REDISEÑO DE LAS LINEAS PRINCIPALES DE DISTRIBUCION DE VAPOR PARA LAS PLANTAS DE ... · 2018. 6....

UNIVERSIDAD DE CARABOBO

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

REDISEÑO DE LAS LINEAS PRINCIPALES DE

DISTRIBUCION DE VAPOR PARA LAS PLANTAS DE

PRODUCCIÓN DE HARINA PRECOCIDA

Solano Juan

Naguanagua, 19 de Marzo de 2012




REDISEÑO DE LAS LINEAS PRINCIPALES DE DISTRIBUCION DE VAPOR PARA LAS PLANTAS DE


Trabajo especial de grado presentado ante la Ilustre Universidad de Carabobo para optar por el título de

Ingeniero Mecánico Tutor académico: Prof. José Velásquez

Autor:

Solano Juan





REDISEÑO DE LAS LINEAS PRINCIPALES DE DISTRIBUCION DE VAPOR PARA LAS PLANTAS DE


Trabajo especial de grado presentado ante la Ilustre Universidad de Carabobo para optar por el título de

Ingeniero Mecánico

Solano Juan





CERTIFICADO DE APROBACIÓN

Los abajo firmantes, miembros del jurado designado para evaluar el trabajo especial de grado titulado “REDISEÑO DE LAS LINEAS PRINCIPALES DE DISTRIBUCION DE VAPOR PARA LAS PLANTAS DE PRODUCCIÓN DE HARINA PRECOCIDA”, realizado por el bachiller: Solano Pérez Juan Bautista portador de la cedula de identidad N°: 18164735; hacemos constar que hemos revisado y aprobado el mencionado trabajo.

________________ Prof. José Velásquez

Tutor académico ________________ ________________ Prof. Gruber Caraballo Prof. Fernando Aular Jurado Jurado


AAggrraaddeecciimmiieennttooss

Primeramente quiero darle gracias a Dios por permitirme y darme la vida

para ser parte de todo lo que comprende ésta y conocer el mundo de la ingeniería,

quiero expresar, sin ningún orden en específico, mi más sincero agradecimiento a mi

padre por haberme apoyado y prestado todo su apoyo incondicional para mi

crecimiento personal y profesional, de igual manera agradecerle a mi madre por

darme su apoyo y guiarme a lo largo de toda mi vida hacia un mejor futuro, su amor,

amistad y cariño forman una parte muy importante e indispensable en mi vida.

También le agradezco a mis tías por darme su confianza y cariño irremplazable, lo

cual forma una gran parte en mi iniciativa a desarrollarme profesionalmente de esta

manera, de la misma forma quiero darle gracias a mi novia por estar siempre a mi

lado en las buenas, malas, darme su cariño, apoyo incondicional y estar siempre

presente en mi vida lo que me hace ser una mejor persona, y por supuesto presentarle

mi más sincero agradecimiento a toda mi gran familia por estar siempre presente para

mí a lo largo de toda mi vida.

También quiero dale gracias a mi tutor académico e industrial el profesor

José Velásquez y el ingeniero José Méndez, por sus consejos, guiatura, sugerencias

oportunas durante el desarrollo de este trabajo de investigación y permitirme la

oportunidad de realizar este trabajo de investigación en la empresa Alimentos Polar

Comercial Turmero. De igual forma agradezco a todos los profesores de la escuela,

que a lo largo de mi carrera impartieron de manera grata sus conocimientos. Por

último quiero darle gracias a todas las personas que estuvieron atentos y prestaron su

colaboración, orientación, guiatura y dirección académica para la realización de este

trabajo.

RReessuummeenn

Esta investigación está enfocada en el estudio y rediseño de las líneas

principales de distribución de vapor de las plantas de harinas 1 y 2 de la empresa

Alimentos Polar Turmero, para mantener la eficiencia de los procesos y equipos

consumidores de vapor, garantizando el suministro de vapor necesario hacia estas

plantas, de manera que puedan operar de manera eficientemente y que el sistema

tenga la capacidad de absorber las variaciones que se pueden presentarse en cuanto a

la necesidad de vapor de las plantas debido a la demanda del producto, ya que al

presentarse un aumento en la producción aumenta de igual manera el consumo y

suministro de vapor hacia estas plantas de harinas 1 y 2.

Para rediseñar un sistema de distribución de vapor que cumpla con lo

anteriormente mencionado, es necesario, en primera instancia evaluar o conocer la

situación actual en la que operan los equipos consumidores de vapor y su

funcionamiento, luego de esto, se determina la cantidad de vapor necesario a

transportar por el sistema de distribución para cumplir con la demanda de producción

actual y futura, y de esta manera rediseñar y dimensionar el nuevo sistema de

distribución de vapor hacia las plantas de harinas 1 y 2 que pueda transportar una

cantidad de vapor igual o mayor a la demanda futura, generando una pérdida por

fricción en las tuberías aceptable según la norma ASME B31.3 de manera que pueda

adaptarse a esos aumentos en la producción. De igual forma se realiza el estudio y

cálculo de los accesorios necesarios para el buen funcionamiento y eficiencia en

operación de las nuevas líneas de distribución de vapor. El nuevo sistema de

distribución de vapor de igual manera está diseñado para soportar un caudal más

elevado que el de consumo futuro, de manera que pueda adaptarse a nuevas

exigencias que ameriten mayor consumo de vapor, también reduce al máximo los

costos para su instalación debido a que se aprovecharon la mayor parte de las tuberías

que conforman el actual sistema de distribución y, por último, se determinó el costo

total de suministro e instalación del rediseño del nuevo sistema de distribución de

vapor de las plantas de harinas 1 y 2.

NNoommeennccllaattuurraa

Símbolo Descripción

Coeficiente que depende del grupo en el que se clasifique el agua según el pH

C, m Constantes que dependen de ReD

D Diámetro interno de la tubería (mm) T Temperatura (°C)

Diámetro Nominal de tubería (mm)

Rugosidad absoluta de la tubería (mm) Rugosidad absoluta de la tubería nueva (mm) Rugosidad absoluta de la tubería, después de t años de servicios (mm)

Factor de fricción Aceleración de la gravedad (m/s2) Humedad Humedad de entrada Humedad de salida Pérdida por fricción en tubería ( )

Coeficiente de transferencia de calor por convección

Coeficiente de resistencia total

Coeficiente de conductividad térmica

Coeficiente de resistencia de los accesorios

Longitud desarrollada de tubería entre soportes fijos (m) l Longitud de tubería (m) ̇ Caudal másico del fluido (kg/s)

Número de Nussel n Constantes que dependen de

Dilatación térmica y desplazamiento de los anclajes (mm) Presión manométrica del vapor (MPa)

Número de Prandtl a temperatura ambiente

Número de Prandtl a temperatura superficial de la tubería

Caudal volumétrico del fluido (m³/h) Relación entre la longitud desarrollada de la tubería y la distancia entre

anclajes

ReD Número de Reynolds

Relación entre la longitud desarrollada de la tubería y la distancia entre anclajes

Radio crítico de aislamiento (m) Radio de tubería (m)

SF Soporte fijo Tp Temperatura de película promedio (°C) TS Temperatura superficial de la tubería (°C) Número de años de servicio de la tubería

T Temperatura del medio (°C) Distancia recta entre puntos de anclaje (mm)

V Velocidad del fluido (m /s)

Viscosidad cinemática del fluido (m2/s)

∅ Diámetro externo de la tubería (m)

Peso específico del fluido Viscosidad dinámica del fluido (

∙)

Densidad del fluido (kg/m³) Δ Dilatación lineal de la tubería (mm)

IInnttrroodduucccciióónn

El vapor es utilizado como una fuente de poder, la cual se puede aprovechar para

el calentamiento y también para algunos procesos industriales. Dicho vapor es

transportado desde una caldera a través de una red de distribución (sistema de

tuberías) hasta puntos específicos en donde realiza una labor o trabajo en algún

proceso o maquinaria. El calor constituye una medida de la energía térmica puesta en

juego en los fenómenos caloríficos. La importancia radica en la inspección y

evaluación del sistema de distribución de vapor, así como los accesorios, no

descuidando el mantenimiento preventivo y correctivo de las trampas de vapor, para

evitar problemas de condensado y en consecuencia costos por fuga de vapor.

La idea fundamental de este trabajo de grado es Rediseñar el sistema de

distribución de vapor para las plantas de producción de harina precocida, planta de

harina 1 y 2, de la empresa alimentos Polar establecimiento turmero, la cual está

sujeta a incrementos en la producción debido a la demanda que tiene este producto

(Harina P.A.N). Por lo que es imprescindible que la empresa contar con un eficiente

sistema de distribución de vapor que se adapte a las exigencias.

En el capítulo 1, de la presente investigación se estudio la situación problemática

en cuanto al consumo y suministro de vapor hacia las plantas de harina 1 y 2 de la

empresa Alimentos Polar Comercial Planta Turmero, de igual manera se plantean los

objetivos de la investigación, justificación y alcance, seguido del capítulo 2, donde se

desarrollaron y sustentaron todos los fundamentos teóricos necesarios para la

elaboración del proyecto, luego en el capítulo 3, se muestra las técnicas y

procedimientos que se utilizaran para llevar a cabo la investigación, es decir la forma

como se realizará el estudio, conteniendo la ubicación acerca del tipo y nivel de

investigación.

