Trabajo Práctico de Diseño de Sistema de Vapor

7/21/2019 Trabajo Práctico de Diseño de Sistema de Vapor

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Año 2015 Trabajo Práctico Diseño de un sistema de

distribución de vapor

Universidad Nacional de MisionesFacultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales

Alumnos:

Diaz Daiana Jennifer IQ01659

Martín Simon IQ01701 Morza Juan Pablo IA00161

Rocholl Analia IA00232 Romero Agostina IA00228 Sonntag Müller Elizabeth IQ01689 Terlecki Dering Ivan IQ01571 Tibolla Andrea IA00241



Problema

La planta en donde trabajo cuenta con una caldera cuya presión de trabajo

es de 12 bar r y una capacidad de carga de 5.000 kg/h. Actualmente, se ocupan

2.350 kg/h en diferentes sistemas.

Se necesita diseñar un sistema de distribución de vapor para abastecer a

un intercambiador de calor que tiene una superficie de calentamiento de 2

m2 y se necesita calentar un caudal de agua de 50 a 75ºC. Se conoce el valor U

que ha sido fijado en 1250 W/m2ºC, y el vapor puede ser suministrado a una

presión manométrica de 6 bar. Presión máxima admisible 7 bar r.

El sistema se encuentra ubicado a 15 metros del colector principal de

distribución de vapor a 8 bar y la derivación a 250 metros de la caldera.

Será importante mantener el control de la temperatura de salida del

agua en el intercambiador de calor.

El condensado se podrá enviar a una línea colectora de condensados que

pasa a 150 metros de distancia del sistema y a una altura de 3 metros, con unacontrapresión en la línea de 0,5 bar.



1) Diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID)

2) Cálculo de la carga de vapor que necesita el sistema

= ∗ ∗

A una P abs = 7bar, la temperatura del vapor es de aproximadamente 164,2 °C.

Con ésta podemos obtener la DMLT

= 1 − 2

− 2 − 1

=(5 0 − 7 5)°

164,2 − 75 164,2 − 50

= 101,2 °

Como ya tenemos, el área podemos calcular cuánto calor se transfiere en una

unidad de tiempo



= 2 ∗ 1250

°∗ 101,2 °

= 253000

Ahora se puede calcular el vapor necesario, teniendo en cuenta que:

= ℎ ∗

λ= 2066 kJ/kg

ℎ =

=

253 /

2066 /∗

3600

ℎ

= , /

La carga de vapor que necesitará el sistema es de aproximadamente 441 kg/h

3) Calculo de flujo de vapor

Las pérdidas de carga se toman como 1% por cada 30 m. Como la distancia del

sistema al colector es de 15 m, la pérdida será del 0,5% y para calcular el nuevo

flujo de vapor se tiene en cuenta este porcentaje (0,005 expresado en tanto por 1):

ℎ = 440,85

ℎ∗ 1,005

= /

El flujo de vapor necesario, teniendo en cuenta las pérdidas de carga es de 443

kg/h

4) Prueba de factibilidad técnica

Como la diferencia entre la capacidad de carga de la planta y lo que se ocupa en

otros sistemas es:

5000 /ℎ – 2350 /ℎ = 2650 /ℎ

Y para este sistema son necesarios 443 kg/h de vapor, la cantidad de carga

disponible en la planta es más que suficiente para abastecer también a este

sistema

5) Calculo de la presión de vapor en el punto de derivación



La longitud de la tubería hasta el punto de derivación es de 250m y teniendo en

cuenta una pérdida de carga de 0,3bar por cada 100m de tubería:

∆ = 250 ∗0,3

100 = 0,75

Entonces la presión de vapor en el punto de la derivación:

∆ó = 12 − ∆ = 12 − 0,75 = 11,25

6) Dimensionamiento de las tuberías

Para el cálculo vamos a utilizar el grafico para dimensionar tuberías de vapor

saturado y vapor recalentado de Spirax Sarco mediante el método de velocidad

máxima de vapor aceptable, que nosotros vamos a considerar de 25 m/s.

