UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ENERGIA

DISEO DE CALDERAS INDUSTRIALES

Profesor : Alfonso Caldas

CURSO DE ACTUALIZACION PROFESIONAL

INTRODUCCIN

La finalidad de una caldera es generar a partir del agua

de alimentacin energa en forma de vapor, para

generar:

- Calentamiento directo e indirecto

- Movimientos de equipos

-Crear vaci por medio de un inyector o eyector

TAMBIEN EXISTEN

PARA ACEITE TERMICO

PARA AGUA CALIENTE

Nos centraremos en CALDERAS PARA VAPOR

Calderas de Vapor

La caldera es el equipo que convierte agua en

vapor aplicando calor o energa proveniente de

la combustin en el quemador.

De su correcta eleccin y equipamiento

depende en buena parte el rendimiento total del

sistema.

3

1.- CALDERAS

1.1 DEFINICION

Las calderas de vapor son aparatos en los que se

cambia de fase al agua (evaporacin) para producir

vapor.

El calor necesario para vaporizar el agua puede ser

suministrado por:

un hogar (combustin) por gases calientes recuperados a la salida de otro aparato industrial (horno, por ejemplo),

por el fluido refrigerador de una pila atmica, por irradiacin solar por una corriente elctrica.

Durante su funcionamiento, la caldera est

sometida interiormente a la presin de

equilibrio del agua y de su vapor a la

temperatura alcanzada.

Los otros elementos del grupo recorridos por el

agua o el vapor, a partir de la bomba de

alimentacin (economizador, recalentador),

estn sometidos casi a la misma presin, pero

la temperatura del fluido puede ser inferior o

superior a la ebullicin.

1.4.2 SELECCIN DE UNA CALDERA PIROTUBULAR

1.4.2.1 FACTORES MS IMPORTANTES

A. REQUERIMIENTOS DE VAPOR

Capacidad Presin Calidad del vapor

Presin

atmosfrica

100 C

1 bar

120 C

10 bar

184 C

DEFINICIONES Y FUNDAMENTOS DE INGENIERIA

Que es el vapor?

Agua + Energa ( Entalpa)

Determina la calidad del vapor :

Slidos - xidos o partculas

Lquidos - AGUA (condensados)

Gases - Aire

Porque usamos Vapor ?

TRANSPORTAR ENERGA:

La energa calrica es agregada al agua para convertirla en vapor

de agua o agua caliente.

TRANSFERIR CALOR:

Medio de transferencia de Energa.

LEY CERO DE LA TERMODINMICA:

La temperatura esta relacionada con la velocidad de

transferencia de calor.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA:

En estos procesos se usan cantidades grandes de energa.

DEFINE LAS CARACTERSTICAS DEL PROCESO DE PRODUCCIN.

Cuando el fluido entra en contacto con una superficie mas fra se

condensa y cede rpidamente esta energa.

Los beneficios del vapor

Usado desde la revolucin industrial, continua siendo un transportador de calor moderno, flexible y verstil

Producido por la evaporacin del agua, es relativamente barato, y completamente ecolgico

Siempre fluye de una fuente de presin alta a otra mas baja y no requiere bombeo

Su temperatura puede ajustarse con precisin controlando su presin

Transporta una gran cantidad de energa con una pequea masa

La generacin de vapor a presin

120C

Presin 1 bar m

La pesa genera la presin

del sistema

0C

100C

CALOR SENSIBLE

(Energa del lquido hf)

El agua absorbe calor observndose un cambio en la temperatura.

100C 100C

Lquido

saturado

Vapor

saturado

CALOR LATENTE ( energa de evaporacin hfg )

La temperatura se mantiene igual.

El calor es utilizado en el cambio de estado fsico.

El Contenido de Calor del Vapor

Entalpia especfica del agua (calor sensible)

Es la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura del agua desde 0C hasta la temperatura de saturacin (ebullicin), kJ/kg

- Es referida como hf

Entalpa especfica de evaporacin (calor latente)

La cantidad de calor requerida para convertir el agua liquida en vapor a la temperatura de saturacin, kJ/kg

- Es referida como hfg

Entalpa especfica del vapor (calor total)

Es la suma de las anteriores, kJ/kg, es la cantidad total de

calor en el vapor

- es referida como hg

Punto de Ebullicin o Temperatura de

Saturacin

A medida que se incrementa la presin, tambin se incrementa la temperatura de saturacin, o punto de

ebullicin.

La temperatura de saturacin es el lmite a la cual el agua puede llegar como lquido. Si se agrega mas calor

comenzar a evaporarse.

Esta es una correlacin fija

Presin

atmosfrica

100 C

1 bar g

120 C

10 bar g

184 C

Temperatura de Saturacin

tem

pera

tura

C

entalpia especifica, kJ/kg

0

100

50

419 2676

0 bar g

505

120

2707

1 bar g

184

781 2781

10 bar g

Agua

Vapor Saturado: Temperatura v.s. Presin

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

tem

pera

tura

C

presin, bar g

Vapor Saturado: Volumen v.s. Presin

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

presin bar g

vo

lum

en

esp

ecf

ico

m/

kg

Tablas de Vapor

Entalpa kJ/kg

Presin

manom.

bar g

Temp.

C

Agua

(hf)

Entalpa

esp. de

evap.

(hfg)

Vapor

(hg)

Volum. espec.

m3/kg

0

1

2

3

4

5

6

7

100

120

134

144

152

159

165

170

419

506

562

605

671

641

697

721

2257

2201

2163

2133

2108

2086

2066

2048

2676

2707

2725

2738

2749

2757

2763

2769

1.673

0.881

0.603

0.461

0.374

0.315

0.272

0.240

Vapor Hmedo

Las propiedades del vapor saturado seco estn en la tabla de

vapor

A menudo, el vapor contiene gotas de agua en suspensin

Cuando este es el caso, se designa como vapor hmedo

El vapor hmedo contiene menos entalpa de evaporacin que el

vapor saturado seco - contiene menos calor til

El grado de humedad del vapor se designa como titulo o

fraccin de sequedad

- si el vapor tiene un ttulo de 0.90

- 90% de su masa ser vapor saturado seco

- 10% de su masa ser agua

Ejemplo de Vapor Hmedo

Entalpa esp. del vapor

sat. seco @ 5 bar g

agua = 671 kJ/kg

evaporacin = 2086 kJ/kg

vapor = 2757 kJ/kg

Entalpa esp. del vapor

x= 90% @ 5 bar g

agua = 671 kJ/kg

evaporacin = (2086 X 0.9) = 1877 kJ/kg

vapor = (2757 x 0.1) = 2548 kJ/kg

La entalpia disminuye en un 10%

Entalpa especfica te

mp

era

tura

C

entalpa especifica, kJ/kg

0

100

50

419 2676

Evaporacin

2257

vapor

Presin manom. 0 bar g

Recalentamiento del vapor te

mp

era

tura

C

0

entalpa especifica kJ/kg

184

782 2781

10 bar g

2944

250

Vapor saturado: volumen v.s. presin

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

Presin bar g

Vo

lum

en

esp

ecf

ico

m/

kg

Vapor saturado: temperatura v.s. presin

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200 Tem

pera

tura

C

Presin, bar g

Diagrama de Molier -vapor recalentado

En

talp

a e

sp

ecif

ica k

J/k

g

Entropa especifica kJ/kg K

Area de

recalentado

Area

hmeda

2958

EL SOBRECALENTAMIENTO REDUCE

EL CONSUMO DE VAPOR

En toda tubera de vapor hay prdidas por radiacin por lo

tanto, si el vapor que entra a la lnea es seco saturado

inmediatamente se inicia el proceso de condensacin la

cual es descargada por medio de trampas y

frecuentemente se pierde el condensado.

As adems de la perdida de calor por radiacin hay

adems la perdida de calor en la condensacin.

Por supuesto si el condensado se retorna a un tanque, una

parte del calor del lquido se aprovechar.

Aadiendo una cantidad suficiente de sobrecalentamiento

al vapor, podr ser transportado sin prdidas por

condensacin.