En el capítulo 4, obtienen y analizan los resultados para el diseño y

dimensionamiento del nuevo sistema de distribución de vapor, para finalizar se

concluye en base a los resultados obtenidos del diseño y se realizan recomendaciones

para el eficiente funcionamiento de sistema de distribución de vapor propuesto.

ÍÍnnddiiccee ggeenneerraall

Índice general

i

Índice de figuras vi

Índice de tablas

Introducción

viii

1

CAPÍTULO 1 El problema 3

1.1 Situación problemática 3 1.2 Objetivos 7 1.2.1 Objetivo General 7

1.2.2 Objetivos Específicos 7

1.3 Justificación 7

1.4 Alcance 8

1.5 Antecedentes 9

ii Rediseño de las líneas principales de distribución de vapor para las plantas de producción de harina preccida.

CAPÍTULO 2 Fundamentos teóricos 13

2.1 Utilización del vapor en la empresa 13

2.1.1 Proceso de producción que se lleva a cabo en las plantas de harina precocida de maíz.

13

2.2 Requerimientos de una línea de vapor 22

2.2.1 Vapor 2.3 Tuberías y conductos

2.3.1 Accesorios 2.3.2 Uniones

2.3.3 Válvulas 2.3.4 Juntas de expansión y soportes para tuberías 2.3.5 Aislante para tuberías 2.3.5.1 Aislantes térmicos en las líneas principales de vapor

2.3.5.2 Cálculo del espesor óptimo 2.3.6 Trampas de vapor

2.3.6.1 Tipos de trampas de vapor 2.4 Trampas de vapor para sistemas de distribución

2.4.1 Pierna colectora o pozo de goteo 2.4.2 Tuberías principales

2.5 Estimación del condensado generado en líneas de vapor 2.6 Dimensionamiento de tuberías de vapor

2.6.1 Cálculos de las pérdidas por fricción en tuberías de vapor 2.6.2 Cálculo del diámetro de referencia de las tuberías

CAPÍTULO 3 Metodología 3.1 Nivel de la investigación

3.2 tipo de investigación

3.3 Diseño de la investigación

3.4 Recursos necesarios y disponibles

23

24

25

25

27

29

34

35

39

41

42

48

48

50

51

53

54

59

61 61

62

63

67

Índice General iii

CAPÍTULO 4 Resultados

69

4.1 Situación actual de la red de distribución de vapor de las plantas de

harinas 1 y 2 69

4.2 Cálculo del consumo de vapor actual y futuro necesario en las

plantas de harinas 1 y 2 72

4.3 Dimensionamiento de las líneas principales de vapor de las plantas

de harina 1 y 2 85

4.3.1 Pérdidas por fricción generada en la tubería de vapor

existente para un consumo de vapor futuro 85

4.3.2 Diseño y dimensionamiento del nuevo sistema de

distribución de vapor 92

4.4 Cálculos y selección de accesorios para las nuevas líneas de

distribución de vapor de las plantas de harinas 1 y 2 100

4.4.1 Cálculo del condensado generado en las líneas y selección de

trampas de vapor 100

4.4.2 Cálculo del espesor óptimo del aislamiento 103

4.4.3 Estudio de flexibilidad y localización de soportes para

tuberías 107

4.5 Determinación del costo de la implementación del rediseño

propuesto 113

CAPÍTULO 5 Conclusiones 119

CAPÍTULO 6 Recomendaciones 123

Referencias 124

Apéndice 128

iv Rediseño de las líneas principales de distribución de vapor para las plantas de producción de harina preccida.

Apéndice A Plano estructural del sistema de distribución de vapor

diseñado 130

Apéndice B Determinación de la temperatura de la superficie del

aislante para un espesor del mismo de 75 mm (3”). 132

Índice General v

ÍÍnnddiiccee ddee ffiigguurraass

Capítulo 1 1.1 Esquema del proceso de desgerminación 1.2 Esquema del proceso de laminación

5 6

Capítulo 2 2.1 Diagrama del proceso de recepción, acondicionamiento y almacenamiento. 2.2 Esquema de la etapa de limpieza. 2.3 Esquema de la etapa de desgerminación.

16 18 18

2.4 Esquema de la etapa de clasificación. 19 2.5 Esquema del proceso de laminación. 22 2.6 Estados del Agua. 24 2.7 Accesorios de tuberías. 2.8 Bridas 0 uniones. 2.9 Tipos de válvulas. 2.10 Juntas de expancion. 2.11 Tipos de trampa de vapor 2.12 Trampa tipo J3X 2.13 Curva de las trampas. 2.14 Pierna colectora. 2.15 Pierna colectora o pozo de goteo en línea principal Capítulo 3 3.1. Esquema de la metodología para la investigación

25 27 28 30

42 45 47 49 51

66

Índice de figuras vii

Capítulo 4 4.1. Entrada y salida de caudal másico para una cocina vertical 4.2. Entrada y salida de caudal másico en una cocina horizontal 4.3. Entrada y salida de caudal másico para una secadora 4.4 Sistema de tuberías de vapor existentes 4.5. Nuevo sistema de tuberías de vapor 4.6 Distancias para soporte

73 76 78 90 98 109

ÍÍnnddiiccee ddee ttaabbllaass

Capitulo 2 2.1. Capacidad de bridas. 2.2. Espaciamiento máximo entre soportes (Código ASME B31.1). 2.3. Dimensiones recomendadas para piernas colectoras o pozos de goteo. 2.4. Formación de kg de condensado/h por cada m2 de superficie de tubería. 2.5. Condensación en tuberías aisladas transportando vapor saturado en aire quieto

25 °C. Eficiencia de aislamiento asumida 75%. 2.6 Coeficientes a de la formula 2.7. Velocidades de fluido en tuberías recomendadas. Capitulo 4 4.1. Consumo de vapor actual para la planta Harina 1 4.2. Consumo de vapor actual de la planta de harina 2 4.3. Demanda de vapor futura de la planta de harina 1 4.4. Demanda de vapor futura de la planta de harina 2 4.5. Pérdida por fricción en cada tubería del sistema actual 4.6. Caudales máximos para las tuberías existentes y pérdidas por fricción máxima 4.7. Caudal adicional 4.8. Diámetro de tuberías necesarias para caudal adicional 4.9 Condiciones de operación del nuevo sistema de distribución de vapor 4.10 Condensado generado en las líneas de distribución de vapor 4.11 Espesor óptimo de aislamiento 4.12 Detalle del estudio de flexibilidad 4.13 Cómputos métricos aislante para la tubería nueva de planta 1 4.14 Cómputos métricos aislante tubería nueva de planta 2 4.15 Cómputos métricos de instalación de tubería nueva y accesorios planta1 4.16 Cómputos métricos instalación de tuberías nueva y accesorios planta 2 4.17 Inversión total del proyecto

26 33 49 52 53 58 60 81 82 83 84 91 93 94 96 99 103 107 112 114 115 116 117 118

Índice de tablas ix

CCAAPPÍÍTTUULLOO 11 EEll pprroobblleemmaa

1.1 Situación problemática.

Las empresas polar agrupan a lo largo y ancho de la geografía nacional una serie

de plantas y establecimientos destinados a la producción, almacenamiento,

distribución y comercialización de diferentes rubros que componen la cesta

alimenticia venezolana y la elaboración de la cerveza Polar considerada una de las

mejores de América Latina por sus altos estándares de calidad y aceptación en el

mercado nacional e internacional, al igual que la harina PAN y MAZEITE, el cual es

un aceite 100% puro de Maíz con bajo contenido de grasas saturadas para una

alimentación saludable. El grupo Polar ha dividido sus plantas en tres grandes

Unidades Estratégicas de Negocios (UEN), con el fin de planificar sus políticas,

controles de producción e inversión, las cuales vienen representadas por la UEN

alimentos, UEN cerveza y malta y la UEN de refrescos. La unidad estratégica de

negocios alimentos abarca las plantas cuyos productos satisfacen las necesidades

básicas de alimentación de la población y en esta ramificación se encuentra

Alimentos Polar establecimiento Turmero Edo-Aragua, en la cual se lleva a cabo la

producción de la harina PAN y MAZEITE provenientes directamente del Maíz, el

cual está compuesto de tres partes principales el pericarpio, endospermo y germen,

estas dos últimas son las utilizadas para la producción en masa de la harina precocida

y el aceite de maíz.

Alimentos Polar establecimiento Turmero Edo-Aragua, se encuentra en la

búsqueda permanente de optimizar sus procesos de manufactura, con el propósito de

4 Rediseño de las líneas principales de distribución de vapor para las plantas de producción de harina precocida.

minimizar pérdidas y aumentar volúmenes de producción, con el firme propósito de

ser cada día más competitiva.

Esta empresa consta de dos plantas de producción de harina precocida, Planta de

Harina 1 y 2, las cuales son dependientes principalmente del consumo de vapor

saturado el cual es proporcionado por la sala de generación de energía de la empresa.

