Calculo de Diametro de Tuberias

1 CALCULO DEL DIAMETRO DE TUBERIAS

Para el cálculo de los diámetros recurriremos a los datos y a las fórmulas dadas en clase, las cuales se muestran a continuación:

Tabla de velocidades del vapor y otros procesos

Tabla de velocidadesProceso velocidad unidades

Tuberías en general 200-500 pies/minuto

Descarga de bombas 300-600 pies/minuto

Tuberías de servicios 300-600 pies/minuto

Tuberías de succión 200-500 pies/minuto

Tuberías de alim. Caldero

500-600 pies/minuto

Vapor AP Sobrecalen. 10000-150000 pies/minuto

Vapor AP Saturado 6000-10000 pies/minuto

Vapor BP 4000-6000 pies/minuto

Para el cálculo del área de la sección de la tubería por donde pasará el vapor

A=144(mv∗vV ) [ pulg2 ] ……(1)

Donde:A Área de la sección [pulg2]m Flujo másico de vapor [lb/min] Volumen específico del vapor [pie3/lb]V Velocidad del vapor [pies/min]

Para el cálculo del diámetro se tiene:

d=√ 4∗Aπ

[ pulg ] ……(2)

Donde:d Diámetro calculado de la tubería [pulg]

A Área de la sección [pulg2]

Para el cálculo del número de cédula

SN=1000∗PSE

……(3)

Donde:P Presión de trabajo [ksi]SE Máximo esfuerzo de trabajo del material [ksi]

Para verificar el espesor de la tubería seleccionada, utilizaremos la fórmula de la Norma ASME B31.1 Power Piping:

tm=P∗Do

2 (SE+P∗y )[ pulg ]…… (4 )

Donde:tm Espesor mínimo de la tubería [pulg]P Presión interna de trabajo [ksi]Do Diámetro exterior de la tubería [pulg]SE Esfuerzo máximo admisible del material [ksi]

1.1 Circuito de Vapor

1.1.1 Línea de tubería de la salida de la caldera recuperadora al distribuidor de vapor (3 X Tramo 10)

Condiciones de trabajo del tramo 10 (Datos de la primera parte de la

monografía):

P10 360 barh10 3445.5 kJ/kg

vapor sobrecalentadov10 0.0095561

5m3/kg

T10 616.61 °C

m10 58.45 kg/s

Para el cálculo del área de la tubería comenzaremos utilizando la ecuación (1):

A=144(mv∗vV ) [ pulg2 ]

Para los siguientes datos:

mv 10=58.46kgs

=7756.744 Lbmin

v10=0.00955615m3

kg=0.153072 pie3

lb

V 10=11000piemin

Reemplazando valores tenemos:

A=144( 7756.744∗0.15307211000 )A=15.543 pul g2

Ahora para el cálculo del diámetro de la tubería utilizaremos la ecuación (2)

d=√ 4∗Aπ

[ pulg ]

d=√ 4∗15.543π

d=4.448 pulg

Según las tablas de dimensiones estándar de tuberías, para ello ver el Anexo 1.1 seleccionaremos un diámetro:

d=5 pulg

Para el cálculo del número de cédula utilizaremos la ecuación (3)

SN=1000∗PSE

La norma ASME B31.1 Power Piping posee las tablas de acero al carbono para

el transporte de vapor, del cual seleccionamos convenientemente: Acero al carbono A106-C. Los esfuerzos de trabajo se tienen en la tabla A-1 del ANEXO 1.2:

SE=20ksi

Tenemos: P=360 ¿̄5221.36 psi=5.221 ksi

SN=1000∗5.22120

SN=261

Este valor es demasiado elevado por lo que comprobaremos utilizando la fórmula del

ASME, la ecuación (4) y para un valor de y=0.7 para T=616.61 °C:

tm=P∗Do

2 (SE+P∗y )[ pulg ]

Diámetronominal

Diámetroexterior

5 pulg 5.563 pulg

tm=5.221∗5.563

2 (20+5.221∗0.7 )

tm=0.6139 pulg

Por lo tanto seleccionamos:

ACERO AL CARBONO A106-C, DN= 5pulg y SCH 160

1.1.2 Línea de tubería de la salida del distribuidor de vapor a la entrada de la turbina de alta presión (Tramo 11)


monografía):

P11 165 Bar

h11 3445.5 kJ/kg

vapor sobrecalentadov11 0.020779 m3/kg

T11 555 °C

m11 175.91 kg/s


A=144(mv∗vV ) [ pulg2 ]


mv 11=175.91kgs

=23268.91 Lbmin

v11=0.0207786m3

kg=0.33283527 pie3

lb

V 11=15000piemin


A=144( 23268.91∗0.3328352715000 )A=74.35 pul g2


d=√ 4∗Aπ

[ pulg ]

d=√ 4∗74.35π

d=9.73 pulg


d=10 pulg


SN=1000∗PSE


el transporte de vapor, del cual seleccionamos convenientemente: Acero al carbono A106-B. Los esfuerzos de trabajo se tienen en la tabla A-1 del ANEXO 1.2:

SE=17.1ksi

Tenemos: P=165 ¿̄2393.122 psi=2.393 ksi

SN=1000∗2.39317.1

SN=139.94

Revisando la tabla de tuberías estándar para un d=10 pulg, tomamos un valor de

SCH140.

Este valor es demasiado elevado por lo que comprobaremos utilizando la fórmula del

ASME, la ecuación (4) y para un valor de y=0.7 para T=555 °C:

tm=P∗Do


Diámetronominal

Diámetroexterior

Espesor

10 pulg 10.75 pulg 1 pulg

tm=2.393∗10.75

2 (17.1+2.393∗0.7 )

tm=0.685 pulg<1 pulgCUMPLE‼!


ACERO AL CARBONO A106-B, DN= 10 pulg y SCH 140

1.1.3 Línea de tubería de la salida de la turbina de alta presión a la entrada del recalentador (Tramo 12)


monografía):

P12 30 bar

h12 2860.232 kJ/kg

vapor sobrecalentadov12 0.070900

7m3/kg

T12 251.202 °C

m12 175.91 kg/s


A=144(mv∗vV ) [ pulg2 ]


mv 12=175.91kgs

=23268.91 Lbmin

v12=0.0709007m3

kg=1.1357 pie3

lb

V 12=15000piemin


A=144( 23268.91∗1.135715000 )A=253.69438 pul g2


d=√ 4∗Aπ

[ pulg ]

d=√ 4∗253.69438π

d=17.9725 pulg


d=18 pulg


SN=1000∗PSE


el transporte de vapor, del cual seleccionamos convenientemente: Acero al carbono A106-B. Los esfuerzos de trabajo se tienen en la tabla A-1 del ANEXO

1.2:

SE=17.1ksi

Tenemos: P=30 ¿̄435.113 psi=0.435113ks i

SN=1000∗0.43511317.1

SN=25.445


SCH30.

Este valor es demasiado elevado por lo que comprobaremos utilizando la

fórmula del ASME, la ecuación (4) y para un valor de y=0.4 para T=251.202 °C:

tm=P∗Do


Diámetronominal

Diámetroexterior

Espesor

18 pulg 18 pulg 0.438 pulg

tm=0.435113∗18

2 (17.1+0.435113∗0.4 )

tm=0.2267 pulg<0.438 pulgCUMPLE‼!



1.1.4 Línea de tubería de la salida del recalentador a la entrada dela turbina de baja presión (Tramo 13)


monografía):

P13 30 bar

h13 3579.54 kJ/kg


T13 554.407 °C

m13 175.91 kg/s


A=144(mv∗vV ) [ pulg2 ]


mv 13=175.91kgs

=23268.91 Lbmin

v13=0.125083m3

kg=2.0036015 pie3

lb

V 13=15000piemin


A=144( 23268.91∗2.003601515000 )A=447.567 pul g2


d=√ 4∗Aπ

[ pulg ]

d=√ 4∗447.5675π

d=23.87176 pulg


d=24 pulg


SN=1000∗PSE


el transporte de vapor, del cual seleccionamos convenientemente: Acero al carbono A106-B. Los esfuerzos de trabajo se tienen en la tabla A-1 del ANEXO