La instalacin de un sobrecalentador en un caldero, tiene el efecto de reducir la cantidad de trabajo que deben de efectuar las superficies de evaporacin para producir la misma potencia.

En otras palabras, la instalacin de un

sobrecalentador incrementa la capacidad de la planta.

Adicionalmente un sobrecalentador bien

diseado aumenta la eficiencia trmica de la unidad generadora de vapor.

Clasificacin de Calderos Industriales

Uso

Presin

Material

Tamao

Contenido de los Tubos

Combustible

Quemador

Fluido

Circulacin

Nombre manufactura

Nmero de pases

Disposicin de rea de transferencia

Aplicacin especial

Cmo clasificar los calderos?

31

1.- CALDERAS

1.1 DEFINICION

Las calderas de vapor son aparatos en los que se hace

hervir agua para producir vapor.

El calor necesario para caldear y vaporizar el agua

puede ser suministrado por un hogar, por gases

calientes recuperados a la salida de otro aparato

industrial (horno, por ejemplo), por el fluido refrigerador

de una pila atmica, por irradiacin solar o por una

corriente elctrica.

Cuando el calor es suministrado por un lquido caliente

o por vapor que se condensa, se suelen emplear otras

denominaciones, tales como vaporizador y

transformador de vapor.

Durante su funcionamiento, la caldera est

sometida interiormente a la presin de

equilibrio del agua y de su vapor a la

temperatura alcanzada.

Los otros elementos del grupo recorridos

por el agua o el vapor, a partir de la bomba

de alimentacin (economizador,

recalentador), estn sometidos casi a la

misma presin, pero la temperatura del

fluido puede ser inferior o superior a la

ebullicin.

Otro medio de aprovechar mejor el

calor producido en el hogar ha

consistido en emplazar ste en el

interior de la caldera, estando

constituido por un cilindro de plancha,

cuya superficie externa est

enteramente baada por el agua.

Boiler Horse Power (BHP)

Un boiler horsepower (BHP) es equivalente a

33,475 Btu por Hora (Btu/Hr)

34.5 libras de vapor saturado seco por hora desde y hasta 2120 F.

(100C)

15.65 Kg de vapor saturado seco por hora desde y hasta 100C

Las reglas basicas dicen que un BHP equivale a Evaporar

4.14 gal/hr de agua

15.5 lt/hr de agua

Segn su Uso: Estacionarias (calefaccin) Mviles (Locomotoras, marinas)

Segn La Situacin del Hogar: Interna Externa

Segn los Materiales: Fuertes: acero especiales. Calefaccin: Hierro colado.

Segn el Contenido de los Tubos:

Pirotubulares Acuotubular

Segn el Combustible: Liquido Slido Gaseoso

Segn la Combustin: Fuego Nuclear Elctrica

Segn La Potencia: Baja (150 Tn/h)

Segn Forma y Posicin de los Tubos: Rectos Curvos Horizontales Verticales Inclinados

Segn la Circulacin:

Natural Forzada

CLASIFICACIN DE LAS CALDERAS

Potencia de Calderos (Boilers)

En una Exposicin The Philadelphia1876, donde se presentaron los modernos generadores de vapor. se defini por primera vez boiler horsepower :

Se determin que se necesitaba aprox. 30 lb de vapor para producir 1 Horsepower de trabajo.

Standarizado por ASME en 1889.

Posteriormente se defini el ratio de 30lb/hr de vapor a 70 psi agua a 100F.

Un buen diseo de la fecha el sistema trabajara con un 1BHP por cada 10 pie cuadrados de rea de trasferencia. An con tecnologa

sub-ptima. La tecnologa actual determina otro standar de hasta 4,5 a

5 pie cuadrados por BHP.

La potencia de caldero es una unidad de capacidad de un equivalente de evaporacin de 34.5 lb de agua desde y a 212F (33.475lb/hr)

37

PARAMETROS PARA LA SELECCIN DE CALDERAS

DEFINICIONES PRELIMINARES

Es la cantidad de calor aprovechado por el agua hasta lograr su evaporacin y

sobrecalentamiento a una temperatura indicada.

La forma mas practica de evaluar la carga trmica de la caldera es mediante la diferencia

de la entalpa entre el estado final e inicial del agua expresado como:

*omhQ (BTU/Hr, KW)

Donde:

m: Flujo de agua y produccin de vapor en (Kg./seg., lb./seg.) h: Diferencias de entalpas vapor y agua.

Se puede simplificar este clculo y obtener resultados aproximados mediante una

tabla de vapor saturado y considerando la diferencia de entalpa como la suma de

la entalpa de calentamiento del agua hasta la temperatura de saturacin y el calor

latente de evaporacin a la presin de trabajo as:

CARGA TERMICA (Q) TEORICA

CARGA TERMICA (Q) REAL

se sabe tambin que:

(KJ/Kg) latsen hhh

Donde:

Cw: Calor especifico del agua = 4.186 KJ/Kg. C

Ts: Temperatura de Saturacin

Te: Temperatura Inicial

hfg: Entalpa de evaporacin a presin Ps (KJ/Kg.)

)( latsen

o

hhmQ BTU/Hr, KW, Kcal./Hr

Donde entalpa de calentamiento: hsen

KJ/Kg )(186.4* eswsen TTTCh

PRODUCCION REAL DE VAPOR DE UNA CALDERA

Mv REAL = 34.5 x BHP x hfg100c

(hg - 4.187 x Te) Donde :

Mv = Flujo de vapor en lb/hr (entre 2.2 Kg/Hr)

BHP = Potencia de la Caldera

Te = Temperatura del agua de alimentacin

hfg 100C = entalpa vaporizacin calor latente a 100C = 2257 Kj/kg

hg = entalpa total de vapor saturado a la presin de trabajo tablas

SI SE QUIERE CALCULAR SOLO EL FACTOR

TefPtg

cfg

hh

hFC

100

CAPACIDAD DE VAPORIZACION DE UNA CALDERA

Es la capacidad de un generador de vapor en Kg/Hr (lb/Hr) indicando

la presin de Trabajo y la Temperatura de ingreso del agua.

Pero como las calderas trabajan a presiones diferentes unas con

otras, as como temperaturas de ingreso de agua, surge como una

forma de expresar la potencia del equipo en BHP de Caldero.

HP DEL CALDERO-BHP

La definicin ms aceptada para este concepto ta dio la ASME

(AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEER) de la siguiente

manera:

Es la cantidad de calor necesaria que hay que suministrar para

evaporar 34.5 libras de agua por hora desde 212F a 212F.

En trminos numricos esto equivale a:

1 BHP = 33475 BTU/Hr

1 BHP = 9.81 KW

HP DEL CALDERO-BHP

De esto se puede concluir que el HP DE CALDERA es una unidad de calor,

por lo que puede ser de diferentes BHP, dependiendo de la presin y de la

Temperatura del Agua de ingreso.

Tambin se emplea el BHP de caldero para designar el tamao de una

caldera en base a la superficie de calefaccin. Para ello, la ASME teniendo

en cuenta que las calderas en esa poca utilizaban la superficie de

calefaccin de 5 pies2 para generar 34.5 lbs. de vapor por hora.

EFICIENCIA TERMICA DE UNA CALDERA

Es el porcentaje de calor total suministrado por el combustible que es cedido

al agua, esto es:

%100*ecombustibl del Energa

Agua al cedido

RPH

QCalorEficiencia

Eficiencia de caldero Eficiencia de caldero: ratio entre el calor producido vs el calor entregado:

cc

avv

pm

hhm.

.

)(

Donde:

mv: masa de vapor producido

hv: entalpa total de vapor producido

ha: entalpa total de agua entregada

mc: masa de combustible entregado

pc: poder calorfico de combustible entregado

EFICIENCIA TERMICA DE UNA CALDERA

Pero, tambin, podemos expresar el calor cedido al agua como:

perdidaspor calor -Chimeneaspor Calor - eCombustibl del EnergaQ

Por lo tanto:

Donde:

QComb: Calor cedido por el combustible (poder calorfico del combustible)

Qg: Prdida por lases de chimenea

Qp: Prdidas generales (aislamiento, refractario inquemados, putrgas, etc)

La eficiencia se encuentra afectada por: Superficies de calefaccin sucias: incrustaciones u holln Quemador con funcionamiento defectuoso: mala turbulencia en los deflectores y difusores de aire, tobera o capa rotativa defectuosa o mala atomizacin del

combustible.

