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Capitulo 2
CAPITULO 2
DISEÑO DEL CALDERO PIROTUBULAR VERTICAL
INTRODUCCION
En el presente capitulo se va a proyectar al diseño del caldero pirotubular para la
propuesta en la construcción de los procedimientos de construcción de un modelo de
caldero pirotubular vertical para la Empresa Jara.
Para lograr este propósito se va a desarrollar lo aprendido en el modulo del Curso de
Graduación “CALDERAS”. El capitulo tratara de enfocarse al desarrollo de los
procedimientos de construcción de un modelo de caldero pirotubular para la Empresa
Jara
Las calderas o generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el
calor de un combustible sólido, liquido o gaseoso vaporizan el agua para aplicaciones en
la industria.
La caldera pirotubular vertical tiene los finales de los tubos expuestos a los productos de
la combustión y tiene otras superficies planas que requieren arriostramientos con acero
estructural para evitar un espesor de chapa excesivo.
2.1 DEFINICON DE CALDERA
Una caldera es un recipiente cerrado a presión, en el cual se calienta un fluido para uso
externo. El calor necesario para calentar y vaporizar el agua puede ser suministrado por
un hogar, por gases calientes recuperados a la salida de otro aparato industrial, por
irradiación solar o por una corriente eléctrica.
2.2 CALDERAS PIROTUBULARES
En estas calderas los gases calientes pasan por el interior de los tubos, los
cuales están rodeados de agua. Generalmente tiene un hogar integral, llamado caja de
fuego, limitado por superficies enfriadas por agua.
Estas calderas con tubos de retorno se utilizan en pequeñas centrales industriales debido
a sus pequeñas capacidades de producción de vapor, presiones limitadas y baja
velocidad de producción de vapor. El cuerpo de la caldera, está formado por un cuerpo
cilíndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de
transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor.
2.3 CALDERAS PIROTUBULARES VERTICALES
La caldera vertical de tubos de humos es compacta, ideal para espacios
reducidos (tintorerías, lavanderías, planchados industriales, etc.) cuyos requisitos de
presión y capacidad entran dentro del alcance de este tipo de caldera.
Figura 2.1. Caldera pirotubular vertical
2.4 CALCULO DE LA CALDERA.
Para el cálculo de la caldera vertical se partirá de datos de requerimiento de la fábrica
obtenidos por la caldera, el cual los tubos de humos se encuentran en posición vertical y
están parcial o completamente rodeados de agua. Para aumentar la eficiencia de este
tipo de calderos muchas veces se utilizan dos pasos de humos.
En esta clase de calderas de tubos de humo, los productos de la combustión pasan a
través del interior de los tubos con el agua rodeándolos por el exterior. Las calderas
de tubos de humo generalmente son utilizadas para capacidades de 22 kg/h y presión
de 21kg/ 2cm , por encima de esta capacidad y presión se usan las calderas de tubos
de agua.
Los tubos en todas las calderas pirotubulares según la norma ASME deben ser
laminados y mandrilados (chaflanados) o laminados y soldados. Los tubos son
mandrilados o achaflanados en sus bordes externos para evitar que los finales de tubo
sean quemados por los gases calientes en esta zona .El mandrilado también incrementa
la transferencia de calor cerca de la chapa final del tubo y la unión de este. Las pestañas
o rebordes del extremo del tubo son achaflanadas en aproximadamente 1/16” (
1.6mm)en diámetro sobre el diámetro exterior del tubo de modo que permita al tubo
introducirse sobre la placa sin dañar el taladro de esta.
2.5 DATOS DE LA CALDERA
Tabla 2.1. Datos de la Caldera a construirse en Talleres Jara
Datos:
DATOS GENERALES
Marca: Ninguna.
Modelo: Vertical
Procedencia: Nacional.
Año de adquisición: 1998
DATOS TÉCNICOS
Presión de trabajo: 70 psi (máx)
Presión de diseño: 100 psi.
Capacidad de vapor: 135 kg/h
Temperatura de vapor: 130 °C
INFORMACIÓN DEL COMBUSTIBLE
Clasificación: Liquido
Tipo: Diesel
Presión de trabajo: 70 psi
2.5.1 CALCULO DE LA POTENCIA DEL CALDERO.
Donde:
SW Flujo másico de vapor kcal/kg597.27h C@0 fg
15.44 Factor de conversión
hfg Calor latente a 0°C
kcal/kg597.27h Cfg@0
Por lo tanto; de la presión de trabajo (70 psi), se obtiene las entalpías de salida y
de entrada; siendo: hsalida = 655.39 kcal/kg (Vapor a 70 psi.) y la temperatura de vapor
saturado de 148.9 y la de alimentación de 20°C, siendo un liquido comprimido
0.02382)-kJ/kg(4.72 0.00100220.03h
PPvhh
ent
Csat@20f@20CCf@20ent
kcal/kg 03.20h ent
T entrada 20°C
T salida 100°C
P entrada = 70 psi 413,685438 Kpa
P salida = 70 psi 413,685438Kpa
comprimidoliqh kcal/kg 03.20
hkgW
psicmkgP
VAPOR /18,101
70/72.4 2
fg
entradasalidaS
calderoh
hhWPot
*44.15
*
satvaph 655.39 kcal/kg
Tabla 2.2 Valores de entalpias correspondientes a temperaturas y presiones del caldero
Remplazando:
Para calderos de vapor recomendado por las casas constructoras se aplica un
factor de seguridad de 1.2 la potencia del calderos seria:
2.5.2 CALCULO DEL NUEVO FLUJO MÁSICO DE VAPOR:
Para el cálculo del nuevo flujo masico de vapor remplazamos la potencia del caldero
2.5.3 DIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DEL
CALDERO.
