Sistemas de vapor

Cálculo de tuberíasEjemplo hornos y marmitas

15 m

3 m

0,5 m

0,75 m

1 m1 m

1 m1 m

1 m1 m

1 m

3,5 m

1,5 m

1 m

H 2H 1

M 2

M 1

H 2: Horno 2H 2: Horno 2

H 1: Horno 1H 1: Horno 1

M 2: Marmita 2M 2: Marmita 2

M 1: Marmita 1M 1: Marmita 1

Sala de Sala de calderascalderas

Consumo y presión de trabajo de los equipos

Según catálogo estos serán de:

EquipoEquipo Consumo Consumo (kg/h)(kg/h)

Presión Presión (bar)(bar)

Horno 2 200 0,345

Horno 1 100 0,345

Marmita 2 150 0,500

Marmita 1 100 0,500

1. Cálculo de longitud equivalente

Se supondrá una ruta crítica desde la salida de vapor de la caldera hasta M 1, a esta longitud se le debe de agregar las pérdidas por accesorios, la cual será de un 20 % por ser menos de 100 m.

m 1,352,125,29Lequiv

2. Cálculo de la capacidad de la caldera

Lo primero que se debe hacer es calcular el consumo total de los equipos, que en este caso es de 550 kg/h. A este valor hay que agregarle un factor de ampliación y las pérdidas por radiación (1 % por cada 30 m de tubería), las cuales serán de un 20 % y un 1 % respectivamente.

kg/h 5,66521,1550Capacidad

3. Cálculo de los caballos-caldera (BHP)

Para este cálculo simplemente hay que saber que la definición de un caballo-caldera es: “una caldera tiene una capacidad de un caballo-caldera cuando es capaz de producir 15,65 kg/h de vapor saturado a 100°C utilizando agua de alimentación de la misma temperatura...”, por lo que:

BHP 52,42kg/h 15,65

BHP 1kg/h 665,5

3. Selección de Caldera a utilizar (BHP)

Para este caso se seleccionará una caldera de 48 BHP que nos da 750 kg/h de vapor.

Datos de caldera:

Modelo: EH-750

Máxima Presión de Operación: 10 bar

Eficiencia: 85 %

Consumo combustible: 52,8 l/h

5. Consideraciones para los cálculos posteriores

Se usarán válvulas reguladoras de presión para cada equipo, por lo que se supondrá una caída de presión en todo el tramo de la ruta crítica. La presión máxima de operación de la caldera es de 10 bar.Como la tubería principal debe ser capaz de transportar los 750 kg/h de vapor a una velocidad de entre 25 y 35 m/s, la presión a la que podría trabajar la caldera (que debería de ser, menor a 10 bar) se variará de tal forma que se escoja una presión alta pero con un diámetro de tubería no muy grande ó una presión baja con un diámetro de tubería mayor al anterior.Además se variará la caída de presión para un mayor entendimiento del problema.

6. Cálculo del diámetro de la tubería, su caudal y la velocidad del vapor

Este cálculo se hará primero suponiendo que la caldera trabaja a 7 bar y que la caída de presión es de 1 bar (ΔP).

P1 @ 7 bar = 55,39 P2 @ 6 bar = 42,83

Este factor de caída de presión está entre 0,32 y 0,40 (tabla 3), por lo que se trabajará con 0,32 para estar por debajo del límite máximo de capacidad de la tubería.

36,01,35

83,4239,55

L

PPF 21

TABLA 4TABLA 3

6. Cálculo del diámetro de la tubería, su caudal y la velocidad del vapor

En este caso el caudal que puede transportar la tubería de 40 mm es de 907,2 kg/h que es mayor que el que se tiene de 750 kg/h.

Ahora se calculará la velocidad para ver si está dentro del rango :

Esta velocidad es muy alta, se sale del rango establecido, además con el valor del factor de caída de presión que se tenía (0,32) no hay forma de elegir un diámetro de tubería mayor.

m/s 55,441

272,077,163

1

RealVolumen y""Real Velocidad

6. Cálculo del diámetro de la tubería, su caudal y la velocidad del vapor

Se observa en la tabla 3 que para este factor de 0,32 no hay tubería de 50 mm disponible. Esto nos indica:

- El factor de caída de presión en este caso es demasiado grande, indicando que la caída de presión es muy alta comparada con la longitud de tubería que se tiene.

En otras palabras se debe de asumir una caída de presión menor para estas condiciones de presión y longitud de la tubería.