Regulacin de la combustin con aire excesivo, denotado por un nivel alto de oxigeno entre los productos de la combustin.

Mal aislamiento trmico de la caldera o fugas de calor por empaquetaduras.

)(.

.

.

.

1

Qcomb

QpQg

Qcomb

QpQgQcomb

G. SUPERFICIE DE CALEFACCION

Segn ASME la superficie de calefaccin de la unidad de vapor es aquella

parte de la superficie de transmisin de calor del aparato, expuesto por un

lado a los gases de escape y por otro en contacto con el lquido que es

calentado, medida el lado que recibe calor.

El valor empleado para la superficie de calefaccin por cada BHP,

actualmente flucta entre 3.5 pies2 por BHP para calderas verticales

y de 5 pies2 por BHP para calderas horizontales. El optar por

considerar 5 pies2 por BHP en calderas horizontales, nos permite

lograr una larga vida en proporcin o la capacidad a travs de esta

superficie que se realiza la transferencia de calor cuyas formas son:

Es la transferencia que se realiza desde un punto de un material hasta otro del

mismo o hacia un material contiguo.

La figura muestra como

El calor es proporcional al rea de transferencia (A) y al diferencial de

temperatura (T)

e inversamente a la longitud (X) del material expuesto a la conduccin.

La constante (K) de la proporcionalidad define la clase de material y es llamado el

coeficiente de calor del material.

Esta forma de transferencia de calor se produce en toda la superficie de

Calefaccin de la Caldera.

G.1 Transferencia de calor por Conduccin

Transferencia de calor por Conveccin

Se entiende por conveccin al proceso de transferencia de energa que tiene

lugar principalmente en los fluidos como consecuencia de este contacto con

un slido a diferentes temperaturas,

Para poder evaluar la energa que se intercambia entre un fluido y un slido,

ambos, a diferentes temperaturas medias, es necesario conocer un factor

llamado coeficiente de pelcula en cuyo calculo estn basadas las teoras

concernientes a la conveccin.

La conveccin aporta una mayor energa en los pasos de los gases por el

interior de los tubos, que en la cmara de combustin.

G.2 Transferencia de calor por Conveccin

G.3 Transferencia de calor por Radiacin

La cantidad de energa que se irradia sobre un cuerpo depende de tres

factores:

tamao, forma y de la sustancia que lo conforma,

pero principalmente de la temperatura absoluta a que se encuentre.

La energa radiante se desplaza en forma de ondas electromagnticas que

Esto trae consigo que ms del 60% del calor se produce

mayormente en la cmara de combustin.

G.3 Transferencia de calor por Radiacin

La figura muestra un

ejemplo de este calor en

una zona de radiacin

dentro de una caldera,

compuesta bsicamente

por los quemadores, como

fuente de calor y la zona

del banco principal de

tubos, como de radiacin.

La radiacin, producida por

la llama del combustible en

el horno, cubre el

supercalentador y la zona

de generacin de vapor

saturado, donde ocurre el

intercambio de energa:

energa potencial (qumica)

del combustible a energa

trmica de vapor de agua.

Descripcin del proceso de transferencia de calor

En el caso real de una caldera, la transferencia de calor es una interaccin de

todos los tipos de transferencia de calor mencionados. Un tubo, colocado en una

corriente de gases calientes, recibe una corriente de conveccin, que lleva el

calor desde el horno hacia el tubo lleno de agua. Una delgada pelcula de gases

calientes cubre la parte exterior del tubo y similarmente, dentro del mismo tubo,

una pelcula de fluido fro (agua), se adhiere a la parte interior del tubo.

El calor de los gases caliente fluye, por conduccin, a travs de la pelcula de

gases al metal del tubo y de all, a la pelcula de agua dentro de l. La pobre

conductividad trmica de la pelcula de vapor, en comparacin con la de metal o

la del agua, causa una alta cada de temperatura en el exterior del tubo.

Diagrama de flujo de Caldera

52

AGUA (tratada)

Electricidad VAPOR

Combustibles utilizados

Del diagrama anterior, lo que varia es el

combustible utilizado

Gas Natural

Diesel

Residual

Etc.

53

Caldera paquete tpica

Equipamiento Caldera

Los objetivos del equipamiento son:

Funcionamiento

Seguridad

Eficiencia

Equipamiento por Funcionamiento

Sistema de control nivel y alimentacin de agua

Quemador de combustible

Programador

Sistema de encendido

Equipamiento por Funcionamiento

Sistema de alimentacin de Combustible

Vlvulas de Interrupcin de salida y purgas

Indicadores de presin y temperatura

Sistema elctrico para arranque de motores

Equipamiento por Seguridad Dispositivos de

seguridad

Presostatos (aire, combustible, vapor)

Termostatos

Fotocelda

Indicadores y alarmas de nivel

Vlvulas de seguridad

Normas de construccin, ubicacin y operacin

Equipamiento por Eficiencia

Tratamiento del agua de

alimentacin

Control de purgas de

caldera

Recuperacin de calor en

las purgas

Control automtico de la

combustin

Alimentacin de agua modulante

DETERMINACION DE

CAPACIDADES DE PLANTA

CONSUMO DE VAPOR TIPICO DE UNA PLANTA

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

160.00

180.00

09:3

0

09:4

5

10:0

0

10:1

5

10:3

0

10:4

5

11:0

0

11:1

5

11:3

0

11:4

5

12:0

0

12:1

5

12:3

0

12:4

5

13:0

0

13:1

5

13:3

0

13:4

5

14:0

0

14:1

5

14:3

0

14:4

5

15:0

0

15:1

5

15:3

0

15:4

5

16:0

0

16:1

5

16:3

0

16:4

5

17:0

0

17:1

5

17:3

0

17:4

5

HORAS

PO

TE

NC

IA (

BH

P)

Serie1

Consumo promedio

Consumo Pico

Circuito tpico de vapor

Pan Pan

Caldera

Bomba Tanque

de alim.

Make-up,

agua de

Cubas

Condensado

Condensado

Vapor

Vapor

Vapor Tanques de

proceso

Calentador

de aire

TIPOS DE EQUIPO CONSUMIDORES DE

VAPOR

INTERCAMBIADORES DE CALOR CILINDROS ROTATIVOS O CALANDRIAS

TANQUES ENCHAQUETADOS

TANQUES CON SERPENTIN

ESTERILIZADORES

PRENSAS

MESAS DE CALENTAMIENTO

RADIADORES O CALENTADORES DE AIRE

INYECCION DIRECTA DE VAPOR

VENAS DE CALENTAMIENTO O TRACING

ETC.

Listado de equipos

En todos los casos se debe hacer un listado de equipos con los

datos siguientes

Consumo de vapor Kg/hr

Potencia Kw Kj/hr Btu/hr

Presin de trabajo Psig o barg

Estos datos deben aparecer en los manuales de Fabricante

Una forma sencilla es medir el caudal de condensado donde un litro

de agua es un kg de vapor

FORMULAS PARA CALCULO

Mv = Mp x cp x T

t x hfg

Donde :

Mv = Flujo de Vapor en Kg/Hr

Mp = Masa de Producto en Kg

Cp = Calor especifico de producto a calentar en Kj/ kg C

T = temperatura final temperatura Inicial

t = tiempo de calentamiento en horas

hfg = entalpa o calor latente a la presin del vapor en Kj/kg

Formulas de calor

Q. = Mv x hfg = U x A x T

Mv = U x A x T

hfg

Donde

Q. = Potencia calorifica en Kw

Mv = Flujo de Vapor en Kg/Hr

U = Coefic. Global de transferencia en KJ/ m2 C

T = diferencia entre fluido mas caliente menos el mas frio

hfg = entalpa o calor latente a la presin del vapor en Kj/kg

Factor de simultaneidad

Consiste en determinar cuantos equipos pueden funcionar a la vez

Factor de simultaneidad 1 significara que todos los equipos de planta funcionaran a la vez