Las líneas de producción de estas plantas están constituidas por una diversa cantidad

de equipos que operan con un consumo de vapor continuamente, entre éstos se

encuentran las cocinas horizontales y verticales, las cuales se encargan de darle al

maíz una textura más blanda mediante la cocción a una temperatura determinada por

medio de la inyección de vapor directo y agua al producto, facilitando así la

separación de las partes del maíz y laminación del endospermo, en la cual se le da

forma de hojuelas haciéndolo pasar por rodillos laminadores. Luego del proceso de

cocción y laminación, el producto es enviado a los equipos secadores, los cuales se

encargan de reducir la humedad del mismo por medio de la introducción de vapor a

un haz tubular, el cual está en contacto con el producto, permitiendo el intercambio

de calor, haciendo que este vapor condense, para luego enviarlo a un tanque de

condensado. El consumo de vapor de estas secadoras es controlado por una estación

reguladora comandado por un control de temperatura a la salida de la misma para

obtener la humedad requerida en el producto, también consta de una entrada de aire y

un sistema de aspiración.

Los equipos antes mencionados forman parte de las líneas de producción

pertenecientes a los procesos de desgerminación y laminación.

Como se observa en la figura 1.1, el proceso de desgerminación se basa

principalmente en someter el grano de maíz a un proceso de acondicionamiento

(cocinas horizontales) y fricción mecánica (Pulidores), a fin de separar sus partes,

pericarpio, endospermo y germen. Luego de esta etapa de separación sólo la corriente

de endospermo (Corriente inferior) es llevada a las secadoras para reducir su

humedad y posteriormente ser enfriado.

Capítulo 1. El problema 5

Figura 1.1 Esquema del proceso de desgerminación.

Después del proceso de desgerminación el producto es llevado a los silos de

endospermo por medio de transportadores neumáticos, donde es almacenado para

comenzar el proceso de laminación. Este proceso de laminación, como se muestra en

la figura 1.2, después de su almacenamiento se hace pasar por las cocinas verticales

donde se le inyecta vapor directo y agua, lo cual facilita su laminación y darle formas

de hojuelas de maíz (molinos laminadores), para después, de igual manera entrar a la


secadora para posteriormente ser enfriado y enviado a los molinos de premolienda y

molienda para reducir su granulometría.

Figura 1.2 Esquema del proceso de laminación.

Actualmente se han venido presentando insuficiencias en el flujo y presión de

vapor en dichas plantas debido a su incremento en producción, lo que aumenta el

consumo de vapor en los equipos para darle las condiciones necesarias al producto. El

aumento en producción viene dado por la alta demanda que tiene este producto, las

exigencias en el mercado son cada vez más alta ya que este producto pertenece a la


cesta básica de alimentos en nuestro país, por lo cual es lógico pensar que está

sometido a altas variaciones en su producción. Lo anterior lleva a rediseñar las líneas

distribución de vapor saturado para consumo de dichas plantas y de esta manera hacer

el proceso más eficiente y ajustarlo al aumento de la demanda, ya que se quiere

aumentar la producción.

1.2 Objetivos.

11..22..11 OObbjjeettiivvoo GGeenneerraall..

Rediseñar las líneas principales de distribución de vapor para las plantas de

producción de harina precocida.

11..22..22 OObbjjeettiivvooss EEssppeeccííffiiccooss..

Evaluar los requerimientos y condiciones actuales de vapor en las plantas.

Realizar un estudio de consumo de cada uno de los equipos y calcular el

consumo de vapor saturado total de las plantas de Harina 1 y 2, para la

demanda actual y futura.

Dimensionar las líneas principales de alimentación de vapor que

suministran a las plantas de harina 1 y 2.

Determinar el costo de la implementación del rediseño propuesto.

1.3 Justificación.

En vista de que muchos de los equipos vinculados a la producción de harina

precocida necesitan de un consumo de vapor para su desempeño, el cual varía de

acuerdo con la cantidad de producto para la producción, están propensos a

variaciones para cumplir con la demanda, es por esto que es vital para la empresa

contar con un sistema de distribución de vapor para producción que tenga la

capacidad de cubrir con las exigencias.


El motivo de la realización del presente trabajo especial de grado consiste en

rediseñar las líneas distribución de vapor saturado de las plantas de producción de

Harina precocida de las Plantas de harina 1 y 2 para el buen desempeño de las plantas

y equipos, de lo contrario ocasionaría pérdidas importantes para la empresa, y de esta

manera cumplir con la demanda de vapor saturado para la producción y tener la

capacidad de aumentar la producción a futuro sin que se presente limitantes en este

aspecto.

1.4 Alcance.

Se rediseñará las líneas de distribución principales de vapor de las plantas de

producción de harina precocida, planta de Harina 1 y 2, en la empresa alimentos polar

establecimiento Turmero, de manera tal, que la empresa cuente con un sistema de

distribución de vapor, capaz de satisfacer la demanda de vapor actual y futura,

causadas por el aumento de producción de acuerdo a la demanda del producto. Para

esto se incluye los cálculos para la determinación del consumo de vapor de los

equipos de las líneas de producción de las plantas, para determinar el consumo total

de vapor y de esta manera poder realizar los cálculos pertinentes para la

determinación y dimensionamiento de las nuevas líneas de distribución de vapor,

incluyendo selección de accesorios para el buen funcionamiento, trampas de vapor,

soporte y anclaje de tuberías, juntas de expansión, patines, aislante y otros. De igual

manera se determinaran los costos para la implementación del sistema de

distribución de vapor.

1.5 Antecedentes.

Andrade G. (2007), realizó un estudio y mejoró la distribución de vapor de una

industria a través de un sistema de trampas de vapor. La idea fundamental del trabajo,

fue proponer mejoras en la distribución del vapor y aumentar la eficiencia, tanto de la

maquinaria como los procesos, proponiendo métodos de prevención de fugas y una

ubicación adecuada de las trampas de vapor. Por lo tanto, en los primeros dos


capítulos se describe los principios generales de la generación de vapor, los tipos de

trampas, así como una descripción de la situación actual de las tuberías, el tipo de

combustible que se utiliza en las calderas y el mantenimiento del equipo. Así mismo

en el tercer capítulo se propone el mejoramiento de un sistema de trampas, el

aislamiento de tuberías, prevención de fugas y ubicación de trampas de vapor.

Grunauer G. (2005), en el presente trabajo se desarrolla la Reingeniería de los

sistemas de distribución de vapor y retorno de condensado de un laboratorio

farmacéutico de la ciudad de Guayaquil. Los sistemas antes mencionados, dentro de

la empresa, son considerados críticos, ya que de éstos dependen todos los procesos de

manufactura que se dan dentro de las instalaciones de la fábrica. Los sistemas de

distribución de vapor y retorno de condensado del laboratorio entraron en

funcionamiento hace ya 24 años y considerando el tiempo de servicio, el aumento en

los costos de operación y mantenimiento, la presencia de roturas en tramos de las

líneas de distribución de vapor, el desgaste de las tuberías, así como fugas de vapor y

desgaste en el forro aislante, es necesario realizar una revisión de su estado actual de

este sistema con el fin de hacer una actualización integral de todos los equipos y

accesorios que los componen.

Jiménez C. (1997), en este trabajo se presentan cálculos de procesos de vapor

en una industria, el cual tiene por objetivo calcular, conocer y diseñar los diversos

parámetros que se necesitan en la instalación de una planta de vapor, haciendo un

estudio en primera instancia de la cantidad de vapor que necesitan las máquinas

utilizadas en el proceso y valiéndose de los cálculos necesarios, determinan los

caballos de caldera requeridos, de igual manera se realiza un estudio completo sobre

el dimensionamiento de tuberías y accesorios de líneas de vapor y de retorno de

condensado. También se realiza el estudio sobre el agua de alimentación,

determinando primero la cantidad de agua necesaria para las calderas, y luego

tratamiento de ésta, (para evitar posibles incrustaciones y corrosión dentro de los

tubos de las calderas) por medio de ablandadores.


Restrepo, H. et al. (2006), en este artículo se presentan las metodologías de

cálculo y diagnóstico para la evaluación de pérdidas y calores residuales, así como

del potencial térmico disponible para recuperar éstos en la empresa Manufacturas

Carolina S.A. Los potenciales de ahorro y de impacto ambiental también son

presentados en este trabajo. De igual manera se presenta un esquema térmico de

distribución de vapor, una metodología de cálculo y el diagnostico para la evaluación

de pérdidas y calores residuales, la evaluación técnico-económica de recuperar los

condensados y aislar tramos de la red de vapor, metodología de cálculo de la

eficiencia en generadores de vapor, diagnóstico energético en aislamientos térmicos y

en fugas de vapor, aislamiento de los tramos de la red de vapor, entre otros.

Vejar A. (2006). Este trabajo de titulación consiste en realizar un estudio

técnico de la red de vapor de una empresa de alimento para peces, con el propósito de

determinar los consumos actuales de los equipos que componen el ciclo de vapor,

para posteriormente diagnosticar y recomendar mejoras dentro de la red de vapor.