Estas clases de calderos están formados por dos partes principales:
-Cuerpo
-Quemador
2.5.4 ESTUDIO DEL CUERPO
El cuerpo esta compuesto por:
-Coraza
HPPot
hkcal
kgkcalhkgPot
caldero
caldero
97.6
/27,597*44.15
/03.2039,655*/18,101
HPPot
Pot
caldero
caldero
36.8
%)120(*97.6
hkgW
BHPW
hh
PothW
VAPOR
VAPOR
entradasalida
calderofg
VAPOR
/34.121
)03.2039,655(
36.8*27,597*44,15
**44,15
-Espejos (placas perforadas)
-2 Tapas
-Tubos
-Hogar
-Placas deflectoras en los carretes
-Chimenea.
2.5.5 ESTUDIO DE LOS TUBOS
2.5.5.1 DIÁMETRO DE LOS TUBOS
Para estas potencias relativamente bajas, las casas constructoras recomiendan
tubos de 2 pulgadas IPS 40; esta nomenclatura le da un diámetro interno de 52.48 mm y
un diámetro externo de 60.3 mm con estos diámetros se puede calcular el espesor de la
pared del tubo. Siendo la presión de trabajo de 70 psi, podemos calcular el esfuerzo
ejercido sobre la tubería y determinar así si el diámetro obtenido es apropiado.
2.5.5.2 ESFUERZO EJERCIDO SOBRE LAS PAREDES DE LOS
TUBOS
Se puede apreciar el la figura de abajo como se encuentran actuando las fuerzas
sobre los tubos que se encuentran en la parte interna del caldero.
P=70Psi
Figura 2.2 Fuerzas actuantes sobre los tubos
Del libro de Ferdinand P. Beer Johnston (pagina 375) utilizamos la ecuación para
recipientes a presión ( /tr*PσRadial ), siendo el esfuerzo admisible del material 250
MPa para tensión y compresión:
Por lo que:
p = presión ejercida en la pared exterior del tubo.
r = radio del tubo (diámetro exterior)
t = espesor de la pared
P = -482633,010522Pa (70 psi) (el signo menos indica que el elemento se
encuentra en compresión)
r = (60.3/2) mm = 0,03015m
t = 0,00391m
Aplicando la ecuación, tenemos:
El signo negativo hace referencia a que el tubo esta sometido a un esfuerzo de
compresión y que para la presión mostrada este si soporta; debido a la facilidad de
adquisición del material en el mercado se lo puede utilizar
2.5.5.3 LONGITUD DE LOS TUBOS.
La longitud de los tubos esta en función de formulas experimentales en las que cada una
de ellas es una función de la potencia; así recomendamos la siguiente ecuación.
L = 0,048*Pot Caldero + 0,3
L = 0,048(8.36) + 0,3
L = 0.701 m
t
rpRadial
*
MPa71.3σ
a3189927.4Pσ
0,00391m
0,030m*a482633,01Pσ
Radial
Radial
Radial
2.5.5.4 CALCULO DEL ÁREA DE CADA TUBO
2.5.5.5 ESTUDIO DEL ÁREA DE CALEFACCIÓN.
Esta área tiene parámetros diferentes a los elementos sólidos, este valor es una
función de la potencia del caldero, y se encuentra en muchas fórmulas experimentales
dadas por las casas constructoras.
La ecuación que se recomienda es:
A calefacción = 0,465*PCaldero – 0,004
A calefacción = 0,465*8.36 – 0,004
A calefacción = 3.88 m2
2.5.5.6 CALCULO DEL NÚMERO DE TUBOS
2.5.5.7 DISTRIBUCIÓN DE LOS TUBOS
2
/
/
/
132,0
701,0*0603,0*
**
mA
A
LDA
tuboc
tuboc
iatranferencexteriortuboc
29#
132,0
88.3#
#
2
2
/
tubos
tubos
TUBOC
NCALEFACCIÓtubos
m
m
A
A
Para la distribución de los tubos en los espejos deben tener una distribución de
triangulo equilátero; con este tipo de distribución logramos obtener mayores eficiencias
al momento que se este produciendo la transferencia de calor .Las casas constructoras
recomiendan una distancia entre tubos de 1.25 a 1.75 del diámetro de los mismos.