Para ello debemos identificar el tipo de planta ejm

Textil 0.6 , Papel 1, pesquera 1,

Alimentos 0.7, Bebidas 0.65

LISTADO EQUIPOS PLANTA EQUIPO VAPOR Presin Tiempo Ciclos da hrs /dia

Kg/Hr Bar hr

Marmita 1 200 2 0.5 4 2

Marmita 2 200 2 0.5 4 2

Tanque 5 400 5 8 1 8

Esterilizador 1 350 3 2 6 12

Esterilizador 2 800 3 2 6 12

Tanque 3 500 5 3 2 6

Calentador 1 200 5 2 3 6

Intercambiador 1 400 3 1 4 4

Intercambiador 2 400 3 1 4 4

Estufa 300 6 12 1 12

3750

Consumos distribuidos por Horas

Si observamos los consumos por horas nos damos cuenta que el consumo Total es 3750 Kg/hr esto entre 15 da un caldero de 250 BHP El consumo Pico se da a las 11 horas 2250 Kg/hr esto entre 15 da un Caldero de 150 BHP

El factor de simultaneidad sera 2250/3750 = 0.6

Consumo HORAS

Kg/hr 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Marmita 1 200 200 200

Marmita 2 200 200 200

Tanque 5 400 400 400 400 400 400 400 400 400

Esterilizador 1 350 350 350 350 350 350 350 350 350 350 350 350 350

Esterilizador 2 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800

Tanque 3 500 500 500 500 500 500 500

Calentador 1 200 200 200 200 200 200 200

Intercambiad 1 400 400 400 400 400

Intercambiad 2 400 400 400 400 400

Estufa 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300

3750 1750 2250 2050 1850 1500 1850 1550 1550 1450 1450 1450 1450 1650 1000 700 1500 1000 1500 1300

La Caldera y el Vapor que Llega al

Equipo

Cantidad correcta

Presin y temperatura

correcta

Libre de aire y gases

incondensables

Limpio

Seco

Tipos de Calderas

Pirotubulares

Acuotubulares

71

Calderas Pirotubulares

Calor por el interior de los tubos

Agua por el exterior de los tubos

Para presiones mximas de 20 bar y consumos hasta 30 T/h.

Son econmicas, de alto rendimiento y fcil mantenimiento.

72

De 2 pasos

74

Eficiencia de

Quemador y

combustin

1o paso

2o paso

3o paso

Temperatura de

Humos

Calidad de

vapor

generado.

Generacin de Vapor: Caldera

Pirotubular de Tres Pasos

Caldera de 4 pasos

rea

4to paso

rea

3er paso

rea

2do paso

rea

1er paso

CUATRO PASOS

Duales cuando tienen quemadores que pueden trabajar con dos ms combustibles diferentes.

Combustible. Diesel 2 y

GLP

1. Quemador

2. Tubo de Fuego

3. Cmara de Humos

4. Cmara de Agua

5. Cmara de vapor

6. Salida del vapor

7. Vlvula de Seguridad

8. Entrada de Hombre

9. Indicador de nivel y manmetro

10. Ventilador

11.Bomba de presin del combustible.

12. Espiral de aire

13. Salida hacia la chimenea.

14.Cuerpo cilndrico revestido con

material aislante.

15. Tubos de humo.

16. Toma de vapor( antiespumante)

Caldera de un paso (SHIELD)

Pirotubular cuando lleva fuego y gases de la combustin dentro de los tubos.

De espalda seca cuando tiene las tapas posteriores ( espejos)

aislados con ladrillo refractario.

De espalda hmeda cuando tiene una cmara de agua en las tapas posteriores

Calderas Acuotubulares

Calor por el exterior de los tubos

Agua por el interior de los tubos

Se usan normalmente para presiones altas.

Y altas capacidades de generacin

82

Caldera Acuotubular

Vapor

Alimentacin agua

Agua

Calor

Salida

gases

Calderas Industriales Tubos de Agua

Vapor saturado Presiones de diseo a

70.31 kg/cm2

Temperatura de vapor saturado mxima - 375 C a 225.4 kg/cm2

Capacidades para vapor sobrecalentado:

Con 34,000 kg de vapor/hr Vapor a 400 C y 49.2

kg/cm2 de presin de operacin

TIPOS DE CALDERA

Acuotubular, cuando lleva agua

y vapor dentro de los tubos.

En O acuotubular que tiene solo dos domos y un has de tubos vertical.

Tambor de

vapor

Tambor

de lodos

En D acuotubular, que tiene tres domos y un haz de tubos en forma similar a una letra D.

Tambor de

vapor

Tambor

de lodos

88

Paredes del hogar

de membrana soldada o tangente

Refractario en paredes frontal y posterior

Otros tipos

- Tipo O

- Tipo A

Calderas Industriales Tubos de Agua

En A acuotubular que tiene un tambor en la parte superior y dos tambores de lodos, arreglados de modo que se asemjan a una A.

USOS

CUADRO DE USOS

01 Hospitales

02 Baos Saunas

03 Universidades, Colegios grandes,

Clubes y Hoteles

04 Lavanderas

05 Tintoreras

06 Fabricas de Fideos

07 Fabrica de Galletas- Golosinas

08 Fabrica de Helados

09 Conservas de Pescado

10 Camales

11 Industrias Avcolas

12 Fbricas de Pintura

13 Bases Militares

14 Fbricas de Gaseosas-Agua Mineral

15 Fbricas de Cerveza

16 Industrias Qumicas

17 Fabrica de Alimentos Balanceados

18 Fbricas de Aceites y Grasas

19 Refineras

20 Minera

21 Industrias Automotrices

22 Industrias de Caucho y Jebe

23 Laboratorios Farmaceuticos

24 Industrias Textiles

25 Industrias Madereras

26 Fabricas de Equipos de Lnea Blanca

27 Fabricas de Ladrillos

28 Fabricas de Cemento

29 Embarcaciones-Cruceros

30 Industrias del Botn

31 Hilanderas

32 Lanera

33 Fbrica de Papel

34 Fbrica de Envases Industriales

35 Fbrica de Embutidos

36 Fbrica de Levadura

37 Fbrica de Llantas

38 Fbrica de Cigarrillos

39 Fbrica Procesadores de Maz

40 Adhesivos Industriales

41 Industrias de la curtiembre

42 Industrias de la Naranja

43 Industrias de la Pulpa de frutas

44 Industrias de Aceite de Limn

45 Industria del Tomate

46 Industria de Algarrobos

47 Industria de la Leche

49 Industria Fotogrfica

50 Otros

COMBUSTIBLE

IMPORTANCIA DE LA ELECCIN DE UN BUEN COMBUSTIBLE

EN LAS CALDERAS

a) Los combustibles estn caracterizados por un poder

calorfico (cantidad de kilocaloras / kilo que suministran al

quemarse), un grado de humedad y unos porcentajes de

materias voltiles y de cenizas.

b) Esto datos son de gran utilidad para determinar las

condiciones prcticas de la combustin, pero no son

suficientes para estudiar el mecanismo de las diferentes

combinaciones qumicas.

OBJETIVOS DE LA COMBUSTION:

- Generar calor a un proceso determinado, fundicin,

etc.

- Incrementar la temperatura para facilitar la ocurrencia

de un

proceso, generacin de vapor.

- Crear una atmsfera con los productos de

combustin,

secado.

Combustible

Temperatura Oxigeno

Combustible es aquel compuesto que almacena energa

qumica en su estructura molecular, y en contacto con aire

dicha energa es liberada a travs de complejas reacciones

qumicas y expresadas por una llama.

Especificaciones bsicas de los combustibles:

Alta densidad de energa: Contenido de calor. Alto calor de combustin: Potencial calor a liberar. Estabilidad trmica: Almacenamiento. Presin de vapor : Volatilidad. Contaminacin atmosfrica : Efecto impacto ambiental.