Para esto fue necesario analizar e interiorizarse objetivamente de cada uno de los

procesos que utilizan vapor. Se realiza una descripción general de cada uno de los

procesos y equipos involucrados dentro de las líneas de producción de la planta y las

mediciones necesarias para determinar los consumos de vapor de los equipos

involucrados. Finalmente se dan algunas recomendaciones y conclusiones respecto al

consumo de vapor y mejoras de la red.

Wagner F. (2006), desarrolló un programa para el mantenimiento de líneas de

vapor para hospitales de manera de que estas líneas de distribución de vapor

proveniente de las calderas tenga un buen funcionamiento. Se realizó inspección de

las instalaciones existentes para determinar el estado de los accesorios y tuberías de la

red de vapor. Se determinó la producción de vapor en las áreas de cocina, lavandería

y autoclaves. Es importante tener en cuenta que en muchos de los casos no se le da la

importancia a las redes de vapor. La red de vapor es el medio por el cual se hace

posible el transporte de vapor a las dependencias como lavandería, cocina y central


de equipos. Para poder conseguir los máximos beneficios con lo que cuenta el

hospital general se hace necesario tener una planificación y control adecuado de las

actividades de mantenimiento preventivo, correctivo y predictivo del área de calderas,

redes de vapor, lavandería, cocina y central de equipos.

CCAAPPÍÍTTUULLOO 22 FFuunnddaammeennttooss TTeeóórriiccooss

2.1 Utilización del vapor en la Empresa.

En alimentos polar establecimiento Turmero, la mayoría de los procesos que

intervienen en las plantas de producción de harina precocida, Plantas Harina 1 y 2

están vinculados a equipos, los cuales requieren una eyección de vapor, bien sea

directo o indirecto, para cumplir sus funciones.

En esta empresa, el vapor es de gran importancia, por su energía y calor, el

cual permite en el caso de estas plantas, darle las condiciones necesarias al maíz para

la producción, es el responsable de la buena operatividad de los equipos

consumidores de vapor en las plantas, cocinas verticales, cocinas horizontales

secadoras del proceso de desgerminacion, secadoras de laminación, entre otros. El

vapor de agua, por sus características y cualidades, es una fuente de energía muy

eficiente, ya que su producción se realiza exclusivamente por calentamiento de agua,

por combustión de determinados combustibles (bunker, diesel, etc.), a través de

generadores de vapor.

2.1.1 Proceso de producción que se lleva a cabo en las plantas de harina precocida de maíz.

Según contenido ubicado en archivos internos de la empresa, en APC Planta

Turmero, para la fabricación de la harina de maíz blanco refinada, precocida y

enriquecida, se emplea maíz blanco nacional proveniente directamente de los campos

14 Rediseño de las líneas principales de distribución de vapor para las plantas de producción de harina preccida.

venezolanos, el cual es pasado por varias etapas o procesos que le adicionan cada uno

un valor agregado específico al producto, para que al final se obtenga de forma

eficiente un producto terminado de alta calidad. Cada una de estas etapas de

describen brevemente a continuación:

Recepción, Acondicionamiento y Almacenamiento.

Una vez que el maíz llega a las instalaciones de la planta, es inmediatamente

sometido a un proceso de recepción, acondicionamiento y almacenamiento en el cual

se le confieren las propiedades necesarias para ser almacenado hasta por un período

de once meses y ser utilizado satisfactoriamente en los siguientes procesos

productivos.

Para la recepción física del maíz en el área de silos existen tres líneas de

recepción R1, R2 y R3, cabe destacar que cada una de las recepciones posee a lo

largo de su recorrido una serie de equipos instalados destinados para la pre-limpieza

mecánica, neumática (sistemas de aspiración) y magnética del producto. La capacidad

máxima de recepción en APC Planta Turmero oscila entre 2880 ton/día para maíz

acondicionado y 1400 ton/día para maíz húmedo, normalmente sólo se utilizan las

líneas de recepción R1 y R2.

La presencia de impurezas en el maíz almacenado causa algunos efectos

desfavorables como la proliferación de insectos, focos de generación de calor, que

dificultan la ventilación, ocupan parte del espacio que debería ocupar el producto y

además son altamente inseguros debido a que el polvillo de maíz es muy explosivo.

Por tal motivo es imprescindible que exista un proceso de pre-limpieza previo

al almacenamiento. Por último, dependiendo de las condiciones de humedad y pureza

con que llegue el maíz, es trasladado a los silos de almacenamiento o a un proceso de

acondicionamiento previo, antes de iniciar el proceso de elaboración de harinas.

Capítulo 2. Fundamentos Teóricos 15

El objetivo principal del proceso de acondicionamiento es llevar el maíz a las

propiedades óptimas para su almacenamiento, a las temperaturas ambientales

reinantes, la humedad mínima para almacenar el maíz es de 12%, esto para evitar una

aceleración en el metabolismo del grano ya que a 12% el grano está latente. Para

lograr esto se disponen de dos secadoras, la Clipper Randolph y la Siroco, cuyos

principios de funcionamiento son iguales, son tipo columna con circulación del grano

por gravedad, este sistema no daña los granos delicados.

El aire de secamiento pasa entre láminas de granos de reducido espesor,

obteniéndose un secado homogéneo (el aire fluye en contracorriente con el grano). En

la parte inferior en producto entra en contacto con el aire de enfriamiento en la misma

forma que con el aire de secamiento y luego es descargado.

Para el almacenamiento del maíz, APC Planta Turmero dispone de treinta y

nueve silos distribuidos en dos sectores, del uno al veintitrés el área de silos viejos y

del veinticuatro al treinta y nueve el área de silos nuevos, sumando una capacidad

total de sesenta y cinco mil toneladas.

Durante el periodo de almacenamiento del maíz en los silos, es ventilado y

fumigado para conservarlo en condiciones óptimas para su posterior procesamiento.

La ventilación tiene como propósito disminuir el porcentaje de humedad en silos

(secante), regular la temperatura de almacenamiento, desalojar los gases producto del

metabolismo del grano y para la fumigación, permite la recirculación del humo

fumigante.

Para la ventilación de los silos es importante tener en cuenta los valores de

humedad relativa y temperatura ambiental, con el fin de evitar que ocurra saturación

del aire por la alta humedad, la cual puede generar condensado dentro del silo, lo cual

incrementaría significativamente la humedad del grano.

Debido a las condiciones climáticas de Venezuela, la creación de un ambiente

propicio para el crecimiento de insectos es casi incontrolable (T >14ºC), por lo cual


es necesario controlar la proliferación de insectos con la ayuda de la fumigación. En

la figura 2.1, se observa este proceso de recepción, acondicionamiento y

almacenamiento del maíz.

Figura 2.1 Diagrama del proceso de recepción, acondicionamiento y almacenamiento.

En la Red de producción de desgerminación y laminación se encuentran los

equipos consumidores de vapor saturado, los cuales se describen a continuación:

Proceso de Desgerminación.

Se basa principalmente en someter el grano de maíz a un proceso de

acondicionamiento y fricción mecánica, a fin de separar sus partes: pericarpio,


endospermo y germen. Este proceso de separación representa la refinación de la harina de maíz precocida.

Etapas del proceso de desgerminación:

Limpieza.

Desgerminación.

Clasificación.

En las figuras 2.2, 2.3 y 2.4 se puede observar cada una de estas etapas, en

primer lugar el maíz que es almacenado en los silos de planta es enviado a una etapa

de limpieza (Ver figura 2.2), donde se le extrae todo tipo de impurezas mediante

separadores magnéticos y de tusas, esta corriente de producto limpia es almacenada

en tanques de maíz, para desde ahí pasar a una etapa de desgerminación (Ver figura

2.3) en la cual se acondiciona el maíz mediante la inyección agua y vapor en las

cocinas, facilitando esto la separación de sus partes por medio de los pulidores, la

corriente inferior libre de concha, se hace pasar por las secadoras y enfriadora con el

objetivo de reducir su humedad y evitar su compactación, de este punto pasa el

producto por un equipo de control de cedazo a la bascula de material extraíble, donde

empieza una etapa de separación (Ver figura 2.4) que consiste en separar, según su

granulometría, el producto por medio de tararas y sifters, los cuales separan en dos

corrientes el producto, una de material extraíble y otra de endospermo, la cual de

igual forma es almacenada en silos de endospermo.


Figura 2.2.Esquema de la etapa de limpieza.

Figura 2.3.Esquema de la etapa de desgerminación.


Figura 2.4.Esquema de la etapa de clasificación.

Proceso de Laminación.

En esta etapa se modifican los almidones existentes en el endospermo mediante

una precocción y un laminado para conferirle las propiedades de absorción de agua y

formación de masa.

Los almidones son polímeros naturales que se encuentran presentes en la

mayoría de los cereales. Básicamente son carbohidratos polisacáridos constituidos

por largas cadenas de glucosa. La integridad del grano es producto de una asociación


de moléculas lineales y porciones lineales de moléculas ramificadas para formar

regiones cristalinas.