Figura 2.3 Distribución de tubos sobre el espejo
Para el diseño del caldero a realizar se ha tomado un valor de 1.5, quedando el
paso de los tubos de: 1.5 * D = 1.5 * 60.03= 84mm:
Por lo que:
c = 84 mm
2.5.6 DIÁMETRO DEL ESPEJO.
Las casas constructoras que construyen calderos recomiendan diámetros de
espejo de 1,06 m hasta una potencia de hasta 100 BHP. Para este caso se recomienda
elaborar un cilindro a partir del perímetro de una plancha de acero comercial, la cual
tiene las siguientes dimensiones 1,22m x 2,44m x 8mm, en el cual el diámetro del
espejo seria:
mD
mD
PerimetroD
espejo
espejo
espejo
7766,0
44,2
Figura 2.4.Diámetro del hogar
2.5.7 ESFUERZOS EJERCIDAS SOBRE LAS PAREDES DEL
CALDERO
Aplicando la ecuación para recipientes a presión ya descrito anteriormente y
siendo el esfuerzo admisible del material para acero de construcción igual a 250 MPa, y
teniendo los datos de la fuerza (P) 482633,010522 Pa (70 psi); el radio (r) 0,39 m y el
espesor de pared (t) de 0,008m,se tendría:
Pa423528359.2σ
m 0,008
m 0,39*Pa482633.010σ
Radial
Radial
El cual el 23.5 MPa representa el 9.4% del esfuerzo admisible. Sin embargo
optamos por el espesor mencionado ya que en muchos casos las empresas donde
funcionan estos calderos no los tienen en operación todo el día; esto provoca grandes
inconvenientes en las paredes del caldero tal como oxido debido a la interacción con la
humedad del ambiente.
2.5.8 ESTUDIO DEL HOGAR.
El hogar es un tubo cuyo diámetro debe estar entre el 40 y el 45% del espejo.
mmD
D
DD
hogar
hogar
espejohogar
019,033,0
425,0*7766,0
%5.42*
Es decir que este diámetro podrá ser de 31 ó 35 cm optando por 32 cm de
diámetro exterior
La posición de este tubo en el espejo depende exclusivamente en la distribución
que el ingeniero le de a los tubos en los espejos, es decir que puede subir o bajar a lo
largo del eje vertical de tal forma que asegure que sobre el mismo existen dos filas de
tubos y que tenga el área para acumulación de vapor tal como muestra el grafico.
Figura 2.5. Grafico de porcentaje de vapor
El área para el vapor debe tener 20% de la altura del diámetro del espejo.
2.5.8.1CALCULO DE ESFUERZOS EJERCIDAS SOBRE LAS
PAREDES DEL HOGAR
En la gráfica se puede observar como se encuentran actuando las fuerzas sobre el
hogar:
P=70 Psi
Figura 2.6. Fuerzas ejercidas sobre las paredes del Hogar
La ecuación utilizada anteriormente para recipientes a presión y con un esfuerzo
admisible del material (acero construcción) de 250 MPa para tensión y compresión
tenemos:
Siendo:
p = la presión al exterior del hogar.
r = radio del tubo
t = espesor de la pared
P = -482633,010522Pa (70 psi)
r = (0,32/2) = 0,16m
t = 0,008m
Aplicando la ecuación, tenemos
t
rpRadial
*
MPa62.9σ
a9652660.2Pσ
0,008m
0,16m*a482633,01Pσ
Radial
Radial
Radial
Por lo que el esfuerzo de 9.62 MPa indica que las paredes del hogar están
sometidas a un esfuerzo de compresión y que para la presión mostrada este si soporta; y
si en los peores de casos el espesor no fuese el adecuado el hogar en estas condiciones
se comprimiría, sin embargo otros de los motivos por los cuales podemos utilizar este
material es que se lo encuentra fácilmente en el mercado.
2.6 CÁLCULO DEL VOLUMEN PARA ACUMULACIÓN DE
VAPOR.
El volumen para acumulación de vapor es un segmento circular que se encuentra en la
parte superior, en el eje vertical su separación debe ser el 20% de la altura del diámetro
del espejo.
hogartubos
hg1
0
222
f VVm0,955*dxxr22
m700,*
4
0,776*πV
Donde: r se refiere al radio del caldero r = 0,388 m. Siendo el requerimiento de
diseño 20% del diámetro del hogar para acumulación de vapor ,entonces la altura para
el vapor será:
hogartubos
3
f
hogartubos
33
f
VV0,288mV
VV0,123m0,165mV
2.6.1 VOLUMEN DE LOS TUBOS
m0,15hg
0,2*0,7766hg
20%*Dhg espejo
3
tubos
2
tubos
tubostuboc/tubotubos
m0,058V
29*m0,701*4
0,0603*πV
N*L*AV
2.6.2 VOLUMEN DEL HOGAR
Para el hogar no se utilizara tubo debido a que su costo es muy elevado y no se
encuentra con facilidad en el mercado por lo que se construirá de plancha de acero de
8mm.
3
hogar
2
hogar
m05580.V
m0,695*4
m0,32*πV
De este modo remplazando los valores en la ecuación de acumulación de vapor
se tiene el volumen total que va a ocupar el liquido:
3
f
333
f
m0,219V
m0,055m0,058m 0,332 V
El volumen para la acumulación de vapor se obtiene directamente:
3
g
33
g
3
2
g
m0,043V
m0,288m0,331V
m0,288m0,701*4
m0,776*πV
Con los cálculos realizados se comenzaría a dibujar los espejos con la
distribución de los tubos y ubicación del hogar.
N tubos = 36
Figura 2.7 Distribución de Tubos en los espejos
Como se puede observar en la grafica están mas números de tubos a los
calculados (29),esto es debido al aumento que se tendrá en el área de calefacción.
Al momento de quemarse el combustible en el hogar, se producen temperaturas
elevadas que oscilan entre los 900°C, mientras tanto el interior del caldero se mantiene a
una temperatura aproximada de 150°C, por lo tanto se tiene un diferencial de
temperaturas elevado y por lo tanto la transferencia de calor es mucho mayor que en los
siguientes pasos.