1.2:

SE=17.1ksi

Tenemos: P=30 ¿̄435.113 psi=0.435113k si

SN=1000∗0.43511317.1

SN=25.445


SCH30.


fórmula del ASME, la ecuación (4) y para un valor de y=0.7 para T=554.407 °C:

tm=P∗Do


Diámetronominal

Diámetroexterior

Espesor


tm=0.435113∗24

2 (17.1+0.435113∗0.7 )




1.1.5 Línea de tubería de la salida de la turbina de baja presión a la entrada del proceso industrial (Tramo 15)


monografía):

P15 4.5 bar

h15 3056.4 kJ/kg


T15 296 °C

m15 20.546 kg/s


A=144(mv∗vV ) [ pulg2 ]


mv 15=20.546kgs

=2717.7706 Lbmin

v13=0.576531m3

kg=9.23487492 pie3

lb

V 13=15000piemin


A=144( 2717.7706∗9.2348749215000 )A=240.946 pul g2


d=√ 4∗Aπ

[ pulg ]

d=√ 4∗240.946π

d=17.515 pulg


d=18 pulg


SN=1000∗PSE


el transporte de vapor, del cual seleccionamos convenientemente: Acero al carbono A106-A. Los esfuerzos de trabajo se tienen en la tabla A-1 del ANEXO

1.2:

SE=13.7 ksi

Tenemos: P=4.5 ¿̄65.267 psi=0.065267ks i

SN=1000∗0.06526713.7

SN=4.764


SCH10.


fórmula del ASME, la ecuación (4) y para un valor de y=0.4 para T=296 °C:

tm=P∗Do


Diámetronominal

Diámetroexterior

Espesor


tm=0.065267∗18

2 (13.7+0.065267∗0.4 )



ACERO AL CARBONO A106-A, DN= 18 pulg y SCH 10

1.1.6 Línea de tubería de la salida de la turbina de baja presión a la entrada del desgasificador (Tramo 16)


monografía):

P16 1.2 bar

h16 2805.9 kJ/kg


T16 166 °C

m16 15.46 kg/s


A=144(mv∗vV ) [ pulg2 ]


mv 16=15.46kgs

=2045.00792 Lbmin

v16=1.67238m3

kg=26.788477 pie3

lb

V 16=15000piemin


A=144( 2045.00792∗26.78847715000 )A=525.9134 pul g2


d=√ 4∗Aπ

[ pulg ]

d=√ 4∗525.9134π

d=25.877 pulg


d=26 pulg


SN=1000∗PSE


el transporte de vapor, del cual seleccionamos convenientemente: Acero al carbono A106-A. Los esfuerzos de trabajo se tienen en la tabla A-1 del ANEXO

1.2:

SE=13.7 ksi

Tenemos: P=1.2 ¿̄ 17.4045 psi=0.0174045 ksi

SN=1000∗0.017404513.7

SN=1.27


SCH10.


fórmula del ASME, la ecuación (4) y para un valor de y=0.4 para T=296 °C:

tm=P∗Do


Diámetronominal

Diámetroexterior

Espesor


tm=0.0174045∗26

2 (13.7+0.0174045∗0.4 )




1.1.7 Línea de tubería de la salida de la turbina de baja presión a la entrada del condensador (Tramo 14)


monografía):

P14 0.090 bar

h14 2405.688 kJ/kg

vapor húmedov14 15.02 m3/kg

T14 36.16 °C

m14 139.89 kg/s

X14 0.9271

Para el cálculo de la tubería consideraremos que el vapor se encuentra como

vapor saturado.

El cálculo para la tubería hacia el condensador debido a su alto flujo másico será

repartido entre 2 entradas al condensador, debido a que el condensador ser

encontrará debajo de la turbina de vapor, la cual entregará el vapor ya turbinado

al condensador a través de los diámetros que vamos a calcular. Más adelante

mostraremos el diseño de un condensador.