Considerando:

Temperatura de vapor en el punto de derivación (de tabla con la presión de

11,25 bar) = 188,95°C

Presión en el punto de derivación = 11,25 bar

Flujo másico total = 443 kg/h

Velocidad máxima aceptable = 25 m/s



El diámetro de tubería que obtenemos es de 35mm aproximadamente.

7) Dimensionamiento de las tuberías de retorno de condensado

Primero vamos a calcular la línea desde la trampa de vapor hasta el tanque

colector de condensado para ello primero tenemos que tener en cuenta el

condensado que se separaría en esta primer trampa de vapor, que se produce por

lo general en la puesta en marcha del sistema. Para esto utilizamos la calculadora

de Spirax Sarco para “cálculos de puesta en marcha y pérdidas en

funcionamiento” que está disponible en su página web.

Consideramos:

http://www2.spiraxsarco.com/ar/resources/calculators/pipes/start-up-and-running-losses.asp






Una tubería de ANSI Schedule 80 apta para tuberías de vapor.

Tamaño nominal de tubería 40mm ya que es el próximo más cercano a lo

obtenido anteriormente.

La longitud de tubería equivalente vamos a calcular teniendo en cuenta que

para tuberías de longitud menores a 100m se considera un 20% adicionalen la caída de presión debido a accesorios y demás perdidas. Conforme a

esto calculamos y tenemos que la longitud equivalente es de 15m *1.2=18m

Presión de vapor = 11,25 bar

Temperatura ambiente = 25°C

El tiempo en que se pone en marcha vamos a suponer de 15 minutos.

En cuanto a la ubicación de la tubería vamos a considerar que esta en el

exterior expuesto.



Según los cálculos la cantidad de condensado en la puesta en marcha es de

15,79kg/h y una vez que el sistema esté en operación esta cantidad de

condensado, considerando un aislante de 50mm es de 3,04kg/h.

Paso siguiente con el valor de condensado en la puesta en marcha,

dimensionamos el tamaño de esta tubería usando nuevamente la calculadora dela página web para dimensionamiento de tuberías nuevas con una sola línea de

descarga. Considerando:

Acero como material de tubería

Velocidad de revaporizado y condensado estándar

Presión del condensado, se refiere a la presión del tanque de condensados

que como está abierto a la atmosfera es de 0 bar

Presión aguas arriba es de 11,25 bar

Caudal másico del condensado que calculamos anteriormente que es de15,79 kg/h

De acá podemos ver que el diámetro nominal de tubería necesario es de 10mm.

http://www2.spiraxsarco.com/ar/resources/calculators/pipes/single-discharge-line.asp





En segundo lugar vamos a calcular la tubería desde la salida del intercambiador

de calor hasta la trampa de vapor teniendo en cuenta:

El flujo másico de condensado usado para el cálculo es el máximo que es el

que se da en la puesta en marcha, este se estima como dos veces el

caudal normal = 2 ∗ 443

= 886

De la tabla, considerando aceptable una pérdida de carga de 0.3mbar/m el

diámetro de tubería seria de 32mm.

En tercer lugar el cálculo de la tubería desde la trampa de vapor hasta el tanque

de condensados no es necesario, es decir vamos a optar por tomar 32mm como

en el caso anterior, ya que consideraríamos el caudal máximo que se da en el

arranque del sistema.