Una vez que los gases de combustión salen del hogar, estos chocan en las tapas
posteriores del caldero, para luego pasar por tubos de diámetro menor; los tubos
mencionados se encuentran a los costados del hogar. La transferencia de calor
disminuye considerablemente en comparación con el hogar ya que la temperatura de los
gases de combustión es menor.
Figura 2.8 Temperatura de combustión en el caldero
La distribución mostrada en el grafico anterior permite colocar mas tubos a los
calculados (29) 36 tubos; que permiten aumentar considerablemente la eficiencia del
caldero. Pero el volumen de líquido que puede ingresar al caldero será menor.
2.6.3 NUEVO VOLUMEN DE LOS TUBOS
tubostuboc/tubotubos N*L*AV =0.002855*0.701*36
3
tubos 0.07204mV
Remplazando valores en la ecuación:
hogartubos
3
f
hogartubos
33
f
VV0,288mV
VV0,123m0,165mV
3
f
333
f
m0,1576V
m0,0558m0,07240,288m V
Por lo que ingresara 157.6 litros de agua en la parte interna del caldero
2.7 CALCULO DEL TANQUE DE DIARIO
El volumen de este tanque debe ser suficiente para 20 minutos de trabajo del
caldero. Este tanque garantiza el abastecimiento de agua al interior del caldero. Existen
muchos riesgos con los calderos uno de estos es que el caldero se quede sin agua en su
interior, por eso es indispensable contar con este tanque y que el mismo tenga suficiente
agua para el tiempo requerido.
El volumen de líquido debe ser 70% del volumen del tanque.
litrosV
V
m
kg
h
kgW
líquido
líquido
agua
vapor
18.101
1000
18,101
1000
18,101
3
Para las dimensiones de este tanque, se recomienda la relación L = 3*D. es decir
la razón que se maneja en la mayoría de recipientes de líquidos.
L = 3*0,393m L=1,18m
2.7.1 POTENCIA DE LA BOMBA DE ALIMENTACIÓN DE AGUA
En esta ecuación nos dará la potencia en caballos de vapor (CV):
Q = caudal de la bomba en m3/seg.
ρ = densidad del agua en kg/m3
η = rendimiento de la bomba (aprox. 75%)
hw = trabajo de la bomba (puntos 1-2)[m]
Para obtener el trabajo de la bomba utilizamos la ecuación de Bernoulli:
De la cual podemos decir que:
100%
%70 18.101
x
litros
litrosV que 54.144tan
CVhQ
P wBOMBA
75*
**
fw hP
g
VZh
P
g
VZ 2
2
22
1
2
11
22
mD
mVD
DDV
DLV
que
que
que
t
que
que
393,0
*3
4*144,0
*3
4*
4
***3
4
**
tan
33
tan
2
tan
2
tan
tan
02
2
1
g
V y 0
2
2
2
g
V
Ya que la velocidad se aproxima a cero.
En muchos casos el tanque de diario esta casi a la misma altura que el nivel de
agua del caldero: Z1 = Z2
De esta forma se tiene:
2.7.2 CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS POR FRICCION hf:
Partiendo de la ecuación de Darcy:
L = Tubería de ingreso al caldero (2,5m).
D = Diámetro interno de la tubería (1,5pulg).
FL = Sumatoria de las pérdidas de presión provocadas por las válvulas.
Calculo de la velocidad V de flujo fV :
2.7.3 CÁLCULO DEL FACTOR DE FRICCION f:
fw hPP
h 12
D
LL
g
vfh
F
f *2
*2
smV
smV
D
QV
f
f
Tuberia
Calderof
/030,0
10*1.38*
/00003477,0*4
*
*4
23
3
2
.
Esta en función del número de Reynolds y el factor de rugosidad (e/d).Para
tubería galvanizada se tiene un factor de fricción ine 0018.0
El número de Reynolds se encuentra utilizando la ecuación:
Siendo:
CalderometricodelCaudalvoluQCaldero
:.
=0.0000347 sm /3
2/*001.0: msNdelflujocinematicaViscocidad
Ya que se trata de un flujo laminar, es decir siendo el número de Reynolds
menor a 2000 utilizaremos la formula:
Las perdidas en los accesorios son:
0012,0
5,1
0018,0
D
e
D
e
61.1159Re
101*10*1.38*
1000*0000347,0*4Re
**
**4Re
33
2
.
x
D
Q
tuberia
OHCaldero
0551,0
61.1159
64
Re
64
f
f
**
**4Re 2
.
tuberia
OHCaldero
D
Q
f
D)*k(LΔ iF
Siendo:
ki = Factor de pérdida en cada accesorio.
Obteniendo en nuestra instalación de tubería dos válvula de globo 10k , una
válvula de flujo unidireccional 5.2k y tres codos de 90º 9.0k .
Con lo cual:
El trabajo de la bomba se simplifica a la diferencia de presiones [m] más las pérdidas
por fricción obtenida:
49.24m
m
N9800
m
N010.826334
9800
psi70
12
3
212
γ
PP
γ
PP
Así para la bomba de alimentación seria:
000829,0
0381,0
51.102*
806,9*2
030,0*0551,0
2
f
f
h
h
mh
mh
w
w
2408,49
000829,024,49
D
LL
g
vfh
F
f *2
*2
fw hPP
h 12
mL
L
F
F
51.10
0551.0
0381.0*))9.0(35.210(
Para asegurar un flujo constante de combustible al quemador. Se aumentará un
porcentaje de seguridad multiplicando por tres el valor al valor obtenido El factor de
seguridad es recomendado por la experiencia de las casas constructoras.