Seleccin de combustibles:

Costo Disponibilidad Transporte Reglamentacin Ambiental

Tipos de combustibles

Slidos Lquidos Gaseosos

Poder Calorfico y Costos de

combustibles en PERU

BTU/Galon Gal/MM BTU US$/Galon US$/MMBTU

GLP 95877 10.43 1.50 15.65

D-2 131061 7.63 3.40 25.94

R-6 151200 6.61 2.37 15.67

R-500 151600 6.60 1.60 10.55

Btu/m3 m3/MMBtu US$/m3 US$/MMBTU

Gas Natural 35310 28.32 0.18 5.15

Btu/kg kg/MMBtu US$/Kg US$/MMBTU

Carbon Mineral 35870 27.88 0.25 6.97

Distribution de Costos que

Intervienen en la Generacin de

Vapor

Mano obra

2,5 -7.5% Combustible

80-90%

Equipos

2.5 -7.5%

Electricidad

2.0% Purgas

1.75%

Agua

.75%

Prod Quimicos

.5%

Por 1 Tonelada de vapor

Energa Entregada Vs Energa

Utilizada

100 %

Energa de

Combustible

Caldera

Prdidas por Radiacin

Prdidas de gases

2 %

17.5 %

Sala de

Calderas

Radiacin, tanque condensado

Calentam aire de combustin

Condensado no recuperado

Calentamiento agua reposicin

Purga de fondo 1.3 %

0.2 %

0.3 %

1.2 %

0.2 %

Planta

Prdidas de vapor ,

Trampas en mal estado

Prdidas por Radiacion, 0.5 To 4.0 %

Up To 10 %

Energia utilizada 63.3 To 75.8 %

97

Generacin de vapor:

Caldero 1

Caldero 2

Caldero n

Tratamiento

de agua

Manejo

de combustible

Vapor a proceso

Agua de reposicin:

Mnimo agua blanda.

Retorno de condensado.

TSD = 0 , PH

Combustible

Qumico y

Temperatura

Presin y

Temperatura

Calidad y

Cantidad

Cantidad de energa en el agua

Kj/Kg

TABLA 1 8 80 3 7 2439

Cantidad de calor requerido en (KJ) para elevar la temperatura del agua hasta su punto de saturacin a distintas presiones

Presin Temp Agua Alimen. C

20 oC 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 6 bar 1 2,680 2,638 2,596 2,555 2,513 2,471 2,428 2,388 2,344 2,303 2,261

2 7 bar 2 2,685 2,643 2,601 2,560 2,518 2,476 2,433 2,393 2,350 2,308 2,266

3 8 bar 3 2,690 2,648 2,607 2,565 2,523 2,481 2,439 2,398 2,355 2,313 2,271

4 10 bar 4 2,697 2,655 2,613 2,573 2,531 2,489 2,445 2,406 2,362 2,320 2,279

5 12 bar 5 2,704 2,662 2,620 2,578 2,536 2,494 2,452 2,410 2,368 2,326 2,284

6 15 bar 6 2,710 2,668 2,626 2,584 2,542 2,500 2,458 2,416 2,374 2,333 2,291

7 17 bar 7 2,713 2,672 2,630 2,588 2,546 2,505 2,463 2,421 2,377 2,336 2,294

8 20 bar 8 2,717 2,675 2,633 2,592 2,550 2,508 2,466 2,424 2,381 2,339 2,297

Poderes Calorficos de

combustibles

Slidos en KJ/Kg

Lquidos en Kj/galn

Gas Natural en Kj/m3

Acpm 1 145600

Bagazo 2 9304

Bunker 3 160300

Carbon 4 25500

Combustoleo 5 155296

Fuel Oil 6 158000

Gas Natural 7 37000

Gas Propano 8 102957

Clculo de costo de vapor

Q ca Calor necesario para calentar el agua KJ/Kg (tablas)

Se Multiplica x 1000 (Kg x tonelada)

PC Se divide entre el poder calorfico KJ/ gln m3

Se divide entre la eficiencia (0.75 a 0.85)

$ Se multiplica por el costo del flujo (gln m3)

0.9 El costo del combustible representa el 90% del vapor

Se obtiene el costo x tonelada

US$/ton = (Q cal x1000) X $

PC x x (0.9 0.8)

102

CASCO DE LA

CALDERA

PLACA

PORTATUBOS

TUBOS

HOGAR O FLUE

REGISTRO DE MANO

HAND HOLE

REGISTRO DE HOMBRE

MAN HOLE

TAPAS

ESTRUCTURA EXTERNA E INTERNA

PARTES IMPORTANTES DE UNA CALDERA

PIROTUBULAR

Para entender mucho mejor definiremos sus partes ms importantes:

A. EL HOGAR O CAMARA DE COMBUSTION

En el cual se desarrolla la llama. Esto puede ser integrado a una

caldera. El Flue o Cmara de Combustin es un elemento de gran

importancia en las Calderas Pirotubulares, pues aqu se transfiere la

mayor parte de calor hacia el agua. Respecto a la configuracin del

Flue Horizontal segn el cdigo ASME PFT-15 ; esto puede ser de

tres tipos:

A.1. Cilindro Liso

Conformado por las planchas roladas y soldadas en sus extremos a

las placas portatubos. Su superficie exterior es lisa.

A.2 CILINDRO CON ANILLOS

Conformado por tramos cilndricos, pero unidos entre si en forma de

bridas soldadas.

Es un cilindro liso pero con anillos soldados a lo largo de la superficie exterior del Flue

A.3 Cilindro Corrugado La superficie del Flue es ondulada. El empleo de algunos de estos

tipos de Flue esta supeditado a la capacidad de liberacin de calor (superficie) y a la presin de trabajo.

El tipo de Flue que se adopta menor a estos requerimientos es del tipo corrugado, siendo la tendencia industrial actual de emplear este Flue en calderas de mayor capacidad, por su mayor superficie calefactora y en calderas de mayor presin, debido a que las ondulaciones sirven de refuerzo, permitiendo al Flue ser de mayor dimetro y debido a que las ondulaciones absorben esfuerzos trmicos de dilatacin. El Flue del tipo corrugado tiene el inconveniente respecto al Flue liso de tener un proceso de fabricacin ms complicado y costoso.

B. LA CALDERA PROPIAMENTE DICHA Compuesta de un cuerpo cilndrico de chapa de acero con dos tapas

planas, denominados placa-espejo. Dicho cilindro contiene un determinado

volumen de agua y vapor llamado Cmara de Agua y Vapor, que recibe calor

que le ceden los productos de la combustin a travs de las placas, tubos y

cmara de combustin.

El agua que se vaporiza ocupa la parte superior del cuerpo cilndrico de la

caldera. La interfase entre el estado lquido y vapor del agua se denomina:

SUPERFICIE DE DESENGANCHE (Disengaging Superface). La Altura a la que se ubica esta superficie de desenganche constituye el

nivel del agua de la caldera, el agua nunca debe dejar al descubierto las

partes que se encuentran en contacto con la llama o con los gases calientes

por el peligro que ello entraa, el recalentamiento de las chapas con

posibilidad de rotura y su consiguiente explosin.

El nivel de agua tambin determina la cmara de vapor, el cual constituye el

volumen de almacenamiento de vapor en la caldera y depende del diseo

del equipo. Un volumen alto significa el poder responder mejor a las

fluctuaciones de demanda de vapor, que con una cmara menor. As

tambin el tener una cmara de vapor pequea produce arrastre de lquido

hacia la lnea de salida de vapor.

C.- EL CONDUCTO DE HUMOS O TUBOS DE FUEGO

Por donde los productos de la combustin salen del ltimo paso de tubos

para pasar a la chimenea. Dichos productos se mueven impulsados por el

tiro que crea la chimenea o por medio de ventiladores (tiro forzado).

D.- QUEMADOR

El cual produce la combustin que libera la energa correspondiente.

E.- CONTROLES DE OPERACIN Y SEGURIDAD, TANTO PARA LA

COMBUSTION COMO PARA EL VAPOR

1.4.3.2 CODIGO ASME Llamado tambin como el cdigo de la ASME; significa American Society of

Mechanical Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos).

Es una sociedad subsidiada por el Gobierno Norteamericano donde se realizan

una serie de ensayos o pruebas con todo lo relacionado a la Ingeniera Mecnica,

y obtenindose como resultados conclusiones importantsimas para la Ingeniera

Mecnica.