Si una pasta de almidón gelatinizado se deja enfriar, las moléculas de almidón

vuelven a asociarse desalojando las moléculas de agua.

Etapas del proceso de laminación:

Premojo: en esta etapa se adiciona agua al endospermo, para acondicionarlo

para su posterior etapa de precocción.

Precocción: esta etapa del proceso tiene como finalidad conferirle al

endospermo las propiedades de absorción de agua y formación de masa por

medio de la inyección de vapor directo al producto en las cocinas.

Laminación: la función de la laminación es transformar el endospermo ya

debidamente premojado y precocido en hojuelas, con la finalidad de seguirle

confiriendo propiedades para hacer masa por medio de los molinos

laminadores.

En esta etapa de laminación es de mucha importancia el control y ajuste de las

siguientes variables en las cocinas y molinos laminadores para una buena laminación:

* Presión del vapor en las cocinas.

* Presión en los cilindros laminadores.

* Presión en las cuchillas guías.

* Cortina Metálica.

* Variador del Alimentador.

* Flujo de Trabajo (Endospermo).


Secado: las hojuelas salen húmedas del laminador debido al agua y al vapor

aplicado en las anteriores etapas, por lo que se hace necesario secarlas para

poder manejarlas y así evitar la retrogradación. Esto se realiza por medio de la

inyección de vapor de forma indirecta a las secadoras, para generar un

intercambio de calor entre el vapor y el producto.

En estos equipos secadores las variables importantes que requieren ajustes y un

control son:

* Set Point de temperatura en la salida de las secadoras del producto.

* Rasera (Salida del Producto).

* Inyección de aire a la Secadora.

* Presión del vapor.

* Temperatura de aspiración de Vahos.

Enfriado: las hojuelas deben enfriarse para contener la retrogradación,

además, de que no se pueden almacenar a temperaturas altas ya que si esto

ocurre ocasionaría un proceso de condensación dentro de los silos de flakes.

Premolienda: una vez ya enfriadas las hojuelas se procede a premolerlas, ya

que por su tamaño ocuparían demasiado volumen dentro de los silos y

también está ligada a disminuir los pases en molienda.

En la figura 2.5 se puede detallar el recorrido del endospermo en este proceso de

laminación.


Figura 2.5.Esquema del proceso de laminación.

2.2 Requerimientos de una línea de vapor.

En la actualidad las líneas de vapor requieren equipos o instrumentos

indispensables para su funcionamiento y eficiencia. Cuando una red de vapor está en

operación debe estar compuesta por diferentes accesorios, los cuales tienen un trabajo

primordial para su eficiencia. La red de vapor debe contar con:

Juntas de expansión.

Bridas.


Válvulas de paso.

Válvulas de globo.

Válvula de retención.

Válvulas reguladoras de presión.

Trampas de vapor.

Filtros.

Uniones.

Tes.

Topes de sujeción.

Estopas y prensaestopas.

Aislamiento térmico.

Anclajes.

Soportes.

Reguladores de presión.

Tubería de condensado.

Tanque de condensado.

Manómetros.

2.2.1 Vapor.

Según Wark, 1998, vapor es una sustancia en estado gaseoso. Los términos de

vapor y gas son intercambiables, aunque en la práctica se emplea la palabra vapor

para referirse al de una sustancia que normalmente se encuentra en estado líquido o

sólido, como por ejemplo agua, benceno o yodo. Se ha propuesto restringir el uso del

término a las sustancias gaseosas que se encuentren por debajo de su punto crítico (la

máxima temperatura a la que se puede licuar aplicando una presión suficiente) y

hablar de gas por encima de la temperatura crítica, cuando es imposible que la

sustancia exista en estado líquido o sólido. Esencialmente, el uso de los términos es


arbitrario, porque todas las sustancias gaseosas tienen un comportamiento similar por

debajo y por encima del punto crítico. En la figura 2.6 se puede apreciar claramente

los distintos estados del agua según la temperatura de la misma.

El uso de vapor como fluido termodinámico se justifica por la variedad de

propiedades, en particular:

Figura 2.6.Estados del Agua. Wark, 1998.

1. Es abundante y barato de producir.

2. Transporta gran cantidad de energía por unidad de masa debido al cambio de

fase. En efecto, el calor latente de cambio de fase es del orden de 2.500 kJ/kg.

Wark, 1998.

2.3 Tuberías y conductos.

Los conductos, en general, pueden clasificarse en dos grande grupos, los que se

usan para el transporte de humos y sólidos en suspensión y los destinados a conducir

vapor y agua de un punto a otro (tuberías); en éstos se centra este trabajo. Cuando se

tiene una disposición adecuada de conductos y tuberías no se persigue sólo el buen

estado de la instalación, sino reducir las resistencias a la fricción.

(°C)

Q (kJ/kg)


La instalación de la caldera, del calentador de aire, de los ventiladores y los

demás equipos de la planta debe hacerse de manera que sea fácil el acceso al trabajo,

Avallone, 2000.

2.3.1 Accesorios.

Cuando se conduce vapor de un lugar a otro, el diseñador se encuentra con

diversos problemas, entre ellos: cambios de dirección de fluidos, derivación del vapor

para un equipo determinado, condensado en las tuberías, impurezas (sólidos en

suspensión), vibraciones, entre otros.

Es necesario, entonces, contar con los accesorios adecuados que ayuden a tener

la mayor eficiencia en la red (codos, tes, derivaciones en Y, entre otros). En esta parte

se mencionarán los accesorios que más se usan localmente, Avallone, 2000.

En la figura 2.7 se puede observar algunos accesorios para instalaciones de

tuberías.

Figura 2.7. Accesorios de tuberías. Avallone, 2000.

2.3.2 Uniones.

Las empresas productoras de tubos han estandarizado su longitud en 6 m, esto

ocasiona que se tenga que unir dos o más tubos cuando se conduce vapor de un lugar

a otro, por medio de uniones, ya que las distancias, generalmente, no son tan cortas.


Las uniones más comunes son llamadas bridas, o de rebote. Hay de soldadura,

de rosca y en diámetros pequeños se usan las que están soldadas con latón. Entre las

uniones de tubos con bridas se encuentra de acero fundido y también es frecuente

encontrar fabricadas en lámina de hierro con la desventaja que éstas no permiten

trabajar a altas temperaturas.

Entre las bridas que hay en el mercado local y que cumple con las

especificaciones, están los aceros fundidos ASA B1Ge, las de clase 150, 300, 400,

900 y 1500. La principal características de estas bridas para uniones consiste en el

reborde en su cara de empalme, que varía según la presión con la cual están

diseñadas, por ejemplo, las 1,034 MPa a 2,068 MPa tienen un reborde de 1,58 mm y

por encima de estas presiones tienen rebordes de 6,35 mm. Avallone, 2000. Las

uniones de acero fundido más comerciable localmente, según sus capacidades y

diámetros, se muestran en la tabla 2.1.

Tabla. 2.1 capacidad de bridas. Avallone, 2000.

Capacidad Diámetros

1,03 MPa (150 psi) 25,4 a 609,6 mm

2,06 MPa (300 psi) 25,4 a 609,6 mm

Para 2,75 MPa (400 psi) 101,6 a 609,6 mm

Para 6,20 MPa (900 psi) 101,6 a 609,6 mm

Para 10,34 MPa (1500 psi) mayor de 152,4 mm

Además, se encuentran las soldadas de acero forjado especialmente para 1,034

MPa. Las uniones cara a cara traen el espesor del tubo que se va a unir y deben tener


bisel en donde se soldará y un extremo recto de 1,58 mm para espesores de 19,05

mm, Avallone, 2000. En la figura 2.8 se puede observar distintos tipos estas bridas.

Figura 2.8. Bridas o uniones. Avallone, 2000.

2.3.3 Válvulas.

Cuando se diseña una red de vapor es imprescindible que el tipo de válvula sea

el correcto. En el mercado hay una gran variedad pero, básicamente, son variantes de

las válvulas tipo compuerta y la tipo globo. De manera general, se puede decir que la

de tipo globo se usa para alta presión y la tipo compuerta para baja presión.

Las válvulas de compuerta funcionan elevando o haciendo bajar un disco dentro

de la corriente. Entre ellas también están las de vástagos salientes. En las primeras, la

compuerta subirá, dejará pasar fluido y su vástago permanecerá sin ningún cambio de

altura, mientras que las segundas, el vástago saldrá según la carretera de la

compuerta.

En la figura 2.9 se puede apreciar diferentes tipos de válvulas de compuerta y

globo.


Figura 2.9. Tipos de válvulas. Grunauer, 2005.

Las válvulas tipo globo basan su funcionamiento en la elevación o bajada de un

tapón o disco a su asiento, el cual divide el cuerpo de la válvula en las partes

separadas. Tienen como inconveniente que la caída de presión cuando está totalmente

abierta, es bastante considerable. En las válvulas de globo también se encuentran de

vástago fijo saliente.

Para diámetros grandes y altas presiones es posible usar también las válvulas de

ángulo que tiene el mismo funcionamiento que las de globo pero un costo más

reducido.