W69.19
CV1
W735.49*CV.090
real/bomba
real/bomba
bombareal/bomb
P
P
*FSPP
Es difícil encontrar bombas de potencias como esta por eso se ha de buscar la de menor
potencia; siendo la mas cercana 1/2 HP. Este tipo de bombas no brindan un caudal de
0,66 l/s a la presión de 42 metros de columna de agua. Para cada carga se requiere de 1
a 1.5 pulgadas para el llenado de agua al interior del caldero
Con el diseño mostrado en la figura se cuenta con un volumen de alimentación de la
bomba de 11 litros este dato es esencial para el calculo de la bomba; ya se requiere
conocer el caudal de alimentación. Si conocemos que en la fábrica se requiere 125,18
litros/h; entonces podemos tener 11.37 cargas de agua en una hora, compensando de
este modo la temperatura interna del caldero y por ende la producción de vapor.
Sin embargo los constantes encendidos de la bomba, pueden causarle daños. Por tal
motivo se decidió colocar un acumulador para evitar que la bomba se encienda a cada
momento. Con el uso del acumulador, podemos evitar estos inconvenientes ya que este
dispositivo almacena agua en su interior para luego drenarla de manera paulatina. Esto
nos brinda un beneficio, ya que se controla la temperatura interna del caldero; y a su vez
evitamos perdidas de calor por el sobrecalentamiento del interior.
CVP
mkgsmP
BOMBA
BOMBA
030,0
75*75,0
24,49*/1000*/0000347,0 33
CVP
PP
bombareal
bombabombareal
09,0
3*
/
/
CVhQ
P w
BOMBA75*
**
2.8 CALCULO DEL COMBUSTIBLE.
En este caso utilizamos diesel, el cual tiene un poder calorífico de 7200kcal/kg y
una densidad de 920kg/m3.
2.8.1 BALANCE DE CALÓRICO:
2.8.2 CALOR DEL COMBUSTIBLE
Las casas constructoras recomiendan del 200 al 300% como un margen de
seguridad. Siendo este factor de compensación para la eficiencia del caldero y asegurar
el flujo requerido de combustible.
Por lo que utilizando un Factor de seguridad del 300%, se tiene:
2.9 POTENCIA DE LA BOMBA DE DIESEL.
Para el cálculo de la potencia de este elemento, a de ser necesario considerar que
se debe utilizar bombas de desplazamiento positivo, ya que se requiere de presiones
relativamente altas, para poder pulverizar al diesel. Las casas constructoras recomiendan
hkcalq
Wq VAPOR
/10.55708
)78,14939,655(*
hkgW
kgkcalWh
kcal
CPWq
ECOMBUSTIBL
ECOMBUSTIBL
ECOMBUSTIBLecombustibl
/73.7
/7200*10.55708
*
hgalQ
litros
gal
m
litroshmQ
mkg
hkgWQ
ECOMBUSTIBL
ECOMBUSTIBL
ECOMBUSTIBL
ECOMBUSTIBLECOMBUSTIBL
/22.2
78.3
1*1000*/00841,0
/920
/73.7
3
3
3
hgalQ
hgalQ
ECOMBUSTIBL
ECOMBUSTIBL
/67.6
3*/22.2
calcular las potencias para presiones de 80 psi (52m) para pulverizar al combustible al
momento de disminuir su presión en el hogar; entre mayor sea la presión, mucho mejor
será la combustión ya que se mezclan todas las moléculas de combustible con el
oxigeno del aire.
En este caso:
Pero se debe aplicar un factor de seguridad de 300%
En el mercado no se encuentran bombas de potencias como la calculada por eso
se ha de buscar la de menor potencia; siendo la mas cercana de ½ HP. Este clase de
bombas no brindan un caudal de 0,24 l/s a la presión de 80 psi.
Para regular la presión y el caudal de alimentación al quemador se obtará por
utilizar una válvula
2.10 CALCULO DEL AIRE TEÓRICO:
Composición química del combustible (diesel):
Carbono 86% del peso
Hidrogeno 10% del peso
Azufre 4% del peso
Estos valores se quemaran con aire (23% de oxigeno y 77% de Nitrógeno)
CVP
mmkghmP
DIESEL
DIESEL
BOMBA
BOMBA
00492,0
75*75,0
2408.49*/920*3600//022,0 33
CVP
CVP
DIESEL
DIESEL
BOMBA
BOMBA
0147,0
3*00492,0
CVhQ
P wDIESELDIESEL
LBOMBADIESE75*
**
El caudal encontrado para el combustible (2,22 gal/h), se calculó considerando
un eficiencia de 100%, pero al momento que se aplica una potencia real del 70%, el
caudal varía de acuerdo a:
hkg
mkghmlts
mhlts
/02.11Q
/920*/0119.01000
1*/98.11 al3.78lts/1g*3,17gal/hQ
(100/70)*2.22gal/hQ
diesel
333
diesel
diesel
Siendo el caudal real de combustible 3.17 gal/h, se ha de calcular el flujo másico
de aire teórico para elegir el ventilador. Siendo la densidad 920kg/m3 y conociendo que
cada galón tiene 3.78litros:
Entonces nuestro caudal de combustible será 11.02kg/h
Carbono:
C + O2 = CO2
12 32
(11.02*0.86) =9.47
(9.47*32)/12 = 25.28kg de O2/h
El oxigeno se acopla con el hidrogeno para formar el aire.