Estas conclusiones son dadas como normas Internacionales a travs de su cdigo

ASME. Manual al cual se deben basar todos los Ingenieros Mecnicos.

ASME ha emitido el documento denominado ASME BOILER AND PRESSURE

VESSEL CODE que consta de 11 secciones pero las mas importantes son las

siguientes:

Seccin I - Calderas de Potencia

Seccin II - Especificaciones de Materiales

Seccin III - Calderas Nucleares

Seccin IV - Calderas de Calentamiento

Seccin V al VIII - Recipientes a Presin

Seccin IX - Calificacin de Soldaduras

109

CONSTRUCCION DE

CALDEROS SEGN ASME

SECCION I

1.4.4.2 MATERIALES EMPLEADOS EN LA FABRICACIN DE

CALDERAS PIROTUBULARES

La ASME en sus acpites PG5 al PG9, determina los materiales a usar segn la

aplicacin de la caldera o la parte de ella a fabricar, as se puede mencionar a los

siguientes:

A. Para Cmara de Fuego, Casco y Placa

Material Denominacin

SA.202 Planchas de acero al cromo-manganeso-silicio, para calderas y recipientes a presin

SA.203 Planchas de acero al Nquel para calderas y recipientes a presin.

SA.285 Planchas de Acero al carbono, de bajo o intermedia resistencia para caja de fuego y para bridas.

SA.299 Planchas de acero al Carbono-manganeso-silicio, de alta resistencia para Calderas y recipientes a presin.

SA.516 Planchas de Acero al carbono, de resistencia intermedia, para calderas soldadas a fusin u otros recipientes o presin de media o

alta temperatura.

B. Para Tubos de Fuego y Tuberas de la Caldera

Material Denominacin

SA.53 Tuberas de acero con o sin costura, para conduccin.

SA.105 Acero forjado para fabricacin de bridas y conexiones.

SA.106 Tuberas de acero al carbono sin costura para servicio de alta temperatura.

SA.178 Tubos de acero al carbono electrosoldado para Caldera. Es el mismo que el ASTM 178.

SA.192 Tubos de Acero para caldera sin costura para servicio de alta presin igual al ASTM 192.

SA.209 Tubos de acero al carbono-molibdeno, para calderas y Sobrecalentadotes.

SA.226 Tubos de acero al carbono electrosoldados, para calderas y Sobrecalentadores de alta presin.

1.4.4.3 PROCESO DE FABRICACIN DE LA CALDERA PIROTUBULAR

Como se menciono anteriormente, la seleccin de estos elementos se

har empleando el cdigo ASME ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE SECTION 1 POWER BOILERS. El diseo de estos elementos consistir principalmente en la determinacin de sus espesores,

obtenidos a base de formulas experimentales planteadas por el ASME, los

que estn en funcin de la mxima presin de trabajo admisible.

Las calderas Pirotubulares por tratarse de un recipiente a presin,

sometido a presin y temperatura, debe tenerse especial cuidado en elegir

el material y proceso adecuado. Adems se recomienda considerar el

diseo cilndrico pues asegura la eliminacin de acumulaciones de

sedimentos y puntos calientes.

1. LAS PLACAS PORTATUBOS ESPEJOS

Estos elementos por ser de tipo plano, son los que ms resisten el esfuerzo de la

caldera, siendo tambin las que ms se deforman luego de cierto perodo de trabajo.

Estos elementos se unen con todas las otras partes del recipiente a presin: casco,

cmaras de combustin y tubos.

Las placas se conforman partiendo de planchas planas, cortadas en forma circular

externa e internamente, mediante oxicorte con su respectivo bisel de soldaduras para

su posterior unin con el casco y cmara de combustin.

Luego de cortadas y biseladas en ellas se traza las posiciones de las perforaciones,

donde se alojarn los extremos de los tubos, para su posterior taladrado.

La operacin de taladrado de placas se realiza en un taladro radial, colocando una

placa encima de la otra para que las perforaciones en ambas placas sean

coincidentes.

El dimetro de las perforaciones deber ser adecuado a los tubos a emplear, con la

tolerancia y redondez adecuada.

Esta caracterstica se logra con el proceso final de limado, debiendo quedar la medida

final de la perforacin en valor diametral mayor que el dimetro exterior del tubo entre

el 20% y 60% del espesor del tubo.

I. LAS PLACAS PORTATUBOS ESPEJOS

Segn cdigo ASME recomienda los siguientes dimetros de Caldera de

acuerdo a la potencia de la misma:

Potencia Dimetro

(BHP) (Pulgadas)

De 20 a 60 - 42

De 60 a 100 - 48

De 100 a 150 - 60

De 150 a 225 - 64

De 225 a 350 - 76

De 350 a 400 - 82

De 400 a 600 - 88

De 600 a 700 - 96

De 700 a 800 - 112

Placa

Dimetro Espesor:

42 in , or under 3/8

(1050mm)

Over 42 to 54in 7/16

(1050 a 1350mm)

Over 54 to 72in

(1350 a 1800 mm)

Over 72 9/16

(1800mm)

115

El cdigo ASME para Calderas, plantea las recomendaciones de clculo para placas

reforzadas con tirantes. El artculo PG-46 del cdigo, trata sobre espesores de placa

requerida por una determinada presin admisible, influyendo tambin el

espaciamiento entre los tirantes o paso. En este artculo se plantea mediante una

ecuacin que, para una misma presin, a menor espesor de placa el espaciamiento

entre refuerzos debe ser menor, o que para un mismo espesor, a menor

espaciamiento de tirantes la placa soportar mayor presin.

Expresando esto con la siguiente ecuacin:

2

2 *

p

CTP

Donde:

T: Espesor de la placa requerida, expresada en 16avos de pulgadas.

P: Mxima presin de trabajo admisible (PSIG)

p: Mximo paso medido entre los centros de dos tirantes adyacentes en la placa, esta

distancia puede ser en forma vertical, horizontal o diagonal en pulg.

C: Constante que vara segn el tipo de tirante.

I. LAS PLACAS PORTATUBOS ESPEJOS

(psig)

El cdigo ASME para Calderas, plantea las recomendaciones de clculo para placas

reforzadas con tirantes. El artculo PG-46 del cdigo, trata sobre espesores de placa

requerida por una determinada presin admisible, influyendo tambin el

espaciamiento entre los tirantes o paso. En este artculo se plantea mediante una

ecuacin que, para una misma presin, a menor espesor de placa el espaciamiento

entre refuerzos debe ser menor, o que para un mismo espesor, a menor

espaciamiento de tirantes la placa soportar mayor presin.

Expresando esto con la siguiente ecuacin:

2

2 *

p

CTP

Donde:

T: Espesor de la placa requerida, expresada en 16avos de pulgadas.

P: Mxima presin de trabajo admisible (PSIG)

p: Mximo paso medido entre los centros de dos tirantes adyacentes en la placa, esta

distancia puede ser en forma vertical, horizontal o diagonal en pulg.

C: Constante que vara segn el tipo de tirante.

I. LAS PLACAS PORTATUBOS ESPEJOS

(psig)

CASCO DE CALDERO Y DOMOS

118

- Segn el Cdigo ASME en su acpite PG-27,

Recomienda lo siguiente:

Para espesores t hasta

t = (P x R) / (0.8S x E 0.6P)

Donde:

P : Presin mxima admisible, Psig. (150 psig.)

R : Radio interior de Caldera, Pulg. (50 pulg.)

S : Mxima tensin admisible del material, 13300 Psig

para plancha ASTM A285 C.

E : Eficiencia de unin, (0.9 juntas soldadas / 1.00 Refuerzos)

t : Espesor de Casco, pulg.

Espesores Mnimos:

Casco:

Dimetro Espesor:

36 in or under

(900mm)

Over 36 to 54 in 5/16

(900 a 1350mm)

Over 54 to 72in 3/8

(1350 a 1800 mm)

Over 72 in

(1800mm)

119

II. EL HOGAR O CAMARA DE COMBUSTION

Es importante mencionar que la cmara de combustin o Flue se conforman de

planchas planas, las mismas que son curvadas o roladas en fro para luego ser

soldadas.

