, presión de la línea de retorno, velocidad permisible en la línea de retorno.

velocid permisible( piemin ) x100cargade condensado( lb

hr)

=veloc( piemin ) por cada100lb /hrLuego con la presión del vapor y la de descarga en el diagrama obtener el factor de escala, finalmenteVelc (pies/min) por cada 100 lb/hr = Va / factor de escala; con este dato entrar al diagrama y tomar el valor más cercano superior para tuberías de 2”

Para tuberías arriba de 3” se sigue el mismo procedimiento y en caso de que la presión de la línea de retorno sea mayor a las presiones mostradas en grafico I.R.L, el factor de

escala se calcula por: F . E .=36.2V (hp−hr )L(hp−180)

; donde:

V= volumen especifico a la presión de la línea de retornohp = entalpia del líquido a la presión del vaporhr = entalpia del líquido a la presión de la línea de retornoL = calor latente del vapor a la presión de la línea de retorno

12.- LAS TRAMPAS DE VAPOR Es una válvula automática que realiza las siguientes funciones:a. Drenar el condensado formadob. Eliminar el aire y los gases incondensablesc. Eliminar cualquier suciedad presente en el vapor y/o los condensosd. No permitir el escape del vapor

Muchos de los problemas se originan por fallas en el sistema de drenaje, estas son:a. No usar trampas de vaporb. Usar una trampa de tamaño inadecuadoc. Usar un tipo de trampa no adecuado

Las trampas de vapor son de tres tipos: mecánicas, termostáticas y termodinámicas.a. Trampas mecánicas.- funcionan detectando la diferencia de densidad que existe entre el

vapor y el condenso; como las trampas combinadas de flotador termostáticas y las de cubeta invertida

b. Trampas termostáticas.- funcionan detectando la diferencia de temperatura entre el vapor y el condenso que se ha enfriado; tipo fuelle o tipo bimetálico

c. Trampas termodinámicas.- son válvulas cíclicas

13.- LOS GASES INCONDENSABLES El aire entra al sistema y también el oxígeno liberado se encuentra presente para atacar y provocar corrosión, el vapor siempre esta acompañado de CO2 . El agua disuelve fácilmente el CO2 y lo libera al ser calentado. Cuando se cierra la alimentación de vapor, el que se encuentra dentro de las tuberías se condensa y forma un vacío que es roto lentamente por fugas de aire en juntas, prensa-estopas. Existen dos problemas en la remoción del aire en una planta:

1. Plantas intermitentes.- se llenan de aire en cada paso y debe proveerse algún medio para remover este aire tan rápida y completamente como sea posible

2. Plantas continuas.- deben ser equipadas con dispositivos que venteen el aire presente en el vapor

Existen formas de remover el aire:1. Usar tuberías de venteo abierto.- es antieconómico2. Usar válvulas de venteo manuales.- ocasiona problemas en el abrir y cerrar3. Usar un eliminador de aire automático.-deben ser colocados en los puntos de

acumulación de aire o puntos remotos4. Usar una trampa drenadora de condenso con capacidad inherente de venteo de aire

14.- TANQUES FLASHLa T del condensado de alta presión es menor que la T de saturación del vapor de alta y cuando este condenso caliente se descarga a una zona de menor presión, su T cae inmediatamente a la Tsat de la zona de baja, el calor liberado durante esta disminución de la T evapora parte del condensado produciendo “vapor de flash” o simplemente “flash”. El condensado hay que

enviarlo al tanque flash donde sus vapores son venteados a la atmosfera o a otra línea de vapor y luego enviarlo a la caldera a un drenaje; este tanque debe ser lo suficientemente grande para asegurar vapor seco e impedir arrastres de gotas de líquido.

15.- REGULDORES DE TEMPERATURA

Un efectivo control de la T y la ausencia de problemas en el mantenimiento de los reguladores depende del correcto dimensionamiento y selección un regulador muy grande puede fallar, ya que puede operar periodos largos de T y uno pequeño puede no ser suficiente para los momentos de demanda máxima y ocasionar un incremento en el tiempo de calentamiento. Sus dimensiones deben ser determinadas por la capacidad real de vapor requerido y no por las dimensiones de la tubería. Para una selección apropiada es necesario:

1. La capacidad de vapor requerida2. Presión de suministro del vapor delante de la válvula3. La caída de presión tolerable a través de la válvula

Nota.- donde es imposible calcular la caída de presión, tomar entre el 35% a 40% de la presión de suministro, valor bastante razonable.