6. Cálculo del diámetro de la tubería, su caudal y la velocidad del vapor

Ahora se realizará el calculo con un ΔP = 0,3 bar siempre con una presión en la caldera de 7 bar.

P1 @ 7 bar = 55,39 P2 @ 6,7 bar = 51,47

Este factor de caída de presión está entre 0,1 y 0,13 (tabla 3), por lo que se trabajará con 0,1.

11,01,35

47,5139,55

L

PPF 21

6. Cálculo del diámetro de la tubería, su caudal y la velocidad del vapor

Con el factor de presión igual a 0,1 nos da un valor de “x” de 928,8 kg/h y un valor de “y” de 103,12, todo esto para una tubería con un diámetro de 50 mm. En este caso su velocidad real en estas condiciones será:

A este punto ya se ha encontrado la presión, caudal, caída de presión y velocidad correctos para el sistema, debemos recordar que los equipos trabajan a una presión mucho menor a la que trabaja la caldera por lo que puede que sea necesario disminuir esta presión para efectos de ahorro energético.

.

m/s 7,251

249,012,103

1

RealVolumen y""Real Velocidad

TABLA 3

6. Cálculo del diámetro de la tubería, su caudal y la velocidad del vapor

Ahora se calculará con una presión en la caldera de 4 bar con un ΔP = 1 bar.

P1 @ 4 bar = 22,41 P2 @ 3 bar = 14,58

Este valor de F está entre 0,20 y 0,25 por lo que se usará 0,20, para una una tubería de 50 mm nos da un valor de “x” = 1343 kg/h y de “y” = 103,1

22,01,35

58,1441,22

L

PPF 21

6. Cálculo del diámetro de la tubería, su caudal y la velocidad del vapor

La velocidad máxima del vapor a estas condiciones sería de:

Esto nos indica que se puede transportar el caudal necesario con una tuberia de 50 mm pero la velocidad seria muy alta.

A iguales condiciones pero utilizando una tubería de 65 mm, el factor de velocidad sería de 59,15 y la velocidad sería de 27,3 m/s por lo que estaría dentro del rango. Esto nos indica que esta seía la tubería a utilizar.

m/s 53,471

461,01,103

1

RealVolumen y""Real Velocidad

6. Cálculo del diámetro de la tubería, su caudal y la velocidad del vapor

Ahora se calculará con un ΔP = 0,3 bar con una presión en la caldera de 4 bar.

P1 @ 4 bar = 22,41 P2 @ 3,7 bar = 19,89

Este factor de caída de presión está entre 0,063 y 0,080, por lo que se trabajará con 0,063 dando un “x” igual a 1483 kg/h y un “y” igual a 59,17, esto con una tubería de 65 mm.

0718,01,35

89,1941,22

L

PPF 21

6. Cálculo del diámetro de la tubería, su caudal y la velocidad del vapor

La velocidad maxima del vapor en esta tubería y a estas condiciones sería de:

En este caso se puede transportar el caudal necesario con una velocidad más baja que la anterior.

m/s43,231

396,017,59Real Velocidad

Al tener los tramos una distancia de un poco menos de 1 m se supondrá que después de las válvulas reguladoras de presión la caída de presión hasta el equipo es despreciable. Por lo tanto seleccionamos los diametros de las tuberias usando la Tabla 2.

7. Cálculo del diámetro de las tuberías secundarias

EquipoEquipo Caudal Caudal (kg/h)(kg/h)

Presión Presión (bar)(bar)

Tubería Tubería

(m)(m)

H 2 200 0,345 65

H 1 100 0,345 40

M 2 150 0,500 50

M 1 100 0,500 40

PresiónPresión(Bar Man)(Bar Man)

VolumenVolumen(m(m33/kg)/kg)

Factor deFactor depresiónpresión

6.00 0.272 42.83

6.10 0.269 44.02

6.20 0.265 45.21

6.30 0.261 46.43

6.40 0.258 47.66

6.50 0.255 48.91

6.60 0.252 50.19

6.70 0.249 51.47

6.80 0.246 52.77

6.90 0.243 54.08

7.00 0.240 55.39

7.10 0.237 56.72

7.20 0.235 58.08

7.30 0.232 59.44

ITEM UNIDAD EH-500 EH-750 EH-1000 EH-1500

Capacidad BHP 32 48 64 96

Presión máxima

Bar 10 10 10 10

Caudal kg/h 500 750 10001500