O2 N2
23 77
25.18 x = 84.60 kg de aire
Entonces el caudal másico del oxigeno para el aire seria:
aire/h de 88.10960.8418.25 kgWAIRE
Hidrogeno:
2H2 + O2 = 2H2O
4 32
(11.02*0.1) x = 8.816 kg de oxigeno/h
O2 N2
23 77
8.816 x = 29.514 kg de aire
Entonces el caudal másico del Hidrogeno para el aire seria:
Azufre:
S + O2
32 32
(11.02*0.04) x = 0,4408 kg de oxigeno/h
O2 N2
23 77
0,4408 x = 1,475 kg de aire
aire/h de 91.1475,1448,0 kgWAIRE
/sm4170.0
3600s/h
kg/h
3
TOTAL
TOTAL
TOTAL
TOTAL
TOTAL
aire
aire
aire
aire
aire
aire
Q
WQ
ρ
WQ
aire/h de 33.3851.29816.8 kgWAIRE
Siendo el flujo total de aire
Densidad del aire
Caudal de Volumen total de aire:
Tomando en consideración el 130% de exceso de aire para una combustión perfecta:
2.11 FLUJO DE GASES DE COMBUSTIÓN EN LAS TUBERÍAS
DEL CALDERO
En base a la experiencia de las casas constructoras se había recomendado tubería
de 2” de diámetro. El cual ha de ser analizado con las ecuaciones de flujo en tuberías
para asegurar el correcto funcionamiento del caldero.
/s0,0000027m
3600s
/h0,01m
3
3
ecombustibl
ecombustibl
Q
Q
327.1
m
kgaire
hmQ
mkg
hkgQ
WQ
AIRETOTAL
AIRETOTAL
AIRE
AIREMASICOAIRETOTAL
/34.122
/227,1
/127.150
3
/
3/
//
hmQ
hmQ
AIRETOTAL
AIRETOTAL
/04.159
3,1*/34.122
3
/
3
/
smQ AIRETOTAL /044.0 3
/
aire/h de 127.15091.133.3888.109 kgWTOTALAIRE
smQ AIRETOTAL /044.0 3
/
La suma de ambos ingresa a la cámara de combustión
El flujo de aire es mayor que el de combustible; siendo este ultimo la milésima
parte del flujo de aire, se puede despreciar y se realizara el análisis con el flujo de aire
mencionado a las temperaturas que se pueden alcanzar en cada paso.
Para efectos de cálculo tomaremos solo el aire para calcular la velocidad al
interior de los tubos; se hará esta simplificación ya que el volumen del combustible
tiende a cero. Sin embargo el combustible es el que determina la velocidad de los
humerales en función de su poder calorífico.
Para el cálculo de los volúmenes se partirá de la ecuación de flujos de gases:
Donde:
Qa = velocidad de flujo en condiciones reales
Qs = velocidad de flujo en condiciones estándar
Patm-s = presión atmosférica absoluta estándar (101,3 kPa)
Patm = presión atmosférica absoluta real
Pa = presión real de medición
Ta = temperatura absoluta real
Ts = temperatura absoluta estándar (285K)
Y conociendo que:
Qs = 0,056m3/s
Patm = 99.97kPa
Pa = (7,094+99.97)kPa
Ta = (900+273)
S
a
atm
satm
saT
T
PaP
PQQ **
Calculando:
2.11.1 VELOCIDAD EN EL 1ER
PASO:
Diámetro del hogar 32 cm, el área transversal será:
Aplicando:
Se tiene:
Considerada una velocidad normal. Pero en el hogar siempre se nota que la
velocidad es mayor, esto se debe a que la flama no ocupa toda el área; por ende esta es
proporcional al área ocupada.
2.11.2 VELOCIDAD EN EL 2DO
PASO:
La temperatura de los humerales en este paso es menor a la que se registra en el
hogar; siendo esta entre 450 y 700 °C, calculando el flujo tenemos:
smQ
smQ
a
a
/088,0
285
1173*
06.10797.99
3,101*/044,0
3
3
2
2
2
080,0
4
32,0*
4
*
mA
A
DA
hogarltransversa
hogarltransversa
HOGAR
hogarltransversa
Area
CaudalVelocidad
smV
m
smV
paso
paso
er
er
/107,1
080,0
/088,0
1
2
3
1
Diámetro de tubería 5.24 cm, número de tubos 36. El área transversal será:
Luego:
2.12 CALCULO DE LA CHIMENEA
La temperatura media de los humos en la chimenea oscila alrededor de los 200
ºC; por lo tanto se ha de diseñar un ducto por el cual puedan salir con facilidad los gases
que circulan por el interior del caldero y su vez se produzca un efecto de succión para
los mismos.