Otra variante de las válvulas de globo es la válvula en Y, llamada así por tener

su volante, el vástago y el asiento en un ángulo del cuerpo de la válvula misma.

Como todas las de globo, es importante el cuidado que se tenga al instalarla, ya que la

presión debe ser ejercida bajo el asiento de la válvula, para hacerla más eficiente.


Tanto las compuertas como las de globo y otros accesorios para tuberías pueden ser

instalados con bridas, roscadas o soldadas.

La mayoría de las válvulas traen impreso en el cuerpo la nomenclatura sobre la

presión y temperaturas de trabajo para no dañarlas por exceso. Por ejemplo: 1,723

MPa. SP-400. WOG, indica que su presión máxima de vapor es de 1,723 MPa y

400°C su temperatura. Grunauer, 2005.

El funcionamiento eficiente de las válvulas casi siempre depende del

mantenimiento que se les dé, aunque por lo común, se prescinde de ello por el bajo

costo que representa su cambio. Uno de los aspectos principales que recomiendan los

expertos, es que cuando se termine de instalarla se sople la tubería antes de ponerla a

funcionar, con el fin de eliminar todos los residuos que pudieran haber quedado por la

soldadura y el roscado de las piezas que se unieron.

2.3.4 Juntas de expansión y soportes para tuberías.

Las altas temperaturas y presiones a las que están sometidas las tuberías de

vapor hacen que existan pequeñas deformaciones que es necesario disminuir a través

de accesorios diseñados a fin de evitar daños que ocasionen fugas. Los empujes o

momentos pueden causar deslizamientos sobre las máquinas, sobre todo, las que

trabajan a altas revoluciones.

Juntas de expansión.

Los accesorios que se usan son las denominadas juntas de dilatación, que le

brindan flexibilidad en la red. Entre los tipos principales están las curvas, los bucles y

las liras, que pueden ser, según su fabricación, corrugados y ondulados.

Para cada tipo de aplicación existe una junta especial que ayuda no sólo a

reducir las deformaciones, sino, además, a evitar que las pérdidas en la red no sean

mayores. En la figura 2.10 se aprecia juntas de dilatación de este tipo.


Figura 2.10. Juntas de expansion. Hatter, 1983.

El análisis de esfuerzos en tuberías, es una técnica que permite evaluar la

estabilidad estructural de la tubería bajo condiciones de carga, para evitar someter a

alguno de sus componentes a esfuerzos superiores al admisible, solapar la tubería con

otras tuberías o estructuras por efecto de expansiones térmicas, y para evitar cualquier

tipo de fugas en las uniones.

El analista de flexibilidad es además responsable de calcular las cargas de

diseño de los soportes y asegurar el apoyo y restricción adecuada a la tubería.

Según el Código ASME B31.1 que se encarga de regir el diseño de sistemas de

tuberías de generación de potencia, es responsabilidad del diseñador realizar un

análisis de flexibilidad, a no ser que el sistema esté comprendido dentro de los

siguientes casos:

El sistema es un duplicado de otro de operación exitosa o reemplaza un sistema

de rendimiento satisfactorio.

El sistema es apropiado si se compara con sistemas previamente analizados.

El sistema es de tamaño uniforme, no tiene más de dos puntos de fijación sin

apoyos ni restricciones intermedias y cumple con la ecuación empírica.

Todo sistema que no cumpla con los criterios anteriores, debe analizarse con

métodos formales aproximados, según sea el caso.


Para definir si un sector de tubería es suficientemente flexible mediante los

cambios de dirección propios del diseño, se aplica el concepto “ASA-Regla

Empírica”, el cual es aplicable para sistemas con dos puntos de anclaje, haciendo uso

de la ecuación 2.1.

∙

( )≤ 0,03 (2.1)

Donde:

: Diámetro nominal de la tubería (mm)

: Dilatación térmica y desplazamiento de los anclajes (mm)

: Distancia recta entre puntos de anclaje (m)

: Longitud desarrollada de tubería entre soportes fijos (m).

= : Relación entre la longitud desarrollada de la tubería y la distancia entre

anclajes (Valor obtenido del sistema)

: Relación entre la longitud desarrollada de la tubería y la distancia entre

anclajes (valor mínimo recomendado por el código ASME B31.1)

De esta manera si:

≥ No requiere adicionar junta de expansión entre los dos puntos de anclaje.

≤ Requiere adicionar junta de expansión entre los dos puntos de anclaje.

Los métodos aproximados de análisis, podrán ser aplicados sólo para los rangos

de diseño para los cuales demuestre un nivel adecuado de exactitud. Dentro de estos

métodos se tienen: métodos analíticos, pruebas a modelos y métodos gráficos que

permitan una evaluación de fuerzas, momentos y esfuerzos causados por la acción


simultánea de restricciones en los extremos e intermedios a la expansión térmica del

sistema total, incluyendo los movimientos transmitidos a la tubería.

Cargas por expansión y contracción térmicas:

Estas cargas son generadas por variaciones térmicas, cuando el sistema está

operando al valor mínimo de temperatura tenderá a contraerse elásticamente y al no

encontrar ninguna separación u holgura que le permita contraerse con libertad, la

fuerza generada por la presión interna del fluido y por la contracción misma se

transmitirá a los pernos de las bridas y las soldaduras de la tubería y/o de sus

componentes dependiendo de las soldaduras de la tubería y sus componentes. El caso

contrario ocurre cuando el sistema se encuentra operando a su máximo valor de

temperatura, el cual ocasiona una expansión de la tubería.

Las juntas de expansión resultan una solución para casos como:

• Poca disponibilidad de espacio.

• Acero especial, donde la colocación del lazo significaría un alto costo.

• Cuando se desea aislar las vibraciones mecánicas de un equipo del sistema de

tubería.

• Cuando se desea proteger un equipo muy delicado donde las cargas admisibles

sean muy bajas.

Existen dos tipos de juntas de expansión: tipo fuelle y deslizante.

Soporte para tuberías.

El diseño de estructuras de soporte se basa en todas las cargas que actúan

concurrentemente en cada soporte. Estas cargas incluyen efectos de peso, cargas

introducidas por presión de diseño y temperatura, vibración, vientos, terremotos,

choques y esfuerzos de desplazamiento. La distribución y diseño de tuberías y sus

elementos soportantes están dirigidos para prevenir lo siguiente:


Esfuerzos excesivos en la tubería.

Fuga en las juntas.

Excesivo empuje y momentos en equipos conectados.

Esfuerzo excesivo en los soportes (o restricciones).

Resonancia o vibraciones inducidas por el fluido.

Soltura de la tubería de sus soportes.

Excesivo pandeo de la tubería

La tubería y el equipo deberán estar soportados en forma sustancial, de manera

que puedan evitar o reducir la vibración excesiva y deberían estar lo suficientemente

bien anclados, para evitar tensiones indebidas en el equipo conectado. En la tabla 2.2

se muestra el espaciamiento máximo entre soportes, sugerido por el código ASME

B31.1.

Tabla 2.2 Espaciamiento máximo entre soportes (Código ASME B31.1).

Un sistema de tuberías muy restringido por los soportes posiblemente limitará

su capacidad de expansión o contracción, generando grandes fuerzas en los puntos de

restricción, causando altos esfuerzos en la tubería y/o en los equipos asociados,

pudiendo sobrepasar los límites admisibles.


Deberán instalarse soportes de apoyo, colgadores y anclajes de manera que no

interfieran con la libre dilatación y contracción de la tubería entre anclajes. Se

deberán proveer colgadores de resorte adecuados, donde sean necesarios.

2.3.5 Aislantes para tuberías.

En los conductos para aumentar la vida útil de la tuberías y protegerlas de la

acción corrosiva del ambiente es necesario utilizar algún tipo de recubrimiento,

además, en las tuberías se debe reducir las pérdidas de calor por la interacción directa

con el aire (por su capacidad de absorción calorífica), evitando de este modo, la

condensación y el golpe de ariete.

El tipo de recubrimiento se elige de acuerdo con su capacidad de reducir las

pérdidas que varían desde 50% en tuberías pequeñas a baja temperatura, hasta el 90%

en altas temperaturas. Entre los que hay en el mercado local se encuentran: fibra de

vidrio (el más común usado por su bajo costo y alta eficiencia), silicato de calcio y

alguna variedad de tierras diatomáceos, 85% de magnesia.

Es normal que se instalen en secciones moldeadas de 1,83 m de longitud, pero

no es una regla. El recubrimiento de 85% de magnesia tiene un límite de temperatura

de 315 °C, por lo que se recomienda instalarlo en la segunda capa, después del

material que tiene contacto con la tubería. Restrepo, 2006.

El aislante moldeado debe instalarse con firmeza usando alambre galvanizado o

de cobre que resiste más a la oxidación para luego darle su acabado. En los tubos

interiores se puede aplicar, primero, una capa de material resinoso y, al igual que en

los conductos, encamisarlos con lona pegada. Para calcular la pérdida de calor a

través de un tubo con recubrimiento se usa la misma fórmula para la transferencia de

calor por conducción y de radiación en la superficie exterior del aislamiento.


