Gestion Estrategica Final 4

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GESTIÓN ENERGETICA CALCULO DE AISLAMIENTO EN TUBERIAS DE VAPOR Int e gr a n t e s: PAYHUA BRAVO, Jhon BARAZORDA VILLEGAS, Claudio MAMANI MAMANI, Mario AYLAS CALZADA, Johel CASTRO SOLORZANO, INGENIERIA INDUSTRIAL – Gestión Energética Página 1

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Trata de los pronósticos y evolución de ventas

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GESTIÓN ENERGETICA

CALCULO DE AISLAMIENTO EN

TUBERIAS DE VAPORInt e gr a n t e s: PAYHUA BRAVO, Jhon

BARAZORDA VILLEGAS, Claudio

MAMANI MAMANI, Mario

AYLAS CALZADA,Johel

CASTRO SOLORZANO, Sonia

D oce n te:

OSORIOCARRERA, Cesar

Lima, Diciembre 2014

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ÍNDICE:

1. Introducción …………………………………………………………. 3

2. Objetivos …………………………………………………………. 4

a. Objetivos Generales

b. Objetivos específicos

3. Fundamento teórico………………………………………………... 5

4. Problemática ………………………………………….…..………… 15

4.1 Descripción…………………………………………………… 15

4.2 Calculo de la perdida de Calor según datos de Diseño…… 16 4.3 Calculo de la perdida de Calor considerando una capa de

aislante comercial……………………………………………… 17

5. Conclusiones ………………………………………………………. 19

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1. INTRODUCCION

La empresa Constructora Skanska del Perú viene desarrollando el proyecto “Ampliación de la Planta de Ácido Fosfórico” perteneciente a la empresa QUIMPAC S.A.

La Empresa QUIMPAC S.A. cuenta con una división de químicos, que tiene sus centros de operaciones principales en las plantas de Oquendo (Ventanilla) y Paramonga.

La planta de fosfato bicálcico, compuesto usado como complemento alimenticio en la dieta de aves, porcinos y bovinos, y que es producido usando roca fosfórica y ácido clorhídrico de alta pureza. El producto, Phosbic, es exportado a diversos países de América.

La empresa encargada del diseño de la planta fue la Europea TEMPCO, quienes desarrollaron los espesores de aislamiento necesarios para los sistemas de tubería de la planta.

En el proceso se cuenta con líneas de vapor a baja presión y vapor a media presión.

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2. OBJETIVOS

a) Objetivos Generales

Calcular el Aislamiento térmico en tuberías de vapor a media presión.

Analizar el fenómeno de transferencia de calor con la presencia de

aislamientos, teniendo en cuenta el tipo de materiales (conductividad

térmica) y espesor.

b) Objetivos específicos

o Aplicar formulación matemática para calcular el espesor del

aislamiento.

o Escoger tipo de aislamiento térmico para una tubería de vapor.

3. FUNDAMENTO TEORICO

Los aislamientos térmicos son materiales o combinaciones de éstos que se usan

para suministrar resistencia al flujo de calor. La mayor parte de ellos son

materiales heterogéneos, los cuales tienen baja conductividad térmica y contienen

bolsas de aire.

RAZONES PARA AISLAR

• Conservación de la energía

Conservar la energía mediante la reducción de la velocidad del flujo de calor es la

razón principal de las superficies aisladoras. Se dispone con amplitud de

materiales para aislamiento que se comportan de manera satisfactoria en el rango

de temperaturas de -268 °C hasta 1000 °C.

• Protección personal.

Una superficie que está demasiado caliente representa un peligro para las

personas que trabajan en esa zona, ya que pueden tocarla accidentalmente y

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sufrir quemaduras. Para prevenir este peligro y cumplir con las normas de

seguridad, las temperaturas de las superficies calientes deben reducirse por

debajo de 60 °C mediante el aislamiento.

• Mantenimiento de la temperatura del proceso

En la industria química algunos procesos son sensibles a la temperatura y es

necesario aislar los tanques en los que se llevan a cabo, así como las tuberías de

flujo, con el fin de mantener la misma temperatura en toda su extensión.

• Prevención de la corrosión y la condensación

El vapor de agua que existe en el aire se condensa sobre las superficies exteriores

de los tanques o tubos cuando su temperatura cae por debajo del punto de rocío,

a menos de que cuenten con un aislamiento adecuado. El agua líquida sobre las

superficies expuestas de los tanques o tubos metálicos fomentará la corrosión, así

como el desarrollo de algas.

TIPOS DE AISLANTES TÉRMICOS

Los aislantes térmicos (termoaislantes) pueden ser:

1. Materias minerales fibrosas o celulares, como el vidrio, la sílice, las rocas,

las escorias o el asbesto (ya en desuso).

2. Materiales orgánicos fibrosos o celulares, como la caña, el algodón, el

caucho, la madera, la corteza de árbol y el corcho.