La cmara de combustin debe confeccionarse con una adecuada tolerancia de

redondez a fin de poderse unir satisfactoriamente con las placas espejos.

Se recomienda como una forma prctica que la desviacin diametral de esta

parte no debe exceder a una vez el espesor de ella, pero siempre se debe

considerar la holgura necesaria para el posterior trabajo de soldadura.,

garantizando una buena unin.

Cuando el espesor del Flue es menor o igual que 0.023 veces el dimetro del

Flue se puede plantear la siguiente ecuacin, es decir:

023.0/ Dt3

710

oD

tP , psig

II. EL HOGAR O CAMARA DE COMBUSTION

Y cuando el espesor del Flue es mayor que 0.023 veces el dimetro exterior del

Flue se puede plantear la siguiente ecuacin, es decir: 023.0/ Dt

275-17300

oD

tP

Donde:

P: Presin de trabajo mximo admisible o de diseo (PSIG)

t: espesor del Flue (pulg.)

D: dimetro exterior del Flue (pulg.)

, psig

Para nuestro diseo sabemos que: P = 150 psig.

Por experiencia se recomienda que el dimetro exterior del Flue est

dentro del rango de 35 al 50% del dimetro interior del casco o dimetro

de la placa

La norma recomienda como referencia de buena

practica de Ingeniera que el dimetro del flue

debe ser de 35 50% del dimetro interior de la

Placa.

122

Ejemplo:

Presin = 150 Psig.

Dimetro = 255 cm. (100 pulg.) Placa.

Dimetro = 113 cm. (44.50 pulg.) Flue.

Espesor = 19 mm. (0.75 pulg.) - Flue

Espesor = 15.8 mm. (0.625 pulg.) Placa.

NOTA III

PARA EL FLUE CORRUGADO A continuacin se proceder a dimensionar el Flue del tipo corrugado, para lo cual

se recurrir a la norma PFT-19, la cual establece que la mxima presin de trabajo

admisible, para un Flue con porciones lisas en los extremos no mayores que 9, se puede obtener de la siguiente manera:

(psig) *

D

tCP

Donde:

P: Mxima presin de trabajo admisible (psig)

t: Espesor de Flue, no menor que 5/16. D: Dimetro medio del Flue corrugado (pulg.)

C: Constante que vara con las caractersticas de las ondulaciones del Flue.

C = 17300 para corrugaciones no mayores que 8 de centro a centro y profundidad no menor de 2 . C = 14000 para corrugaciones no mayores que 8 de centro a centro y profundidad no menor de 1 1/2. C = 10000 para corrugaciones no mayores que 18 de centro a centro y profundidad no menor de 1 1/2 y apropiado para Flues hechos mediante roblonado.

124

Hogar o Flue: Corrugado

125

Conexin entre flue Liso y

corrugado:

Fabricacin

Unin de diferentes espesores:

126

Unin Prohibida:

127

Uniones mas aceptadas de

Conexiones

128

129

Soldadura Externa al Casco

Tubos de Fuego

130

- Segn el Cdigo ASME en su acpite PFT-12 y PF-50,hace mencin al espesor del tubo de acuerdo a su temperatura y

presin mxima de trabajo admisible.

- Para la sujecin de los tubos la norma recomienda la

utilizacin de expandido mecnico (en Fri) hasta

presiones de 300 Psig.

- Segn la ASME se debe tener un rango de 15- 35% de

dimetro interior del casco (Placa portatubo) para la cmara

de Vapor.

Distribucin de tubos en Placa portatubos de Caldera piro tubular

Tubos para calderas

Tubos de Acero sin Costura ASTM A-192 para Calderas

Al carbono, procesados en caliente con extremos lisos a escuadra. APLICACIONES: En calderas, sobrecalentadores, horno de refinera y servicios de alta temperatura.

4" 101.60 4.00 11.09 3.38

4" 101.60 3.60 9.86 3.01

3" 76.10 3.20 6.54 1.99

2.1/2" 63.50 2.90 5.00 1.52

2" 50.80 2.90 3.87 1.18

1.1/2" 38.10 2.60 2.59 0.79

1.1/4" 31.75 2.00 1.61 0.49

1" 25.40 2.00 1.26 0.38

DISPONIBILIDAD: EN LARGOS DE

(medida en pies)

16 18 20 25 32 36

Leyenda:

EP: ESPESOR DE PARED EN mm

PESO TERICO: kg/m

PESO: kg/pie

Presin permitida en PSI: Lb/

DN" Dimetro

nominal en pulgadas

DEmm Dimetro exterior en mm

TABLE PFT-12.1

MAXIMUM ALLOWABLE WORKING PRESSURES FOR STEEL OR TUBES OR FLUES FOR

FIRE TUBE BOILERS FOR DIFFERENT DIAMETERS AND CAGES OF TUBES CONFORMING TO

THE REQUIREMENTS OF SPECIFICATIONS SA-192 OR SA-178

Wall S i z e O u t s i d e D i a m e t e r, In.

thickness

In. 1 1 1/2 1 1/4 2 2 1/4 2 1/2 3 3 1/4 3 1/2 4 4 1/2 5 5 3/8 5 1/5 6

0.095 420 280 240 210 190 170

0.105 560 380 320 280 250 230 190 180 160

0.12 770 520 440 390 350 310 260 240 220 200 180

0.135 980 660 570 490 430 400 330 310 280 250 220 200

0.15 800 680 600 530 480 400 370 340 300 270 240 230 220

0.165 940 800 700 630 560 470 430 400 350 320 280 270 260 240

0.18 920 810 720 650 540 500 460 410 360 330 300 300 270

0.2 1090 950 840 760 630 590 540 480 420 380 360 350 320

0.22 1240 1090 970 870 730 670 620 550 490 440 410 400 370

0.24 1410 1230 1090 990 820 760 700 620 550 490 460 450 410

Solucin:

Considerando que:

Donde:

St: Superficie de calefaccin de un tubo

Sf: Superficie de calefaccin del Flue

Sc Superficie de calefaccin

CLCULO DE LA LONGITUD DE LOS TUBOS y CANTIDAD DE

TUBOS

ffttc SNSNS

Formula para determinar las distancias entre tubos, ver seccin PG46 del ASME

Donde : t : espesor de placa

P: distancia a obtener

P mxima presin caldero

S mximo esfuerzo

C factor depende de agujeros,

espesor, soldadura

Distribucin de los tubos cerca a

la placa y hogar

136

Unin de Placa y Tubos

Expandido y Doblado

137

Expandido y soldado

No menor que t o 1/8 (el mayor)

Soldado: No menor

que t

No menor

que t o 1/8 No mayor

que T/3

No mayor

que T/3

Figura N 5

AREA A SER REFORZADA POR LOS TIRANTES

139

Soldadura de Barra Tensadora

Aceptable

Inaceptable

140

Diseo de Barra Tensadora

A= rea de seccin de la barra.

a= rea de contacto .

L= longitud inclinada.

l= Distancia entre placa y punto medio de

soldadura de contacto.

141

Soportes

142

1.4.5.6 SOLDADURAS

La soldadura juega un papel muy importante en la construccin de la caldera, las

uniones hechas con este proceso soportan fuerzas considerables por efectos de

la presin interna de la caldera, y los esfuerzos trmicos (dilataciones y

contracciones).

La parte PW-17 de la seccin I del Cdigo ASME, trata de las uniones soldadas,

donde los requerimientos de la misma pueden ser resumidos de la siguiente

manera:

La soldadura al tope del tipo circunferencial y longitudinal del casco o de

cualquier superficie cilndrica a presin, debe ser hecha a ambos lados (artculo

PW-9-1)

Los biseles de las partes a soldar deben garantizar una fusin y penetracin

completa (artculo PW-9-2).

Todas las uniones longitudinales y circunferenciales deben ser radiografiadas en

su totalidad (artculo PW-11)

Las uniones deben ser sometidas a tratamiento trmico antes y despus del

proceso, necesitndose un pre y postcalentamiento.