2.12.1 DENSIDAD MEDIA DE LOS HUMERALES
La densidad media de los gases se obtiene con la ecuación de los gases,
considerando la mezcla de gases como un gas ideal:
hh
hhhum
*TR
*vPρ
Donde: kPa 76.99hP (presión atmosférica), hh /ρv 1 (volumen especifico de
los humos), N.m/kg.K 290hR (relación entre la constante universal de los gases
y el peso medio ponderal molecular del gas) y K473273200hT
(temperatura media de los humos).
smQ
smQ
a
a
/058,0
285
273500*
06.10797.99
3,101*/044,0
3
3
2
2
2
/
0764,0
36*4
052,0*
*4
*
mA
A
ND
A
hogarltransversa
hogarltransversa
TUBOC
hogarltransversa
smV
m
smV
/57,1
076,0
/088,02
3
Reemplazando la formula del volumen específico de los humerales y los valores
mencionados, tenemos:
3
2
kg/m 0,85
K 473N.m/kg.K290
Pa99970
hum
hh
hhum
ρ
**TR
Pρ
El caudal volumétrico de los productos de la combustión podrá calcularse, con
muy buena aproximación:
/s0,035m
285
273200*
107.0699.97
101,3*/s0,044m
3
3
humos
humos
a
a
Q
Q
Si estímanos un diámetro de chimenea de 30 cm; la velocidad en la chimenea
sería:
m/s495.0chimeneahumv
2.13 CÁLCULO DE ESFUERZOS PRODUCIDOS POR LA
TEMPERATURA
En nuestro caldero la distribución de temperaturas no es la misma en todo el
caldero, en el interior el agua tiene ligeras variaciones pero podemos decir que es la
misma en todos los puntos. Sin embargo la variación de temperatura en los gases de
combustión es considerable. Produciendo de este modo graves problemas en el diseño.
La temperatura de los gases en el hogar oscila entre los 900ºC, en el segundo
paso se estima 600ºC y la temperatura promedio del agua en el interior del caldero
alrededor de los 120ºC. Siendo materiales homogéneos, podemos estimar una
temperatura promedio en cada paso para el cálculo. Tal como se muestra en las figura:
Figura 2.9.Gases de Combustión en la Chimenea de acuerdo al número de pasos
Al momento de construir el caldero, se lo hace a temperatura ambiente; es decir
20ºC. A esta temperatura, los elementos del caldero se encuentran sin fuerzas internas.
Pero cuando se termina de construir y se realizan las pruebas de funcionamiento, sus
elementos se dilatan proporcionalmente a su temperatura.
La siguiente fórmula relaciona la temperatura, la longitud del material y el
coeficiente de dilatación térmica para poder determinar la dilatación del material:
LT*αδ acero *
Donde, C1/º 10 x 11,7 -6
aceroα (coeficiente de dilatación térmica), T
(diferencia de temperaturas), L longitud del elemento.
El hogar, el segundo paso, así como los espejos son del mismo material, pero la
temperatura a la que están expuestos es diferente; por lo que se calculará para cada
elemento la dilatación térmica:
Tδ *m 1*Cm/º 11,7x10-6
Elemento aceroα
[ Cm/º ]
elementoΔT
[ºC]
elementoδ
[mm]
Hogar 10 x 11,7 -6 500 – 20 4.52
Segundo paso 10 x 11,7 -6 340 – 20 3,12
Coraza 10 x 11,7 -6 120 – 20 0.931
Tabla 2.3 Esfuerzos producidos por la temperatura
Podemos apreciar que la diferencia en cada longitud es significante, por lo tanto
ha de ser necesario calcular los esfuerzos en cada elemento. Pero tenemos que realizar
el análisis con todos los elementos y eso nos llevaría a métodos de cálculo extensos.
Existen herramientas de análisis más sencillas.
2.13.1 ANÁLISIS DE ESFUERZOS ENTRE EL HOGAR Y LA
CORAZA
Como la coraza se encuentra a 120ºC, se calculo una deformación de 0.931mm
mientras que el hogar se mantiene a 500ºC, presentando una deformación de 4.52mm tal
como se muestra en la gráfica:
Figura 2.10 Deformaciones producidas en el hogar y coraza
Las deformaciones en cada caso se realizan en ambas direcciones y se considera
que la separación entre las placas es despreciable; por lo tanto la deformación efectiva
para el análisis será:
mm 1.795
mm 2
0.934.52
hogarcoraza
hogarcoraza
δ
δ
Para encontrar los esfuerzos, podemos utilizar la siguiente ecuación:
A*E
P*Lδ
Donde, P es la fuerza que ejerce el material dilatado sobre el material de
ensamble, L la longitud del material sin deformación, A el área del material sin
deformación y E es el módulo de elasticidad del material (Acero A-36, GPa 200E ).
Y como el esfuerzo que buscamos es: APσ / (considerando que las áreas son las
mismas).
Entonces:
MPa 451
a451000000P
m 0.796
Pa 002000000000*m 0,001795
hogarcoraza
hogarcoraza
hogarcoraza
caldero
acerohogarcoraza
hogarcoraza
σ
σ
σ
L
*Eδσ
Si el esfuerzo admisible es de 250MPa, este cálculo nos indica que existe un
problema en el diseño.
Tomando los cálculos de las deformaciones, podemos ver que entre los tubos del
segundo paso y la coraza existe mayor diferencia de desplazamientos.