2.3.5.1 Aislantes térmicos en las líneas principales de vapor.

Básicamente los aislamientos térmicos son materiales que se utilizan con el fin

de conservar el calor o controlar la temperatura. La energía en forma de calor tiene

un valor monetario, representado en la economía de los combustibles.

Termodinámicamente cuando la energía se utiliza para producir calor, el flujo

de éste, es de dentro hacia fuera como en el caso de hornos y calderas, por este

motivo el aislamiento térmico ayuda a ahorrar gran parte de la energía necesaria para

este proceso y un óptimo aislamiento hace que los equipos sean más eficientes y

trabajen con menores costos.

El aislamiento térmico se utiliza para controlar y evitar las pérdidas de calor en

los procesos térmicos, su utilización se relaciona con los siguientes elementos:

Evitar pérdidas por transferencia en equipos de proceso, y redes de

distribución.

Conservar condiciones fisicoquímicas de los fluidos,

Proteger a los operadores y evitar la transmisión de calor a otros

equipos.

Propiedades de los Aislantes.

Una de las propiedades más importante de los aislantes es la conductividad

térmica, la cual varía según la temperatura. Cada aplicación de un aislante térmico

tiene un requerimiento específico, se puede tener como referencia que una alta

densidad del aislante térmico reduce el costo del aislamiento, adicionalmente con la

temperatura de operación del aislante, cambia la importancia del mecanismo de

transferencia de calor.


Los diferentes tipos de aislantes térmicos se clasifican según:

Tipo de material utilizado.

Temperatura de servicio.

Conductividad térmica.

Los aislamientos térmicos para tuberías de vapor pueden ser de dos formas:

flexibles y rígidos. En el mercado existe una amplia variedad de aislamientos

empleados en plantas térmicas entre los cuales se tiene:

Silicato de calcio: que es un material que posee las siguientes características:

No es combustible.

Mantiene su integridad física a muy altas temperaturas.

Es más costoso que los aislamientos fibrosos.

Vidrio celular (Lana de vidrio): que es un material que posee características

como:

Material completamente inorgánico.

No absorbe líquidos ni vapores.

Es quebradizo.

Instalación rápida completamente atóxica.

Incombustible.

Eficiente desde el punto de vista térmico.


Roca mineral: También denominado lana mineral:

Su límite de temperatura es mayor que el de la fibra de vidrio.

Utiliza aglomerantes orgánicos.

La vibración y el maltrato físico le pueden causar daños severos.

Selección de materiales.

Entre las consideraciones a tener presente en la selección de un aislante térmico

se tiene:

Conservación de la energía.

Baja absorción de humedad.

Incombustibilidad superficial.

Resistencia a esfuerzos mecánicos.

Resistencia a la vibración.

Poco peso.

Facilidad de aplicación.

Baja corrosividad.

Resistencia a choques térmicos.

Economía.

Es de vital importancia que el aislante se mantenga seco y no se comprima,

debido a que su efectividad está relacionada con la porosidad característica del

material y si estos espacios propios originados por esa porosidad desaparecen,

entonces las características aislantes se modificarán.


Lana de Vidrio: Como se mencionó en el párrafo anterior la lana de vidrio es

uno de los aislantes térmicos más empleados a nivel industrial debido a que posee

buenas características aislantes. Gutiérrez, 1997.

Propiedades de lana de vidrio.

Diámetro de fibra: 5 – 6 micras.

Densidad: 20 kg/m3

Temperatura de servicio: (-30 – 450 °C).

Espesor de colchoneta: 25,4; 38,10; 50,8; 63,5; 76,2; 101,6 mm (1”; 1-½”; 2”,

2-1/2”; 3”; 4”).

Largo: 2,5 m.

Ancho: 0,65 m.

Cañuelas: Las cañuelas son utilizadas para aislamiento térmico en tuberías de

vapor o cualquier otro fluido circulante cuya temperatura esté dentro del rango de 30

a 350°C.

Las cañuelas están construidas con lana superfina de vidrio preformada con

resina aglutinante y una sal de elevada resistencia a la temperatura que fortalece la

incombustibilidad de la fibra, además está blindada con una hoja de aluminio calibre

0,10 mm de espesor, de fácil instalación. Gutiérrez, 1997.

Dimensiones de las cuñuelas:

Largo: 910 mm.

Diámetro: de 12,7 mm a 635 mm.

Espesor de pared: de 25,4 mm a 127 mm.


2.3.5.2 Cálculo del espesor óptimo.

El aislamiento debe aportar beneficios crecientes en lugar de gastos fijos. La

medida del beneficio operacional es función directa de la cantidad de aislamiento

presente dentro de las circunstancias de funcionamiento del equipo.

Parámetros considerados para la selección de aislante térmico para tuberías:

Diámetro nominal de la tubería.

Temperatura de operación.

Tipo de fluido y material aislante.

Espesor óptimo.

Según Yunus, 2005, teóricamente, lo que realmente se calcula es el radio

crítico del aislamiento ( ). La ecuación 2.2 se emplea para determinar dicho

radio.

= (2.2)

Donde:

: Coeficiente de conductividad térmica

.

ℎ: Coeficiente de transferencia de calor por convección

.

Por lo tanto, el espesor se calcula, con la ecuación 2.3.

| − | = (2.3)


Pérdidas de calor en Tuberías sin aislar con aire en movimiento (flujo

cruzado).

Para realizar el cálculo de pérdida de calor, se utilizan correlaciones empíricas

para flujos externos (flujo cruzado) con transferencia tanto de calor y masa por

convección. Estas correlaciones empíricas por lo general son las representadas por las

ecuaciones 2.5 y 2.6. La ecuación 2.5 es denominada ecuación de Zhukauskas y se

recomienda para el intervalo: 1 ReD106; 0,7 P 500. Yunus, 2005. Por otra

parte para el cálculo del Número de Reynold, implícito en ésta, se hace uso de la

ecuación 2.4.

= ∙ Ø (2.4)

= ∙ ∙ ∙ (2.5)

ℎ =Ø

∙ (2.6)

Donde:

V = Velocidad del viento (m /s).

∅ = Diámetro externo de la tubería (m).

= Viscosidad cinemática del fluido (m2/s).

= Conductividad térmica (W/ m K).

= Número de Nussel.


= Número de Prandtl a temperatura ambiente.

= Número de Prandtl a temperatura superficial de la tubería.

= Radio de tubería.

ReD = Número de Reynolds.

C y m = Constantes que dependen de ReD.

n =Constantes que dependen de P . Si P 10; n=0,37, P 10; n= 0,36. Yunus,

2005.

Todas estas propiedades se evalúan respecto a la temperatura de película

promedio (Tp) la cual es el promedio de las temperaturas del medio circundante (T)

y la temperatura de la superficie de la tubería (TS), excepto que se evalúa respecto

a la temperatura superficial en la tubería (TS).

Cabe indicar que todos los parámetros involucrados en estas ecuaciones, son

valores tabulados de acuerdo a propiedades termofísicas de gases (aire) a presión

atmosférica.

2.3.6 Trampas de vapor.

Las trampas de vapor son un tipo de válvula automática que filtra el

condensado (es decir vapor condensado) y gases no condensables como lo es el aire,

esto sin dejar escapar al vapor. En la industria, el vapor es regularmente usado para

calentamiento o como fuerza motriz para un poder mecánico. Las trampas de vapor

son usadas en tales aplicaciones para asegurar que no se desperdicie el vapor.

El vapor se forma cuando el agua es evaporada para formar un gas. Para que el

proceso de evaporación se produzca, las moléculas de agua deben recibir suficiente

energía de tal manera que las uniones entre las moléculas (uniones de hidrogeno, etc.)

se rompan. Esta energía que se da para convertir un líquido a gas recibe el nombre de

"calor latente".


Los procesos basados en el calentamiento utilizan el calor latente y lo

transfieren al producto. Cuando se realiza este trabajo (es decir el vapor ha cedido su

calor latente), el vapor se condensa y se convierte en condensado. En otras palabras,

el condensado no tiene la habilidad de hacer el trabajo que el vapor realiza. Por lo

tanto la eficiencia de calentamiento se ve afectada si el condensado no es removido

rápidamente como sea posible, ya sea en una tubería para transportar el vapor o en un

intercambiador de calor.

2.3.6.1 Tipos de trampas.

En la figura 2.11 se muestra las vistas transversales de diferentes tipos de

trampas de vapor.

Trampa tipo Cubeta Expansión Metálica Tipo Impulso Flotador Libre

Figura 2.11. Tipos de trampas de vapor. Armstrong, 2006.

Tipo Cubeta.

Por medio de la flotabilidad del cilindro de la cubeta, la válvula localizada en la

parte superior abre y cierra para descargar el condensado intermitentemente. A

diferencia de la trampa mostrada en la vista transversal (Tipo Cubeta Invertida), al

principio estas trampas tenían la parte superior abierta (Tipo Cubeta Abierta).


Tipo Expansión Metálica.

Al principio, una lámina recta metálica fue utilizada, la cual se expandía cuando

aumentaba la temperatura, cerrando la válvula localizada al final de la lámina. Este

tipo de trampa no es muy utilizada hoy en día, después de haber sido reemplazada por

las trampas tipo bimetálicas, las cuales trabajan con dos tipos de metales con

diferente coeficiente de expansión que son combinados en un elemento bimetálico.