3. Plásticos orgánicos celulares, como el poliestireno o poliueretano.

4. Materiales que reflejan el calor (que deben dar a espacios vacíos o llenos

de aire o gas).

Propiedades de los termoaislantes

Las principales propiedades a considerar en la selección de un termoaislante, para

que pueda satisfacer los requisitos específicos de un proyecto determinado.

a) Límites de temperatura. Es importante que los termoaislantes mantengan

sus propiedades, aun sometidos a temperaturas extremas.

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b) Conductividad térmica. Dato necesario para calcular la transferencia de

calor y con base en ello determinar la calidad o eficiencia del termoaislante.

c) pH. grado de alcalinidad o acidez; es una propiedad muy importante, ya que

el termoaislante no debe provocar corrosión.

d) Apariencia. Es significativa en áreas expuestas o visibles.

e) Capilaridad. Importante, sobre todo, cuando el termoaislante pudiera hacer

contacto con líquidos peligrosos o flamables, o en áreas de lavado

frecuente.

f) Combustibilidad. Los termoaislantes no deben contribuir a la propagación

del fuego.

g) Resistencia a la compresión. Es importante cuando el termoaislante pueda

verse sometido a compresión o abuso mecánico que pudiera deformarlo.

h) Densidad. Es importante por su efecto sobre las propiedades del

termoaislante, sobre todo la conductividad térmica.

i) Estabilidad dimensional. Significativa cuando el material se va a ver

sometido a cambios de temperatura, torsiones y esfuerzos por la dilatación

térmica de la tubería o equipo.

j) Procreación de hongos y bacterias. Importante en las industrias de

alimentos, bebidas, medicinas y cosméticos.

k) Agrietamiento. Importante en aplicaciones a muy alta temperatura y durante

el manejo, transporte e instalación del material.

l) Transmisión de sonido. Es importante en el tratamiento de tuberías con

manejo de fluidos a muy alta presión y velocidad, en expansiones y

contracciones de tubería.

m) Toxicidad. Combinada con riesgo de incendio, es muy importante en áreas

transitadas y espacios cerrados.

n) Repelencia a la humedad. Si se tiene baja capilaridad, se tiene alta

repelencia.

Características físicas de los termoaislantes.

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En este punto se describen las características y propiedades de los principales

materiales

termoaislantes usados en instalaciones industriales para alta y baja temperatura.

Silicato de calcio.

Es un termoaislante granular, hecho a partir de silicato de calcio hidratado,

reforzado con fibras orgánicas e inorgánicas y moldeado en formas rígidas. Su

rango de temperatura de servicio es de 308 K (35°C) hasta 1088 K (815°C). Es un

material que absorbe agua, por lo que su uso se recomienda en aplicaciones a

temperaturas superiores a los 710 K (250°C). Debe poder secarse sin deterioro de

sus propiedades físicas originales. Tiene pobre estabilidad dimensional. Es no

combustible y debe colocarse con recubrimiento protectivo.

Fibra de vidrio.

Es un termoaislante hecho a partir del estado de fusión de una mezcla de arenas

con alto contenido de sílice. Según su proceso de manufactura, se presenta en

dos formas.

Vidrio espumado

Es un termoaislante celular, rígido sin aglutinantes ni fibras de refuerzo. Se

presenta en forma de medias cañas, placas, segmentos curvos y preformados

para accesorios de tuberías. Su temperatura máxima de aplicación es hasta 755 K

(482°C). Posee una densidad media, baja resistencia a la abrasión, facilidad de

corte, total impermeabilidad al agua y al vapor, no absorbe fluidos potencialmente

peligrosos, resiste a los ácidos, susceptible en medios alcalinos, buena estabilidad

dimensional y alta resistencia a la compresión (689 kPa)(7,0 kg/cm2). Puede

instalarse sin enchaquetado metálico y en instalaciones subterráneas.

Lana de roca

Es un termoaislante hecho a partir del estado de fusión de roca tipo basáltica o

semejante, con alto contenido de alumino-silicatos. Según su proceso de

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manufactura, se presenta en dos formas.

Perlita expandida

Es fabricada a partir de un mineral silicato complejo, de tipo ígneo llamado

“perlita”, cuya forma granular se expande por la explosión que produce la

humedad contenida en la molécula al exponerse a una alta temperatura repentina.

El producto expandido de la perlita crea una estructura celular de celdas de aire

rodeadas de material vitrificado. Se refuerza con fibras inorgánicas para dar lugar

a placas, medias cañas y segmentos curvos. Es repelente al agua, otorga facilidad

de corte, no corroe al acero inoxidable sujeto a esfuerzo; de densidad media, es

dimensionalmente estable e incombustible. Se protege con enchaquetado de

aluminio. Su temperatura máxima de aplicación es hasta 922 K (649 °C).

Elastomérico

Es un termoaislante celular producido a partir de la mezcla de resinas espumadas

y hules sintéticos. Disponible en tubo preformado y hojas. Su temperatura máxima

de aplicación es hasta 377 K (104°C). Posee baja permeabilidad al agua y al vapor

de agua, facilidad de corte e instalación, buena resistencia al ozono, y resiliencia.