L
δ*Eσ
Elemento aceroα
[ Cm/º ]
elementoΔT
[ºC]
elementoδ
[mm]
Hogar 10 x 11,7 -6 500 – 20 4.52
Segundo paso 10 x 11,7 -6 340 – 20 3,12
Coraza 10 x 11,7 -6 120 – 20 0.931
Tabla 2.4 Deformaciones producidas en el Hogar y el segundo paso(Tubos)
Siendo estos:
La deferencia entre las deformaciones se divide para dos, ya que los tubos y la
coraza se deforman en ambas direcciones del eje z. Para el diseño mostrado los
esfuerzos no son los mismos en los elementos mencionados; sin embargo la fuerza
aplicada es la misma:
A
Pσ
Donde P es la fuerza y A es el área transversal de cada elemento
La deformación en ambos elementos será:
corazaTUBOS
coraza
TUBOS
PcorazaPpaso
Pcorazatotal
Ppasototal
δδδ
δδ
δδ
2
2
Como:
A*E
P*LδP
Con las áreas: 25m00730.A
corazaAT y 20.01111m
2pasoTA ; por lo tanto:
mm 1,37
mm 2
1.173.92
2
2
pasocoraza
pasocoraza
δ
δ
N1216036,58
011110
1
007350
1
m 0.796*2
200x10*0,0009310,00312
11
0.796m*2
*0,0009310,00312
9
2
P
,,P
AAP
E
pasoTcorazaT
Con la fuerza encontrada, podemos calcular los esfuerzos en cada elemento:
MPa 109,55
m 0,01111
N 1216036,58
2
22
2
2
pasotubos
pasotubos
pasotubosT
pasotubos
σ
σ
A
Pσ
MPa 165,44
m 0,00735
N 1216036.582
coraza
coraza
corazaT
coraza
σ
σ
A
Pσ
El esfuerzo último para este material es 400 MPa; por lo tanto el factor de seguridad en
cada caso será:
3,65
Pa 109502186
Pa 400x10
2
6
2
pasotubos
pasotubos
FS
FS
2,41
a165497814P
Pa 400x106
coraza
coraza
FS
FS
Se puede apreciar que los factores de seguridad no llegan al recomendado por la ASME
F.S. = 4; la solución a este inconveniente está en el espesor de los espejos.
En los espejos se producen pandeos bidimensionales, de las deformaciones
producidas por la temperatura. En la siguiente figura se muestran los efectos producidos
por una misma fuerza y diferentes espesores de pared:
Figura 2.11. Fuerza ejercida sobre dos placas de diferente espesor
Si la placa tiene mayor espesor la deformación será menor y si tiene menor
espesor la deformación será mayor. Cuando se coloca placas de gran espesor, los
esfuerzos en los tubos, en este caso para el 2do paso, el hogar y la carcasa son mayores.
Por lo tanto, si se coloca un espesor de pared menor se aliviara los esfuerzos en todos
los elementos; no obstante se notaran ciertas deformaciones en los espejos.
Podemos recomendar espesores entre 3/8” y ¼” , escogiendo el de espesor de
placa 6 mm ya que con este espesor se lograra que los esfuerzos sean lo mas mínimo
posible.
2.14 AISLANTE DEL CALDERO
Con el objeto de reducir notablemente las pérdidas por transferencia de calor en
las superficies del caldero, se recubrirá de una capa aislante a la superficie externa del
equipo. La elección del tipo de aislante así como del espesor efectivo se limitará a las
características de los materiales que se encuentran en el mercado. Un aislante muy
conocido y de fácil adquisición es la lana de vidrio, que se lo encuentra en rollos de 15
metros con un espesor de 25 mm y un ancho de 1.2 metros.
El aislante mencionado resulta ideal para nuestra aplicación ya que, su montaje
es sencillo, no representa elevados costos de inversión y posee una excelente resistencia
térmica. Debido a que éste material se lo encuentra por rollos, utilizaremos dos capas
de aislante sobre la superficie del caldero, logrando así un espesor de pared de 50 mm.
Éste a su vez, estará protegido por una chapa metálica que evitará su deterioro.
2,15 TABLA DE RESULTADOS CALCULADOS
calderoPot VAPORW L tubost Numero tubost D
espejo
8.36 HP 121.34 hkg / 0.701 m 36 0.776m
D Hogar PotioTanqueDiarBomba
ECOMBUSTIBLQ DIESELBOMBAP ChimeneaD
0.32m 0.09CV hgal /22.2 C0492,0 V 0.30m
Tabla 2.5.Resultados del Calculo del Caldero
2.16 CONCLUSIONES
En la mayoría de las microempresas dedicadas a la construcción del caldero no saben
cuanto podría ser el riesgo en un caldero cuando no se utiliza el cálculo de construcción,
en si podrían poner en riesgo la vida del o las personas que se encuentran laborando en
la empresa.
El principal problema que se observo con respecto al caldero que construye la
microempresa Jara en comparación con el propuesto, es que en el consumo de
combustible del caldero es de 5 gls/h, mientras que en el propuesto es de 2.2gls/h, esto
es debido a la eficiencia del caldero, es decir mientras mayor es el número de tubos en
el caldero mejor va a ser la eficiencia y el consumo de combustible por ende va a ser
menor.
En la colocación del hogar y tubos existe una diversidad de posicionamientos, pero al
hogar se opto por colocarlo en el centro de los espejos ya que así se disminuirían los los
esfuerzos producidos en el momento de su funcionamiento.
En el momento de que los gases circulan en la parte interna del caldero disminuyen su
temperatura, esto se debe a la interacción que existe con las paredes de los tubos, siendo
así de mayor área en el último paso y menor velocidad de flujo de los gases, para así
lograr reducir la transferencia térmica hacia el agua del caldero.