Cuando la temperatura ambiente varía, la forma del elemento bimetálico cambia,

controlando la apertura y cierre de la válvula y la descarga de condensado.

Tipo Impulso.

Desde el exterior, el tornillo de ajuste se utiliza para establecer la cantidad de

vapor que fluye a través de la brida en el pistón de la válvula y la cantidad de vapor

que fluye por el orificio a través del centro del pistón. El movimiento hacia arriba y

hacia abajo del pistón de la válvula la abre y cierra, descargando condensado

intermitentemente.

Tipo Flotador Libre.

El condensado es descargado continuamente mientras el tamaño de la apertura

de la válvula es controlado en todo momento por la magnitud de la fuerza de flotación

actuando sobre el sello hermético del flotador. A los flotadores originales se les

agregó una palanca, pero los flotadores modernos de nuestros días son esféricos

actuando por sí mismos como la válvula.

De manera general se puede clasificar las trampas de acuerdo con su

funcionamiento, distribuyéndolas como sigue:

a) Termostáticas:

• De presión equilibrada.

• De expansión líquida.


• Bimetálicas.

b) Mecánicas:

• De flotador y termostática.

• De balde invertido.

• De balde abierto.

c) De impulso.

d) Termodinámicas.

Características requeridas en trampas de vapor.

En la actualidad, es considerado esencial que una trampa de vapor, como un

tipo de válvula automática, debe tener las 3 características siguientes:

Descarga inmediata y completa de condensado.

No fugar vapor aún cuando se utilice durante largos periodos de tiempo.

También descargar gases no condensables, como el aire.

Dependiendo del tipo de trampa de vapor (principio de operación, construcción,

etc.), estas características tienen sus fortalezas y debilidades relativas. Además, el

modo de operación varía entre los diferentes tipos. Existen tipos que descargan

condensado continuamente y tipos que lo hacen de manera intermitente. La

combinación de éstos da a cada tipo de trampa de vapor características especiales.

Selección de trampas de vapor.

La palabra ‘orificio’ literalmente significa una abertura. En el contexto de las

trampas de vapor TLV, el término orificio se utiliza para referirse a la abertura o paso

a través del asiento de la válvula. El tamaño del orificio depende del tamaño del

cuerpo de la trampa de vapor y de la presión diferencial de operación. El caso de la

trampa de flotador libre J3X, por ejemplo, las opciones de orificio para rangos


diferentes de presión diferencial son de aproximadamente 2-3 mm de diámetro o

menor. Tenga en cuenta que el diámetro de un orificio es mucho menor que el

diámetro interno de la conexión de tubería. En la figura 2.12 se muestra la vista

transversal de una trampa de vapor, donde se aprecian los orificios de la misma.

Figura 2.12. Trampa tipo J3X.

Mientras que una trampa de flotador libre con un tamaño de conexión nominal

de 15mm se conecta a la tubería con un diámetro interior de 15 mm. El orificio puede

tener un diámetro de alrededor de 2-3 mm o menor. ¿Por qué el diámetro del orificio

es mucho menor que el diámetro interior de la tubería?

Fabricantes de trampas de vapor TLV afirman que Aunque la tubería es

generalmente dimensionada para flujo en dos fases (condensado con vapor), el

orificio sólo necesita ser dimensionado para el volumen de condensado. Un orificio

de 2-3 mm con una presión diferencial de 0,2 MPa puede descargar aproximadamente

350 kg/h de condensado. Esto sería lo suficientemente grande para drenar condensado

basado en el consumo de vapor estimado en equipos pequeños que tengan una salida

de condensado de 15 mm. La capacidad de descarga del modelo J3X es ligeramente

mayor que el condensado que puede ser descargado a través de su venteo termostático

de aire. Armstrong, 2006.


Esto puede ser visto a partir de que un orificio con un diámetro mucho menor

que el diámetro de la conexión de tubería es suficiente para satisfacer las necesidades

en la capacidad de descarga de la trampa de vapor. De ello se deduce, por supuesto,

que un orificio de tamaño mayor debería permitir que la trampa tenga una capacidad

de descarga mayor. Sin embargo, para que la trampa opere a la misma presión

diferencial, esto requeriría de un flotador proporcionalmente mayor, que a su vez

aumentaría el tamaño del cuerpo de la trampa.

En la figura 2.13 se observa las curvas para las trampas de vapor TLV J3X:

En el caso de la mayoría de las trampas tipo mecánicas es el tamaño del

orificio, no el tamaño de la conexión, lo que determina la capacidad de descarga. No

existe una relación directa entre el tamaño de conexión y la capacidad de descarga.

Un ejemplo de esto es el modelo J3X, en el cual todos los tamaños con conexión a la

tubería de 15 mm, 20 mm y 25 mm, tienen la misma capacidad de descarga para

cualquier tamaño de orificio determinado como se muestra en la figura 2.13.

Un orificio de mayor tamaño permite a la trampa tener una mayor capacidad de

descarga. Sin embargo, esto requiere un flotador de mayor proporción para la misma

presión diferencial, lo cual incrementa el tamaño del cuerpo de la trampa. Con el fin

de diseñar una trampa con la suficiente capacidad, se tiene que determinar el tamaño

de orificio apropiado y el diámetro del flotador.


Figura 2.13. Curva de las trampas. Grunauer, 2005.

Importancia de las trampas de vapor.

Una trampa para vapor es un dispositivo que permite eliminar condensado, aire

y otros gases no condensables, además de prevenir pérdidas de vapor. Sus

importantes funciones se describen a continuación:

a. Eliminación de condensado: El condensado debe pasar siempre, rápido y

completamente a través de la trampa para vapor para obtener un mejor

aprovechamiento de la energía térmica del vapor.


b. Eliminación de aire y otros gases no condensables: El aire y los gases

disminuyen el coeficiente de transferencia de calor. Además, se debe tener presente

que el y el causan corrosión.

c. Prevención de pérdidas de vapor: No deben permitir el paso de vapor sino

hasta que éste ceda la mayor parte de energía que contiene, también las pérdidas de

vapor deben ser mínimas mientras la trampa libera vapor condensado, aire y gases no

condensables.

2.4 Trampas de vapor para sistemas de distribución.

Los sistemas de distribución de vapor conectan a las calderas con el equipo que

en realidad utiliza el vapor. Estos sistemas de distribución transportan el vapor hasta

cualquier sitio en la planta donde se necesita su energía calorífica.

Los tres componentes principales de un sistema de distribución de vapor son los

cabezales, las tuberías principales y los ramales. Cada componente cumple con ciertas

funciones específicas en un sistema de vapor y junto con los separadores y las

trampas contribuyen al uso eficiente del vapor.

2.4.1 Pierna colectora o pozo de goteo.

Un aspecto común en todos los sistemas de distribución de vapor es la

necesidad de tener piernas colectoras o pozos de goteo a ciertos intervalos en las

tuberías. Sus funciones son:

1. Dejar que el condensado sea drenado, por gravedad, del vapor fluyendo a alta

velocidad.

2. Colectar el condensado hasta que la presión diferencial sea suficiente para

descargarlo a través de una trampa de vapor.


En la figura 2.14 se observa un ejemplo de una pierna colectora o pozo de

goteo.

Figura 2.14. Pierna colectora. Armstrong, 2006.

Una pierna colectora del tamaño adecuado, puede recoger todo el condensado

en la línea. En una pierna colectora demasiada pequeña se produce el efecto de

venturi, donde la caída de presión succiona el condensado fuera de la trampa. En la

tabla 2.3 se puede visualizar las dimensiones recomendadas para las piernas o pozo

de goteo según el diámetro de tubería.

Tabla. 2.3 Dimensiones recomendadas para piernas colectoras o pozos de goteo. Armstrong, 2006.


2.4.2 Tuberías principales.

Uno de los usos más comunes para las trampas de vapor es el trampeo de las

tuberías principales de vapor. Estas tuberías se deben mantener libres de aire y de

condensado para poder garantizar que el equipo que utiliza el vapor estará trabajando

en forma eficiente. Un trampeo inadecuado en las tuberías principales de vapor muy

frecuentemente ocasiona que se tenga golpe de ariete y acumulación de condensado,

lo cual puede dañar las válvulas de control y otros equipos. Existen dos métodos

comunes para precalentar las tuberías principales de vapor:

o El supervisado

o El automático

El precalentamiento supervisado: es bastante aceptable para el calentamiento

inicial de tuberías de diámetro grande y/o de gran longitud. En este método se

recomienda que antes de que el vapor fluya por la tubería principal se abran

completamente las válvulas de las piernas colectoras para que el vapor escape a la

atmósfera. Las válvulas de las piernas colectoras se cierran hasta que todo, o casi

todo, el condensado del precalentamiento haya sido descargado. Después de es

REDISEÑO DE LAS LINEAS PRINCIPALES DE DISTRIBUCION DE VAPOR PARA LAS PLANTAS DE ... · 2018. 6....

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