Se puede Usar Procesos Como

SMAW (ELECTRODO)

GTAW (TIG)

GMAW (MIG)

1.4.5.6 SOLDADURAS

1.4.5.3 BASE DE LA CALDERA

El cdigo ASME recomienda que para una caldera de 42 pulg. de

dimetro su base debe tener una altura mnima de 12 pulg. desde la

parte inferior del casco al piso.

Debe estar hecha de planchas de Acero Estructural calidad ASTM

283, de pulg. de espesor, dejando un buen acceso para la

instalacin de las tuberas de los drenajes.

1.4.5.4 TAPAS TANTO DELANTERA COMO POSTERIOR

Deben estar hechos de planchas estructurales calidad ASTM 283, de

pulg. de espesor cuando el casco tiene un dimetro de 42 pulg. de

interior.

La tapa del 2do paso debe recubrirse con refractario (aislante),

internamente para evitar tanto la fuga de calor como la deformacin de

dicha tapa, pues esta zona es una de las ms calientes.

Para nuestro caso estn sujetas el casco y Flue u horno o cmaras de

combustin, de nuestra caldera a travs de pernos de acero grado 5

de preferencia.

Con el afn de chequear e inspeccionar el estado interno de la caldera se

recomienda colocar como mnimo 3 tapas de HAND HOLE, elpticas las cuales

pueden ser de 3 pulg x 4 pulg o el de 3 x 4 pulg.

Estas deben colocarse una en la parte inferior de la caldera y las otras dos en los

lados laterales de la caldera.

Opcional Tambin se recomienda instalar tapas elpticas denominadas MAN HOLE o

entrada de hombre para poder inspeccionar mejor la caldera.

Estas tapas se deben instalar de preferencia para calderas cuyo dimetro del

casco es igual o mayor que 48 pulg.

Adems se recomienda que dicha tapa elptica se instale en la parte superior de

dicha caldera, y sus medidas ms recomendables son de 15 pulg. x 11pulg. y/o

de 12 pulg. x 16 pulg. , respectivamente.

1.4.5.5 TAPAS DE REGISTRO O TAPAS HAND HOLE O ENTRADA DE

MANO

1.4.5.7 PRUEBAS NECESARIAS PARA CALDERAS PIROTUBULARES

Debido a que las calderas son equipos a presin, generadora de vapor, se

recomienda realizar las siguientes pruebas:

I. Radiografas a los cordones de soldadura- Rayos X

Se recomienda evaluar la soldadura o uniones

soldadas longitudinales y circunferenciales en

su totalidad, mediante radiografas.

Mediante esta evaluacin se determinar si

cumplen con los requerimientos mnimos

solicitados por las normas en uso.

Los cordones de soldadura rechazados sern

reparados e inspeccionados nuevamente

hasta su aceptabilidad antes de entrar en

servicio.

Una vez comprobado que los cordones de

soldadura se encuentran aceptables se

proceder a una segunda prueba

importantsima.

II. Prueba de Alivio de Tensiones o Tratamiento Trmico de la Caldera.

El tratamiento trmico de la caldera ya soldada es importante para aliviar las

tensiones residuales que posee el material como consecuencia del proceso de

conformado de la planchas (rolado) y del proceso de soldadura ya que en este

ltimo existe transformaciones estructurales que generan tensiones durante el

enfriamiento.

El tratamiento trmico de alivio de tensiones normalmente se debe realizar a la

caldera ya soldada (placas, casco, flue y bases), colocndola dentro de un

horno con quemadores de petrleo o gas con control de temperatura.

El artculo PW.38 del Cdigo ASME recomienda a temperatura de

precalentamiento de acuerdo al material a soldar. Para los materiales ms

comnmente usados (resistencia a la traccin aprox. 60 000 PSI, composicin

de carbono menor a 0.3% y espesor menor de 1 pulg.), aplicar un

precalentamiento de 175F a 250F (80-121C). Asimismo, respecto al

postcalentamiento, el artculo PW-39 recomienda que para materiales ferrosos

de bajo carbono, la caldera a tratar trmicamente debe mantenerse a una

temperatura de 1100F (593). El enfriamiento hasta los 200 como mxima

temperatura, debe ser realizado en el horno en un lapso de tiempo que sea el

doble del tiempo que dur el alivio de tensiones.

HORNO PARA TRATAMIENTO TRMICO

IV. Prueba de Ultrasonido-Opcional

Se recomienda evaluar por

ultrasonido la soldadura tipo

filete de las siguientes partes:

Unin de placa anterior y

posterior al cuerpo del caldero

Unin del Flue a placas

portatubos

Unin de tubos a placas

portatubos

Unin de conexiones del

caldero

EQUIPO

ULTRASONIDO

1.4.5.8 AISLANTES

Se utilizan para evitar fugas de calor.

I. Material Refractario de la Caldera

El empleo de refractarios en las calderas se debe a las siguientes razones:

Proteger a las superficies metlicas expuestas a altas temperaturas, que no

constituyan superficies de calefaccin.

Mantener una temperatura elevada para el desarrollo de la combustin en el caso

del cono refractario de la cmara de combustin.

Aislar la perdida de calor al exterior, en el caso de las puertas, aunque aqu el

material refractario normalmente se usa combinado con una capa interior de

aislamiento de alta temperatura como la fibra cermica o planchas de asbesto.

Conformar una pared divisionaria (tabique) o deflector entre dos pasos de la

caldera, como por ejemplo entre el segundo y tercer paso de una caldera de 3

pasos.

En las calderas se usan ladrillos y morteros refractarios cuyos componentes de

base son el slice y alumina. En calderas de tamao grande se emplean ladrillos y

morteros o la combinacin de ambos, pero en caldera de reducido tamao (de

hasta 200 BHP), es preferible el empleo de morteros.

Los morteros refractarios pueden ser de tres tipos:

De fraguado al ambiente-hasta temperaturas menores de 1800C

De fraguado al calor- para temperaturas mayores

De base especial-slice, magnesita y carburo de slice

Los mismos que se usan con sus ladrillos adecuados.

En la caldera, donde la temperatura es de 1070C en la zona del cono, se

recomienda usar mortero silito aluminoso de fraguado al aire, cuyas

caractersticas ms importantes es de trabajar a temperaturas de hasta

1500C y de resistir a la abrasin producida por la llama y gases. Su

densidad es de 1800 kg/m3 y su conductividad trmica es de 0.001 Kw/m

C.

I. Material Refractario de la Caldera

La preparacin de este mortero se realiza mezclndolo con 15 a 20 % de agua e

instalndola mediante encofrado o aplicado a presin mediante un equipo

neumtico especial.

Debe tenerse cuidado que al realizar el encofrado de los siguientes aspectos:

Considerar juntos la dilatacin adecuada, sobre todo cuando se van a

confeccionar paredes o superficies planas de regular tamao.

Los anclajes deben ser seleccionados de tal forma que soporten el material

fraguado y no ser tan grandes que al dilatarse al calor, no rajen el refractario

fraguado.

I. Material Refractario de la Caldera

Ladrillo Refractario Concreto Refractario

Silico- Aluminosos

II. LANA DE VIDRIO- TIPO COLCHONETAS

Se instalan cubriendo todo el cilindro- casco de la caldera Pirotubular, para

evitar la fuga de calor. Vienen en colchonetas de 2 pulg. de espesor

mayormente, cuyo espesor es el recomendable para estos equipos.

Instalndolo al casco mediante anclajes y pegamento especial.

LANA DE VIDRIO

Pruebas Hidrostticas

Se realizan a 1.5 Veces la Presin de Operacin segn la Norma AMSE Seccin I

Es recomendable realizarla con una Bomba de Presin manual

Para no someter al Equipo a Incrementos Bruscos de presin

PROCEDIMIENTO DE BUENA PRACTICA

Hermetizar todas las conexiones sometidas a presin

Eliminar el aire por la parte superior

Llenar el agua con bomba elctrica hasta llegar a cero psi

Luego elevar la presin de forma manual

Dejar 02 Horas con un manmetro calibrado y/o certificado con Patrn, la presin no deber caer en este tiempo

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