En cuarto lugar calculamos el tramo desde la bomba de condensado hasta la

línea de retorno, para ello el caudal de diseño debe contemplar no los máximos si

no los caudales de condensado normales que provienen de ambas trampas de

vapor que son 3,04kg/h que proviene del punto de derivación y el caudal de

condensado que proviene de la trampa de vapor que se encuentra a la salida del

intercambiador que es de 443kg/h. Estos caudales al estar trabajando a presiones

mayores que 4bar pueden variar del calculado debido a fenómenos de

revaporización. Para calcular este caudal de condensado real vamos a utilizar la

calculadora disponible en la página web de Spirax Sarco:

http://www2.spiraxsarco.com/ar/resources/calculators/flash-steam/saturated-condensate.asp





De aquí tenemos que el caudal de condensado que debería manejar la bomba y

por ende esta línea es de 388,31

+ 2,61

= 390,92

. Con este valor podemos

calcular ahora el diámetro de la tubería para este tramo de la siguiente tabla:



De aquí que para un caudal de 390,92

, tenemos un diámetro de tubería de

25mm con una pérdida de carga aceptable de 0.3mbar/m.

Dimensionamiento de bomba

Vamos a utilizar el grafico stall chart de Spirax Sarco para ver si es necesario un

sistema de bombeo. Considerando:

Temperatura de entrada del agua al intercambiador = 50°C Temperatura de salida del agua del intercambiador = 75°C

Presión de entrada al intercambiador =6bar

Contrapresión en la descarga del vapor del intercambiador que será la

suma de la presión de condensados que es de 0,5 bar, la presión a vencer

debida a la altura 3 m c.a ( aproximadamente 0,3bar) y la caída de presión

debido a la fricción de los 150m de tubería que según la tubería elegida

anteriormente esta presión seria de

∆ó = 150 ∗ 0,3

∗

1000

= 0,045

Entonces podemos estimar esta contrapresión como:

∆ó = ∆ó + ∆ + ∆í

∆ó = 0,045 + 0,3 + 0,5 = 0,845





Presión de accionamiento de la bomba, la limitante es que disponemos de

vapor a aproximadamente 11bar por lo que podemos optar por una presión

de 1,5bar

Altura de llenado suponemos de 0,3 para evitar multiplicar por un factor de

corrección

Utilizando el grafico provisto por Spirax Sarco para bombas automáticas MFP14 :

De aquí vemos que para las condiciones establecidas, la bomba MFP14 DN25

satisface las necesidades. Para el accionamiento requiere vapor a 1,5bar como

máximo y antes de que ingrese al tanque de condensados y al intercambiador

tenemos vapor a 11,25 bar disponible.

8)

Dimensionamiento y selección de una trampa de vapor

Se procederá a dimensionar y seleccionar la trampa de vapor que se encuentraluego del intercambiador.

Viendo los catálogos de Spirax Sarco se concluyó que el tipo de trampa de vapor

a utilizar para este tipo de situaciones es el de la gama FT.



Para el dimensionamiento de la trampa de vapor se tuvieron en cuenta los

siguientes datos, como ser el caudal de 443 kg/h, sin embargo debe ser capaz de

manejar los condensados durante la puesta en marcha, es decir, 886 kg/h.

La presión antes de la trampa de vapor es de 6 bar r y descarga a un tanque que

se encuentra a presión atmosférica ( 0 bar r ).

Con el grafico que será mostrado a continuación podremos seleccionar

adecuadamente nuestra trampa de vapor:

En el grafico se puede observar que se puede seleccionar el modelo Spirax Sarco

FT20 (14bar).



Dimensionamiento del separador de gotas

Para dimensionar el separador de gotas utilizamos el grafico para separadores de

Spirax Sarco. Nuestro caudal es de 443 kg/h y la presión es de 11,25 bar.

Eligiendo la curva con la velocidad correspondiente de 25m/s en la línea, tenemos

un separador S5 DN25 del fabricante Spirax Sarco con una caída de presión

menor a 0.05 bar.

Dimensionamiento y selección de una válvula de seguridad

Para el dimensionamiento y selección de la válvula de seguridad, debemos tener

en cuenta el caudal de 443 kg/h que deberá manejar y por otra parte la presión de

seteo, obtenida a partir de la presión máxima admisible de 7bar r.





Observando el gráfico podemos optar por una válvula DN20, por ende podemos

utilizar una válvula reductora de presión Spirax Sarco DP17 pilotada:

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