Es combustible, autoextinguible y económico en instalaciones a baja temperatura.

No contiene clorofluorocarbonos.

Poliestireno

Es un termoaislante celular producido a partir del espumado de polímeros

plásticos que dan lugar a un material rígido de celda cerrada. Disponible en

medias cañas y placas. Su densidad comercial es 32 kg/m3 . Su temperatura

máxima de aplicación es hasta 353 K (80°C). No contiene clorofluorocarbonos. Es

un material ligero de excelentes características de corte e impermeable al agua.

Es combustible, aunque se puede producir como autoextinguible. Requiere barrera

de vapor y protección contra intemperie. Es económico en instalaciones a baja

temperatura.

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Poliuretano

Es un termoaislante celular producido a partir del espumado de polímeros

plásticos que dan lugar a un material rígido de celda cerrada. Disponible en

medias cañas, placas y espumado en sitio. Su densidad comercial es 32 kg/m3 .

Su temperatura máxima de aplicación es hasta 383 K (110°C).

Contiene clorofluorocarbonos. Es un material ligero de excelentes características

de corte e impermeable al agua. Su formulación varía con cada fabricante. Es

combustible, aunque se puede producir como autoextinguible. Requiere barrera de

vapor y protección contra intemperie. Es económico en instalaciones a baja

temperatura. NMX-C-220.

4. PROBLEMÁTICA

Se desea calcular el tipo de aislamiento para una tubería de 8”, considerando los siguientes datos:

El sistema de tuberías de la línea de vapor a evaluar será el siguiente:

Denominación: 8” - CS1 – MPS – 0595 – HC

8”: Diámetro Nominal, el diámetro externo real es 21.9 Cm y diámetro interno

es 20.2 Cm y espesor de 0.85 Cm

CS1: “Carbón Steel” tipo 1, Acero al carbono ASTM A53 Gr.B, con

K¿45WmK

MPS: “Medium Pressure Steam ” vapor de media presión, con T° máxima de 200°C, (ver; Piping Class Recomendatión)

0595: Código de identificación de la línea de tuberías. (ver; Isometrico 8” -

CS1 – MPS – 0595 – HC)

HC: “Heat Control” Control de calor, El aislamiento utilizado debe ser para control de calor. El espesor correspondiente a un diámetro de 8” en CS1, es

de 10 Cm y el K=0.045WmK

(ver; Specificatión for insulatión Tempco).

Nota: Se considerara una T° externa de 100°C (T° en la superficie externa del

revestimiento)

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𝑙𝑛ሺ𝑟2/𝑟1ሻ2.𝜋.𝐾𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜.𝐿 𝑙𝑛ሺ𝑟2/𝑟1ሻ2.𝜋.𝐾𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜.𝐿

4.2 Calculo de la perdida de Calor según datos de Diseño.

Se tienen los siguientes Radios:

a.-

qL=

2.π (T 1−T 3)

ln( r 2r 1 )

Kacero+

ln( r 3r 2 )

Kaislante

b.-

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R11

R21

R31

T1=200°C T2 T3=100°C

Radios Radio

R1 10.1 Cm

R2 10.95 Cm

R3 20.95 Cm

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𝑙𝑛ሺ𝑟2/𝑟1ሻ2.𝜋.𝐾𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜.𝐿 𝑙𝑛ሺ𝑟2/𝑟1ሻ2.𝜋.𝐾𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜.𝐿

qL=

2. π (200−100)

ln( 10.95Cm10.13Cm )

45Wm /k+

ln( 15.95Cm10.95Cm )

0.042Wm/k

c.-

qL=40 .14W /m

La pérdida de calor por metro de longitud según el diseño original es de 40.14

W/m.

4.3 Calculo de la perdida de Calor considerando una capa de aislante comercial

Por tema comercial, se utilizó en obra una doble capa de 11 Cm que consiste en una manta de 50mm y un preformado de 60mm.

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R11

R21

R31

T1=200°C T2 T3=100°C

Radios Radio

R1 10.1 Cm

R2 10.95 Cm

R3 21.95 Cm

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a.-

qL=

2.π (T 1−T 3)

ln( r 2r 1 )

Kacero+

ln( r 3r 2 )

Kaislante

b.-

qL=

2. π (200−100)

ln( 10.95Cm10.13Cm )

45Wm /k+

ln( 21.95Cm10.95Cm )

0.042Wm/k

c.-

qL=37.94W /m

La pérdida de calor por metro de longitud según el diseño original es de 37.14

W/m.

5. CONCLUSIONES

La metodología expuesta permite calcular el espesor para la referida obra de

aislamiento térmico y su validez está confirmada, tanto por la literatura consultada,

como por la aplicación y comprobación del espesor de aislamiento en las

instalaciones proyectadas.

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