- Para el cálculo del área de la tubería comenzaremos utilizando la ecuación (1):

A=144(mv∗vV ) [ pulg2 ]


mv 14=139.892

kgs

=69.945 kgs

=9252.14 Lbmin

v14=15.02m3

kg=240.593 pie3

lb

V 16=10000piemin

(Considerandolo como vapor saturado)


A=144( 9252.14∗240.59310000 )A=32054.4 pul g2


d=√ 4∗Aπ

[ pulg ]

d=√ 4∗32054.4π

d=202.022 pulg=5.131m

Este indica que ambas entradas que van a condensador, el cual se encontrará en la parte inferior de la turbina de vapor, serán de 5.131 m de diámetro.

Esta disposición fue tomada en base a la central térmica de la Bahía de Bizkania, la

cual posee características parecidas a las nuestras.

1.2 Circuito de agua y condensado

1.2.1 Línea de tubería de la salida del condensador a la entrada de la bomba 2 (Tramo 6)

Condiciones de trabajo del tramo 6 (Datos de la primera parte de la monografía):

P6 0.060 bar

h6 151.494 kJ/kg

Líquido saturadov6 0.0010064

4m3/kg

T6 36.16 °C

m6 139.84 kg/s


A=144(mv∗vV ) [ pulg2 ]

Si utilizamos 3 bombas para enviar el condensado del condensador al desgasificador:

mv 6=139.843

kgs

=46.613 kgs

=6165.88849 Lbmin

v6=0.00100645m3

kg=0.01612146 pie3

lb

V 6=500piemin


A=144( 6165.88849∗0.01612146500 )A=28.628 pul g2

d=√ 4∗Aπ

[ pulg ]

d=√ 4∗28.628π

d=6.0374 pulg


d=6 pulg y SN=40

DN=6 pulg.→do=6.625 pulg. y dt=0.28 pulg .

Comprobamos el diámetro interno:

d i=DN−2∗dt=6.625−2∗0.28

d i=6.065 pulg.>6.0374 pulg .Ok !

Comprobaremos el espesor utilizando la fórmula del ASME, la ecuación (4) y para un

valor de y=0.4 para T=36.16 °C y para un material de Acero al carbono A53-A Los

esfuerzos de trabajo se tienen en la tabla A-1 del ANEXO 1.2:

SE=13.7 ksi

tm=P∗Do


tm=0.00087023∗6.625

2 (13.7+0.00087023∗0.4 )




1.2.2 Línea de tubería de la salida de la bomba 2 a la entrada del desgasificador (Tramo 7)

Condiciones de trabajo del tramo 7 (Datos de la primera parte de la monografía):

P7 1.2 bar

H7 151.494 kJ/kg

Líquido saturado

V7 0.00100644

m3/kg

T7 36.16 °C

m7 139.84 kg/s


A=144(mv∗vV ) [ pulg2 ]

Si utilizamos 3 bombas para enviar el condensado del condensador al desgasificador:

mv 6=139.843

kgs

=46.613 kgs

=6165.88849 Lbmin

v6=0.00100645m3

kg=0.01612146 pie3

lb

V 6=500piemin


A=144( 6165.88849∗0.01612146500 )A=28.628 pul g2

d=√ 4∗Aπ

[ pulg ]

d=√ 4∗28.628π

d=6.0374 pulg


d=6 pulg y SN=40

DN=6 pulg.→do=6.625 pulg. y dt=0.28 pulg .

Comprobamos el diámetro interno:

d i=DN−2∗dt=6.625−2∗0.28

d i=6.065 pulg.>6.0374 pulg .Ok !

Comprobaremos el espesor utilizando la fórmula del ASME, la ecuación (4) y para un

valor de y=0.4 para T=36.16 °C y para un material de Acero al carbono A53-A Los

esfuerzos de trabajo se tienen en la tabla A-1 del ANEXO 1.2:

SE=13.7 ksi

tm=P∗Do


tm=0.00087023∗6.625

2 (13.7+0.00087023∗0.4 )




1.2.3

Calculo de Diametro de Tuberias

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